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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen
US 2011 / 0 267 039 A1 eingereicht am 2. Mai 2010 von Stanley Byron Musselman et al., mit dem Titel „MAGNETAND HOLDER ASSEMBLY HAVING IMPROVED ROTATIONAL AND AXIAL STABILITY“.
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ANGABEN ZU AUS BUNDESMITTELN GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG: Keine.
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VERWEIS AUF SEQUENZLISTE, TABELLE ODER COMPUTERPROGRAMMZEILENAUSGABE, CD-ANHANG: Keine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft generell Magneten und Magnethalter und insbesondere Magnet- und Halterkombinationen mit verbesserter Axial- und Rotationsstabilität.
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HINTERGRUND
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Magneten finden in modernen Vorrichtungen vielfältige Verwendung. Häufig werden Magneten mit Sensoren verwendet, um die Position von Maschinenelementen zu erfassen oder die Geschwindigkeit, das Drehmoment oder die Richtung der Bewegung von Teilen relativ zueinander zu ermitteln. Solche Anwendungen sind in Computern, Druckern oder anderen elektronischen Vorrichtungen zu finden. Auch in vielen kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen, etwa automatischen Bremssystemen, arbeiten Magneten mit Sensoren. Magnet-Sensor-Kombinationen sind auch ein wichtiger Teil von intelligenten Fernbetätigungseinrichtungen in kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen, wie etwa denjenigen, die Lufteinlassöffnungen in Turboladern für Dieselmotoren steuern. In letzter Zeit werden Magnet-Sensor-Kombinationen verbreitet in elektrischen Hilfskraftlenkungsanwendungen verwendet.
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Die
DE 11 2006 000 184 T5 offenbart zum Beispiel eine magnetische Codiereinrichtung und ein mit dieser versehenes Radlager, welche bei Rotationssensoren angewendet wird, um die Drehzahl eines Rads beispielsweise in Antiblockiersystemen für Kraftfahrzeuge zu erfassen.
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Bei den meisten solchen Anwendungen ist der Magnet ein Verbundmagnet, der dazu magnetisiert wurde, eine vorgewählte Polarität aufzuweisen. Bei vielen Anwendungen wird der Magnet während der Verwendung durch einen Magnethalter gestützt und positioniert. Bei elektronischen Hilfskraftlenkungsanwendungen wird ein solcher Magnet beispielsweise durch einen Halter am Ende einer geschwindigkeitsvariablen Motorwelle festgehalten. Die Welle dreht die Magnet-Magnethalter-Anordnung sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn mit Geschwindigkeiten, die bis zu 3.000 U/min oder mehr betragen können, abhängig beispielsweise von der Richtung und Geschwindigkeit, mit welcher der Fahrer das Lenkrad eines Fahrzeugs dreht. Sensoren detektieren die Lenkradbewegung durch Detektieren der Geschwindigkeit und der Richtung der Rotation des Magneten.
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Eine Rotations- und Axialstabilität des Magneten relativ zu dem Magnethalter ist von großer Wichtigkeit; insbesondere dann, wenn die Erfassung der Magnetrotation dazu verwendet wird, das Lenken eines Kraftfahrzeugs zu steuern oder zu verstärken. Zur Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit und -richtung eines Magneten gehört typischerweise das Erfassen der Bewegung der vorbestimmten Polarität des Magneten während seiner Rotation. Ein Rotationsverrutschen des Magneten im Magnethalter würde bewirken, dass der Sensor an eine Hilfskraftbremse oder an einen Lenkmechanismus fehlerhafte Informationen sendet. Ebenso würde eine axiale Bewegung des Magneten im Magnethalter oder axiale Trennung des Magneten vom Magnethalter während des Betriebs zumindest bewirken, dass ein Sensor fehlerhafte Informationen an die gesteuerte Vorrichtung sendet, und könnte das Funktionieren der Vorrichtung verhindern.
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Es besteht Bedarf an einer Magnet-Halter-Anordnung, die verbesserte Axial- und Rotationsstabilität des Magneten in dem Halter bereitstellt.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die Axial- und Rotationsstabilität eines Magneten relativ zu einem Magnethalter, in dem der Magnet festgehalten ist, zu verbessern.
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Außerdem ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Anordnungen zu verbessern, die einen Magneten und einen Halter umfassen.
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Diese und weitere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst. In einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Magnetsensorvorrichtung, umfassend einen nicht-magnetischen Magnethalter der einen inneren Hohlraum mit wenigstens einer geformten Wand und einer axialen Einschränkung aufweist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen geformten Magneten, der in dem Hohlraum positioniert ist, wobei der Magnet eine Form hat, die im Wesentlichen komplementär zu der Form des Hohlraums ist und magnetisiert ist, um vorbestimmte Polaritätslinien zu haben und während der Magnetisierung orientiert ist, so dass die resultierenden Polaritätslinien generell mit dem Ort der größten Menge magnetisierbaren Materials in dem geformten Magneten korrespondieren.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine Haftschicht zwischen dem Magnet und dem Magnethalter, wobei die Vorrichtung auf eine Welle so montiert ist, dass die vorbestimmte Polarität generell in eine Linie mit dem Durchmesser des Wellenendes gebracht ist, wobei die Welle geeignet ist, in einer Richtung und mit einer Geschwindigkeit zu rotieren, die von einer Steuerung bestimmt wird.
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Die Vorrichtung weist einen elektronischen Sensor auf, um die Richtung und die Geschwindigkeit der Rotation zu bestimmen; wobei der Magnet im Wesentlichen durch den Magnethalter bedeckt ist und ein Kontakt zwischen dem geformten Magneten und der geformten Wand des Hohlraums eine relative axiale Bewegung, eine relative radiale Bewegung oder beides zwischen dem Magnet und dem Magnethalter beschränkt.
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Die Vorrichtung kann somit eine Haftschicht aufweisen, die wenigstens einen Abschnitt des geformten Magneten mit der Oberfläche des Magnethalters verbindet, wodurch eine axiale Bewegung des Magneten und des Magnethalters relativ zueinander eingeschränkt ist.
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Die Magnethalterkomponente der vorliegenden Erfindung kann aus jedem verwendbaren nichtmagnetischen Material hergestellt sein. Normalerweise ist Aluminium, aufgrund seiner Festigkeit, Verfügbarkeit, Bearbeitbarkeit und relativen Kosten, das nichtmagnetische Material der Wahl. Zu den sonstigen verwendbaren Materialien zählen beispielsweise hochfeste Kunststoffe und nichtmagnetische Verbundstoffe einschließlich carbonfaserhaltiger Verbundstoffe.
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Ein geformter Magnet, der in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, kann aus einer Vielzahl von magnetisierbaren Materialien hergestellt sein. Pulverförmige magnetische Materialien sind bevorzugt wegen der relativen Leichtigkeit einer Bildung pulverförmiger magnetischer Materialien zu gewünschten Formen, verglichen mit anderen verwendbaren Materialien wie etwa Eisen und eisenhaltigen Verbindungen. Magneten mit verschiedenen Formen können aus pulverförmigem magnetischem Material gebildet sein und können isotrope oder anisotrope Eigenschaften haben. Verbundmagneten mit vorgewählten Formen sind bekannt. Ihre Herstellung in Formen, die generell zur Verwendung als geformte Magneten in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, ist ebenfalls bekannt. Geformte Magneten wurden bereits durch Verfahren wie unter anderem Sintern, Extrusion, Spritzguss und Formpressen von Magnetpulvern hergestellt. Geformte Magneten, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, können durch jedes solche Verfahren hergestellt sein, jedoch wird die Herstellung solcher geformter Magneten hier durch eine kurze Beschreibung des Formpressverfahrens illustriert.
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Ein formgepresster Magnet ist ein Typ eines Verbundmagneten. Typischerweise werden formgepresste Magneten aus pulverförmigen magnetischen Materialien hergestellt. Generell ausgedrückt, ist das pulverförmige magnetische Material eine Verbindung, die seltene Erden, Übergangsmetalle und Bor umfasst. Magnetische Materialien sind unter anderem Ferrite, Samarium-Cobalt, Aluminium-Nickel-Cobalt und Materialien des Typs Neodym-Eisen-Bor, entweder einzeln oder in Kombination. In den letzten Jahren wurde Neodym-Eisen-Bor für viele Verbundmagnetanwendungen verwendet. Bevorzugt sind die Verbindungen aus Nd, Pr, Fe, Co und B hergestellt. Die industrielle Verwendung von Pulvern als Komponente bei der Herstellung von pulverförmigen Metallmagneten hat sich auf Nd 2 Fe14 B und seine Derivate konzentriert, wie etwa Dy2 Fe14 B; Dy„Nd2 Fe14B; Pr2Fe14 B und Pr.Nd(2...) Fel4B. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann für alles Eisen oder einen Teil des Eisens in der Neodym-Eisen-Bor-Phase des Magneten ersatzweise Cobalt verwendet werden. Andere Metalle wie etwa Niob, Titan, Zirconium, Vanadium, Wolfram usw. können zu Neodym-Eisen-Bor-Legierungen zugesetzt werden, um gewünschte magnetische Eigenschaften zu erzielen. Für alles Neodym oder einen Teil des Neodyms können ersatzweise andere Seltenerdmetalle verwendet werden, wie etwa, jedoch nicht ausschließlich, Cer, Dysprosium, Erbium, Praseodym und Yttrium. Das Bor kann ganz oder teilweise durch Carbon, Silicium oder Phosphor ersetzt sein. Andere Metalle oder Nichtmetalle können ersatzweise für kleine Teile entweder des Eisens oder des Neodyms verwendet werden, und die relativen Anteile von Neodym, Eisen und Bor können etwas variiert sein. Üblicherweise wird Nd-Fe-B-Material zur Verwendung in solchen vorgebildeten Magneten durch das Schnellverfestigungsverfahren erhalten. Andere Verfahren, wie etwa eine Verwendung von Wasserstoff, können zur Herstellung dieser magnetischen Materialien ebenfalls verwendet werden.
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Die Partikelgröße verwendbarer pulverförmiger Materialien variiert stark in Abhängigkeit von den jeweiligen Anwendungen. Pulverförmige Metalle, die bei der Herstellung von formgepressten Verbundmagneten verwendbar sind, haben typischerweise eine durchschnittliche Partikelgröße von ungefähr 150 Mikrometern, wobei allerdings Partikelgrößen im Bereich von ungefähr 20 bis ungefähr 400 Mikrometern verwendbar sein können. Magnetische Metallpartikel, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind beispielsweise von Neo Materials Technologies (Magnequench), Toronto, Ontario, Kanada, kommerziell erhältlich.
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Solche Pulver werden typischerweise mit aushärtbaren Harzen gemischt, um B-Zustands-Pulver zu bilden, die wenigstens teilweise mit einem ungehärteten Harzsystem beschichtet sind. Das Harzsystem kann ein Phenol-Novolak-Harz und ein Diamin-Vernetzungsmittel oder -Härter sein, wie in der eingereicht am 13. Mai 2008, beschrieben. Wie in dieser Anmeldung gelehrt wird, können abhängig von der Anwendung und dem Aushärteverfahren mit dem Phenol-Novolak-Harz andere Härtersysteme verwendet werden. Illustrative Beispiele für weitere verwendbare Härter für Phenol-Novolak-Harze sind Amine, Polyamide, Anhydride, Phenolharze, Polymercaptane, Isocyanate und Dicyandiamide, die abhängig von der Anwendung und dem Aushärteverfahren ausgewählt werden. Das Harzsystem kann auch beispielsweise Bisphenol-A-Epichlorhydrin oder beispielsweise ein Bisphenol-F-Epichlorhydrin-Epoxidharzsystem sein. Das Harzsystem kann auch ein thermoplastisches Material sein.
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B-Zustands-Pulver werden normalerweise verwendet, um Formen aus pulverförmigem Metall in einem bekannten Kompressionsverfahren zu bilden, bei dem hoher Druck auf eine vorbemessene Charge Pulver in einem Formhohlraum angewandt wird. Der angewandte Druck beträgt typischerweise ungefähr 60 Tonnen/Quadratzoll. Die so entstehende Form, nun als B-Zustands-Artikel bezeichnet, wird dann durch Erwärmen bei Atmosphäre auf eine Temperatur, die zur Einleitung der Vernetzung ausreicht, ausgehärtet. Die Aushärtungstemperatur beträgt typischerweise ungefähr 170 Grad Celsius und wird für weniger als eine Stunde beibehalten.
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Wie in der
US 2009 / 0 010 784 A1 gelehrt wird, kann ein geformter Magnet auch durch Spritzguss- oder Extrusionstechniken hergestellt sein und kann optional vor der Zusammenmontage mit dem Magnethalter gesintert sein. Wenn ein geformter Magnet unter Verwendung von Spritzgusstechniken hergestellt wird, wird das Magnetmaterial typischerweise in einem viskosen, fluiden Zustand in einen Hohlraum eingebracht, der eine zu der gewünschten Form des geformten Magneten komplementäre Form hat. Beim Aushärten bildet das Magnetmaterial eine Form, die durch die Form des Hohlraums bestimmt ist.
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Bei einem Fertigungsverfahren wird der spritzgegossene geformte Magnet aus der Hohlraumform entfernt und mit einem Magnethalter zusammenmontiert, der eine zu der Form des Magneten komplementäre Form hat. Bei einem bevorzugten Fertigungsverfahren wird der geformte Magnet an Ort und Stelle in einem Hohlraum in dem Magnethalter gebildet. Das eingespritzte Magnetmaterial haftet nach dem Aushärten an den Wänden des Hohlraums, bildet eine magnetisierbare Form, die zu der Form des Hohlraums komplementär ist, und ist somit gegen eine radiale Trennung von dem Magnethalter eingeschränkt.
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Unabhängig von der Art ihrer Bildung sind die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Magneten durch bekannte Mittel dazu magnetisiert, eine vorbestimmte Polarität aufzuweisen; beispielsweise durch die Verwendung eines Impulsmagnetisierers der U-Serie, erhältlich von der Magnet-Physik Dr. Steingroever GmbH, Köln, Deutschland. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Polarität dazu ausgewählt, generell mit der längsten Abmessung eines Vorsprungs übereinzustimmen, der sich von dem geformten Magneten erstreckt, da diese Abmessung normalerweise das meiste magnetisierbare Material aufweist.
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Der Magnet und der Magnethalter können alle komplementären Formen haben, die, wenn sie in der montierten Vorrichtung miteinander in Kontakt stehen, gegen eine Rotationsbewegung relativ zueinander beständig sind, wenn die Anordnung wiederholter, schneller reziproker Rotation unterliegt, beispielsweise durch ein auf den Magnethalter angewandtes Drehmoment. Alle komplementären Formen, die eine solche Beständigkeit gegenüber relativer Rotation oder relativem Verrutschen zwischen dem Magneten und dem Magnethalter erzielen, sind in der vorliegenden Erfindung verwendbar. Typischerweise umfassen die komplementären Formen irgendeine Variante eines sich von einer der Komponenten erstreckenden Vorsprungs, der in der Form generell komplementär zu einem Schlitz oder einer Nut an der anderen Komponente ist. Eine solche Formenkombination wird häufig als „Nut-und-Feder-Anordnung“ oder „Keilnutanordnung“ beschrieben. Bei einer typischen Anordnung ist der Vorsprung ein Abschnitt des Magneten, der sich in eine komplementäre Nut, einen komplementären Schlitz oder eine komplementäre Aussparung in dem umliegenden Magnethalter erstreckt. Alternativ kann der Vorsprung, die Feder oder der Keil sich von der Wand des Magnethalters in einen Schlitz, eine Nut oder eine Aussparung in dem Magneten erstrecken, der in dem Magnethalter gehalten wird.
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Im Optimalfall weisen der Magnet und der Magnethalter auch komplementäre Formen auf, die eine relative axiale Bewegung zwischen denselben während der Verwendung einschränken. Die komplementären Formen, die eine relative axiale Bewegung zwischen den Komponenten einschränken, sind normalerweise ebenfalls irgendeine Variante einer Keilnut- oder Nut-und-Feder-Kombination. In einigen Ausführungsformen weisen die Formen, die eine axiale Trennung des Magneten und des Magnethalters einschränken, ein Ineinandergreifen von Nuten und Erhöhungen in den Komponenten auf. In anderen Ausführungsformen ist eine axiale Trennung der Komponenten durch eine Form oder ein Muster aus Formen eingeschränkt, die in den Wänden des Magnethalters gebildet sind und mit einem ausgehärteten spritzgegossenen Magnetmaterial gefüllt sind. In einer solchen Ausführungsform ist in den Magnethalter eine Schraubgewindeform gefräst. Ein aushärtbares Magnetmaterial ist in den Magnethalter eingespritzt und ausgehärtet, um Vorsprünge zu bilden, die zu den Schraubgewinden komplementär sind.
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In wiederum einer weiteren Ausführungsform ist das Ende des Magnethalters, das den Magneten einem Sensor entgegenhält, teilweise oder vollständig durch einen Endabschnitt des Magnethalters bedeckt. In einer solchen Ausführungsform sind die Wände eines generell tubusförmigen Magnethalters an einem Ende verengt oder zusammengedrückt, um eine axiale Bewegung zwischen dem Magnethalter und dem darin enthaltenen Magneten zu verhindern. Alternativ kann das Ende des Magnethalters vollständig geschlossen sein. Ein vollständig geschlossenes Ende kann auch die Herstellung der Anordnung vereinfachen, wenn Spritzguss zum Bilden des magnetisierbaren Materials in dem Magnethalter verwendet wird.
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Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Fertigung ist deutlich, dass die vorteilhaftesten komplementären Formen bei der Fertigung mit hoher Stückzahl durch die relativen Kosten und die Geschwindigkeit verfügbarer Fertigungstechniken bestimmt werden.
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Eine Einschränkung gegen eine relative axiale Bewegung zwischen den Komponenten der vorliegenden Vorrichtung kann auch durch eine Haftschicht erzielt oder verstärkt sein, die den Magneten mit dem Magnethalter verbindet. Idealerweise hat die Haftschicht, sofern vorhanden, eine einheitliche Dicke und ist zwischen allen Kontaktbereichen zwischen den Komponenten vorhanden. Jedoch ist eine einheitliche Bedeckung keine Voraussetzung für die Wirksamkeit der Haftschicht zur Einschränkung einer relativen axialen Bewegung zwischen dem Magneten und dem Magnethalter über lange Zeiträume in hochfrequenten reziproken Anwendungen bei erhöhten Temperaturen. Der Umgebungstemperaturbereich, bei dem ein Betrieb der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erwartet wird, kann sich auf die Glasübergangstemperatur (Tg) eines ausgehärteten Haftstoffes, seine Zugfestigkeit über den gesamten Bereich typischer Betriebstemperaturen, seine Härteeigenschaften und seine Wärmestoßbeständigkeit auswirken. Es kann jedes Haftmaterial verwendet werden, das die gewünschte Einschränkung bereitstellt. Typischerweise ist das Haftmaterial ein chemisch oder thermisch aushärtbares Harz. Die Wahl eines bestimmten Haftmaterials oder -systems kann auch von den spezifischen Magnet- und Magnethaltermaterialien abhängen.
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Es können viele Hartharze verwendet werden, um bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine relative axiale Bewegung zwischen dem Magneten und dem Magnethalter einzuschränken. Zu den verwendbaren Harzen gehören beispielsweise Phenol-Novolak-Harze, Bisphenol-A-modifizierte Phenol-Novolak-Epoxidharze, Bis-A-Epoxidharze, hydrierte Bis-A-Epoxidharze, Bis-F-Epoxidharze und Dimersäure-modifizierte Epoxide. Diese Harze können in Kombination mit einer Vielzahl von Härtern verwendet werden, einschließlich Diamin, Dicyandiamid, Polyamid, Dodecenylbernsteinsäureanhydrid, NMA, HHPA, TETA und MeHHPA. Andere Haftstoffsysteme, wie etwa Polyurethan und Acryl, können zum Bilden einer ausgehärteten Haftschicht zwischen dem Magneten und dem Magnethalter ebenfalls verwendet werden.
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Figurenliste
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- 1a zeigt eine Draufsicht auf eine Magnet- und Magnethalteranordnung gemäß dem Stand der Technik.
- 1b zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht einen Magneten gemäß dem Stand der Technik.
- 1c zeigt im Querschnitt entlang der Linie A-A aus 1a einen Aufriss der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik aus 1a.
- 2a zeigt in Draufsicht eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 2b zeigt in schematischer Perspektive einen in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Magneten mit einem Vorsprung, der sich von einer Oberfläche gegenüber seiner Fläche erstreckt.
- 2c zeigt im Querschnitt entlang der Linie B-B aus 2a einen Aufriss der Anordnung aus 2a.
- 3a zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine relative axiale Bewegung zwischen dem Magneten und dem Magnethalter ebenfalls eingeschränkt ist.
- 3b ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A aus 3a.
- 3c ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B aus 3a.
- 4a und 4b zeigen eine Ansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung von oben bzw. unten, wobei der Magnethalter den spritzgegossenen Magneten bedeckt.
- 4c zeigt eine Querschnittsansicht der Vorrichtung aus 4a und 4b.
- 5a zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, bei der eine Haftschicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zusätzliche Axialstabilität verleiht.
- 5b ist eine Querschnittsansicht der Anordnung der vorliegenden Erfindung entlang der Line A-A aus 5a.
- 5c ist eine Querschnittsansicht der Anordnung der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B aus 5a.
- 6a, 6b und 6c zeigen eine Magnet- und Magnethalteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein spritzgegossener Magnet durch die komplementären Formen von Magnet und Magnethalter sowohl gegen axiale als auch gegen radiale Bewegung relativ zu dem Magnethalter eingeschränkt ist.
- 7a, 7b und 7c zeigen eine Magnet- und Magnethalteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein gesinterter oder Verbundmagnet durch die komplementären Formen des Magneten und des Magnethalters mit Hilfe eines Vergusshaftstoffes sowohl gegen axiale als auch gegen radiale Bewegung relativ zu dem Magnethalter eingeschränkt ist.
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Bezugszeichenliste
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Die in der folgenden detaillierten Beschreibung verwendeten Bezugszeichen sind zur einfacheren Bezugnahme im Folgenden aufgeführt:
- 10
- Magnet gemäß dem Stand der Technik
- 11
- Magnethalter gemäß dem Stand der Technik
- 12
- Magnetanordnung
- 13
- glattseitige Vertiefung
- 14
- Seite des Magneten 10
- 20
- Magnetanordnung
- 21
- geformter Magnet
- 22
- Vorsprung
- 23
- Magnethalter
- 24
- Schlitz
- 25
- Magnetfläche
- 26
- Registrierungsflächen
- 30
- Vorrichtung
- 31
- spritzgegossener geformter Magnet
- 32
- Magnethalter
- 33
- Schlitz
- 34
- Vorsprungsabschnitt
- 35
- Anbringungsform
- 40
- Anordnung
- 41
- spritzgegossener Magnet
- 42
- Magnethalter
- 43
- Schlitze
- 44
- radiale Sperrvorsprünge
- 45
- axiale Sperrvorsprünge
- 46
- Nuten
- 47
- Federn
- 48
- Endabschnitt
- 50
- Vorrichtung
- 51
- Magnet
- 52
- Magnethalter
- 53
- Vorsprung
- 54
- Schlitz
- 55
- Haftschicht
- 60
- Anordnung
- 61
- Magnet
- 62
- Magnethalter
- 63
- Mittelabschnitt
- 64
- Flanschbereich
- 66
- geformter Leerraum
- 70
- Vorrichtung
- 71
- Magnet
- 72
- Magnethalter
- 73
- geformter Abschnitt
- 74
- geformter Abschnitt
- 75
- geformter Leerraum
- 76
- Vergusshaftstoffverbindung
- 77
- Endabschnitt
- 78
- geformter Leerraum
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Ein Magnet 10 und Magnethalter 11 gemäß dem Stand der Technik sind in 1a gezeigt. Zusammenmontiert, wie in 1a gezeigt, bilden diese Komponenten eine Magnetanordnung gemäß dem Stand der Technik, die generell mit 12 bezeichnet ist. 1b zeigt einen Magneten 10 gemäß dem Stand der Technik in schematischer perspektivischer Ansicht. Der Magnet 10 ist als glatter Zylinderstumpf zu sehen, der in einer ebenso glattseitigen Vertiefung 13 in dem Magnethalter 11 gehalten wird. Solche Anordnungen gemäß dem Stand der Technik werden in Magnet-Sensor-Kombinationen verwendet wie etwa denen, die in elektrischen Hilfskraftlenksystemen in Fahrzeugen zu finden sind. Bei einer solchen Anwendung ist die Magnetanordnung 12 typischerweise an der Welle eines Motors platziert, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 3.000 U/min. im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn dreht, abhängig von der Richtung, in der das Lenkrad eines Fahrzeugs gedreht wird, und von der Geschwindigkeit, mit der es gedreht wird.
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Die glatte, gekrümmte Seite 14 des Magneten 10 gemäß dem Stand der Technik und die ebenso glatten Seiten der Vertiefung 13 enthalten keine Strukturen, die eine radiale Bewegung zwischen dem Magneten 10 und dem Magnethalter 11 während schneller reziproker Bewegung mit hoher Geschwindigkeit einschränken könnten. Der Magnet 10 ist normalerweise über seine Fläche magnetisiert, wie durch die in 1b gezeigte Linie N-S beispielhaft dargestellt, so dass die Richtung und Bewegungsgeschwindigkeit der Flusslinien, die sich aus der Polarität des Magneten 10 ergeben, durch einen in der Nähe befindlichen Sensor (nicht dargestellt) registriert werden können. Ein radiales Verrutschen des Magneten 10 in der Vertiefung 13 während der Rotation der Anordnung 12 führt zu inkorrekten Messwerten der Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung des Magneten 10, wie oben beschrieben.
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Die in 2a und 2c generell mit 20 bezeichnete Magnetanordnung ist entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt und ist beständig gegen radiales Verrutschen zwischen dem geformten Magneten 21 und dem Magnethalter 23 während einer reziproken Rotation der Magnetanordnung 20 mit hoher Geschwindigkeit. Der Magnet 21 ist dazu geformt, den Vorsprung 22 aufzuweisen, der sich von der flachen Oberfläche des Magneten 21 gegenüber der Magnetfläche 25 erstreckt. Der Magnethalter 23 weist den Schlitz 24 auf, der zu dem Vorsprungsabschnitt 22 des geformten Magneten 21 komplementär ist. Wenn der Vorsprung 22 in dem Schlitz 24 positioniert ist, wie in 2a und 2c gezeigt, sind die komplementären Formen gegen radiales Verrutschen relativ zueinander beständig, während sich die Anordnung 20 mit hohen Geschwindigkeiten und plötzlichen Richtungsumkehrungen dreht.
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Registrierungsflächen 26, die in 2a und 2c gezeigt sind, werden zum Ausrichten der Anordnung 20 in einem Magnetisierer verwendet, wenn dieselbe nach der Montage magnetisiert wird, um eine vorbestimmte Polarität aufzuweisen. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Polarität des Magneten so weit wie möglich mit der Länge eines Vorsprungs, wie etwa des Vorsprungs 22, ausgerichtet, so dass eine große Menge von magnetisierbarem Material in einer Ebene liegt, die zu den Polaritätslinien im Wesentlichen parallel ist, was zu einer gaußschen Varianz führt, wie in Beispiel 2 gezeigt.
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3a, 3b und 3c zeigen eine Vorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Erfindung, die dazu angepasst ist, auch Axialstabilität bereitzustellen. Die Vorrichtung 30 weist einen spritzgegossenen geformten Magneten 31 auf, der mit einem geformten Magnethalter 32 zusammenmontiert ist. Während eines exemplarischen Fertigungsprozesses wird zuerst der geformte Magnethalter 32 als eine schalenartige Struktur mit geschlossenem Ende gebildet, wonach ein länglicher Schlitz 33 durch das geschlossene Ende hindurch gebildet wird. Der Schlitz 33 kann durch Bohren von einander überlappenden Löchern durch das geschlossene Ende des Halters 32 erzeugt werden.
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Wie am besten in 3a und 3c zu sehen ist, ist der Schlitz 33 an der Achse A-A länger als an der Achse B-B. Magnetisches Material wird in den Halter 32 eingespritzt, so dass es den Schlitz 33 füllt, und wird ausgehärtet, um den geformten Magneten 31 zu bilden. Der geformte Magnet 31 weist einen Vorsprungsabschnitt 34 auf, der in der Form komplementär zu dem Schlitz 33 ist. Der Vorsprungsabschnitt 34 des geformten Magneten 31 wirkt mit dem Schlitz 33 zusammen, um eine relative radiale Bewegung zwischen den Komponenten einzuschränken, wenn die Vorrichtung 30 mit hohen Geschwindigkeiten auf reziproke Weise rotiert wird.
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Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Anbringungsform 35 an dem Ende der Anordnung 30 auf, welche eine Vielzahl von Ausbildungen illustriert, die dazu verwendbar sind, die Anordnung 30 beispielsweise in industriellen und kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen an einer Motorwelle anzubringen.
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Eine andere Ausführungsform einer Magnetanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die sowohl gegen radiales als auch gegen axiales Verrutschen eingeschränkt ist, ist in 4a, 4b und 4c gezeigt. Die Anordnung, generell mit 40 bezeichnet, weist geformtes Magnetmaterial 41 auf, das spritzgegossen und ausgehärtet wurde, um eine Form zu bilden, die zu der Form des Inneren des Magnethalters 42 komplementär ist. Das Innere des Magnethalters 42 wurde beispielsweise durch überlappendes Bohren dazu geformt, Schlitze 43 aufzuweisen, die am besten in 4a und 4c zu sehen sind. Das spritzgegossene Magnetmaterial füllt die Schlitze 43 und bildet nach dem Aushärten Vorsprünge 44, die in der Form komplementär zu der Form der Schlitze 43 sind. Die Vorsprünge 44 und Schlitze 43 wirken zusammen, um eine relative radiale Bewegung zwischen dem Magneten 41 und dem Magnethalter 42 während einer reziproken Rotation der Anordnung 40 mit hoher Geschwindigkeit einzuschränken.
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Das Innere des Magnethalters 42 weist auch gefräste Gewinde 45 auf. Während des Spritzgießens füllt Magnetmaterial die Vertiefungen oder Nuten 46, die ein Teil der Gewindestruktur sind. Beim Aushärten bildet das Material, das die Nuten 46 zwischen den Gewinden 45 füllt, komplementäre Vorsprünge oder Federn 47, die mit den Nuten 46 zusammenwirken, um eine axiale relative Bewegung zwischen dem Magneten 41 und dem Magnethalter 42 während einer reziproken Rotation der Anordnung 40 mit hoher Geschwindigkeit einzuschränken.
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Die Nuten 46 sind in der Ausführungsform aus 4a, 4b und 4c durch Erzeugen von Gewinden an der inneren Oberfläche des Magnethalters gebildet. Gewinde wurden gewählt, weil die Technologie zum Erzeugen von Gewinden am Inneren von zylindrischen Oberflächen bereits bewährt ist. Zur Ausübung der vorliegenden Erfindung sind auch andere Formen verwendbar. Beispielsweise sind auch Nuten wie diejenigen verwendbar, die zum Halten von O-Ringen bestimmt sind. Eine Vielzahl von Verfahren zum Erzeugen von Schlitzen an der inneren Oberfläche des Magnethalters ist für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, und es ist beabsichtigt, dass solche Schlitze innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen. Eine axiale Instabilität kann auch durch eine zulaufende Gestaltung des Inneren des Magnethalters 42 in der Weise eingeschränkt sein, dass das spritzgegossene Magnetmaterial einen Kegelstumpf bildet, dessen breites Ende mit dem Endabschnitt 48 in Kontakt steht, wodurch bewirkt wird, dass die komplementären Formen des Magneten 41 und des Magnethalters 42 gegen relative Bewegung beständig sind.
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Die Fläche der Anordnung 40, die den rotierenden Magneten 41 funktionell nah an einen Sensor (nicht dargestellt) hält, ist durch einen relativ dünnen Endabschnitt 48 des Magnethalters 42 bedeckt. Diese optionale Ausbildung erleichtert die Kontrolle der Magnetmasse während des Spritzgussprozesses und kann die Oberfläche des Magneten 41 bei einigen Anwendungen vor Umweltbeschädigungen schützen.
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5a, 5b und 5c zeigen eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, generell mit 50 bezeichnet, bei der eine Einschränkung gegen radiale Instabilität zwischen dem Magneten 51 und dem Magnethalter 52 durch den Vorsprung 53 und den komplementären Schlitz 54 bereitgestellt ist, wie oben in 2a, 2b und 2c illustriert. Jedoch wird in der Ausführungsform aus 5a, 5b und 5c eine Einschränkung gegen axiale Instabilität durch eine Haftschicht 55 bereitgestellt, die den Magneten 51 mit dem Magnethalter 52 verbindet. Wie oben detaillierter beschrieben, ist die Schicht 55 typischerweise ein thermisch oder chemisch aushärtbarer Haftstoff.
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6a, 6b und 6c zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Anordnung 60 sowohl gegen radiale als auch gegen axiale relative Bewegung zwischen dem Magneten 61 und dem Magnethalter 62 eingeschränkt ist. Der Magnethalter 62 weist einen geformten Raum 63 auf, in 6a durch gestrichelte Linien illustriert, der ein generell zylindrischer Leerraum mit einem verengten Mittelabschnitt 64 ist. Der Magnet 61 ist dazu spritzgegossen, den geformten Raum 63 so zu füllen, dass die komplementären Formen des Magneten 61 und des Magnethalters 62 in den Flanschbereichen 65, die generell die Enden des Mittelabschnitts 64 bestimmen, eine laterale Bewegung zwischen dem spritzgegossenen Magneten 61 und dem Magnethalter 62 verhindern.
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Wie am besten in 6b zu sehen ist, können die komplementären Querschnittsformen des Magnethalters 62 und des spritzgegossenen Magneten 61, die in dieser Ausführungsform beide generell kreisrund sind, auch eine relative axiale Bewegung zwischen denselben einschränken. Ein geformter Leerraum 66, in 6b gezeigt, ermöglicht eine Anbringung der Anordnung 60 an beispielsweise der Welle eines Elektromotors (nicht dargestellt) für eine reziproke Bewegung mit hoher Geschwindigkeit während der Verwendung.
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7a, 7b und 7c zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Vorrichtung 70 den in dem Magnethalter 72 gehalten Magneten 71 aufweist. Eine relative Bewegung zwischen dem Magneten 71 und dem Halter 72 ist durch die komplementären Formen des gesinterten oder Verbundmagneten 71 und die geformten Abschnitte 73 und 74 des geformten Leerraums 75 eingeschränkt, die in Kombination mit der Vergusshaftstoffverbindung 76 wirken, die Abschnitte des geformten Leerraums 75 füllt, welche nicht durch den Magneten 71 eingenommen sind. Der Endabschnitt 77 des Magnethalters 72 bedeckt den Magneten 71, wodurch eine Aussetzung gegenüber schädlichen Elementen während des Betriebs verhindert wird. Der in 7b gezeigte geformte Leerraum 78 ermöglicht eine Anbringung der Vorrichtung 70 an beispielsweise der Welle eines Elektromotors (nicht dargestellt) für eine reziproke Bewegung mit hoher Geschwindigkeit während der Verwendung.
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Beispiel 1
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Eine Magnet- und Magnethalteranordnung gemäß dem Stand der Technik, wie in 1 gezeigt, wurde unter Verwendung eines gesinterten NdFeB-Magneten und eines Aluminium-Magnethalters hergestellt. Die Anordnung wurde auf das Drehmoment bis zum Ausfall geprüft. Die Anordnung versagte bei einer Kraft von 1 Nm. Zum Vergleich wurde eine Magnet- und Magnethalteranordnung, wie in 2 gezeigt, unter Verwendung derselben Materialien hergestellt und auf das Drehmoment bis zum Ausfall geprüft. Die Anordnung aus 2 versagte bei 4,3 Nm, was darauf hinweist, dass die der vorliegenden Erfindung entsprechende Konstruktion einem weitaus höheren Drehmoment standhalten kann als die Anordnung gemäß dem Stand der Technik, und in höherem Maße gegen radiales Verrutschen beständig ist.
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Beispiel 2
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Eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik wurde gemäß 1 unter Verwendung eines gesinterten Ferritmagneten hergestellt. Der Magnet wurde über seinen Durchmesser magnetisiert. Der Gaußwert des Magneten wurde bei einer Höhe von 10 mm oberhalb der Magnetoberfläche in der Z-Ebene gemessen. Der Gaußwert variierte innerhalb von +/-5,0%.
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Eine ähnliche Gestaltung wurde unter Verwendung des mit Vorsprung versehenen Magneten, wie in 2 gezeigt, hergestellt und mit Polaritätslinien parallel zu dem Vorsprung magnetisiert. Der Gaußwert wurde wie bei der Anordnung aus 1 in der Z-Ebene gemessen. Die Variation betrug +/-2%, was darauf hinweist, dass die mit Vorsprung versehene Gestaltung verbesserte magnetische Eigenschaften bereitstellt.
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Bei der obigen Beschreibung sei darauf hingewiesen, dass die MAGNET- UND HALTERANORDNUNG MIT VERBESSERTER ROTATIONS- UND AXIALSTABILITÄT nicht auf lediglich die offenbarte Ausführungsform zu begrenzen ist. Die Merkmale der MAGNET- UND HALTERANORDNUNG MIT VERBESSERTER ROTATIONS- UND AXIALSTABILITÄT sollen verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in dem Gedanken und Umfang der Beschreibung enthalten sind.
