DE19916767C2 - Induktiver Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Sensoren sind in unterschiedlicher Bauart dem Fachmann bekannt und werden in Fertigungsanlagen zum Steuern von Pressen, zum Erkennen der Gegenwart von Werkstücken an vorgegebenen Stellen usw. verwendet. Sie zeichnen sich durch hohe Robustheit und Zuverlässig­ keit aus.

Um magnetische Materialien durchdringen zu können, wäre es wünschenswert solche Sensoren mit niedrigen Frequenzen (< 100 kHz) betreiben zu können. Wegen der deutlich höheren Anfangspermeabilität wäre Eisen als Material für den Kern besser als Ferritmaterial. Man hätte eine höhere Spulengüte und ein geringeres Streufeld.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein induktiver Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben werden, der einen bei niederen Frequenzen (< 100 kHz) betreibbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Dadurch, daß man den die Wicklungen des Sensors tragen­ den Kern auf einer Länge schlitzt mit einer Isolations­ strecke versieht, die größer ist als die axiale Abmessung der Wicklungen, kann sich kein Ringstrom im Kern ausbilden und können die auch Wirbelstromverluste, die im Kern selbst auftreten, deutlich vermindert werden, so daß man einen niedere ohmsche Verluste und damit geringeren Energiever­ brauch hat. Darüber hinaus wird durch die erfindungs­ gemäß vorgesehene Maßnahme auch die Güte des Sensors verbessert, damit auch seine Empfindlichkeit und Genau­ igkeit. Diese Vorteile werden ohne zusätzliche schaltungs­ technische Maßnahmen auf mechanisch einfache Weise er­ zielt.

Aus dem DE-GM 17 85 688 ist an sich bekannt, einen Eisenkern mit Spalten auszubilden, um den magnetischen Widerstand einer unter Verwendung des Eisenkerns aufgebauten Drossel­ spule zu erhöhen. Neben Spalten, die sich durch das gesamte den Eisenkern bildende Lamellenpaket hindurch erstrecken, werden auch solche Spalte in Betracht gezogen, die sich von einer der Endflächen des Pakets nur eine begrenzte Strecke in das Paket hinein erstrecken.

Aus der US 4 160 966 ist bekannt, Kerne von Drosselspulen mit in radialen Ebenen liegenden Schlitzen zu versehen, die sich von den Endflächen der Kerne eine vorgegebene Strecke in axialer Richtung erstrecken. Auf diese Weise werden die Wirbelstromverluste im Material klein gehalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Anspruch 2 gibt an, wie man die Isolationstrecke in einem massiven Kern einfach erzeugen kann.

Sieht man gemäß Anspruch 3 eine Mehrzahl von radialen Schlitzen im Kern vor, so ist die Energieeinsparung durch herabgesetzte Wirbelstromverluste nochmals ver­ bessert.

Dabei ist die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 im Hinblick auf Symmetrie des Magnetflusses von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ermög­ licht es, eine Mehrzahl von Schlitzen im Kern über den axialen Erstreckungsbereich der Spule hinweg zu haben, ohne daß die verschiedenen Kernabschnitte durch ein nichtmagnetisches Zwischenmaterial zusammengehalten werden müßten.

Schlitzbreiten, wie sie im Anspruch 6 angegeben sind, haben sich bei der Realisierung der Erfindung als beson­ ders günstig erwiesen. Sie unterbrechen Ströme im Material, stören den Magnetfluß nicht nennenswert und lassen sich mit herkömmlichen spanenden Verfahren gut herstellen.

Anspruch 7 gibt an, wie man einen Kern mit Isolationsstrecke einfach unter Verwendung von vorgefertigten Teilen erzeugen kann.

Gemäß Anspruch 8 benötigt man keine mechanischen Teile wie Schrauben oder dgl. um den Kern zusammenzuhalten.

Anspruch 9 ist im Hinblick auf das Unterbinden von Ring­ strömen und Wirbelströmen auch im Gehäuse von Vorteil.

Auch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 dient einem weiteren Herabsetzen der Wirbelstromver­ luste, die in einem den Kern umgebenden Gehäuse auftre­ ten würden, wenn dieses aus Metall gefertigt ist (dies ist im Hinblick auf gute Festigkeit des Gehäuses und Robustheit des Fühlers unter rauhen Einsatzbedingungen von Vorteil).

Auch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 ist im Hinblick auf nochmalige Reduzierung des Energie­ verbrauches von Vorteil, da an keiner Stelle des gesam­ ten Sensors ein durchlaufender Stromring aufbauen kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1: einen axialen Schnitt durch einen induktiven Sensor;

Fig. 2: eine Stirnansicht des Gehäuses des Sensors nach Fig. 1;

Fig. 3: eine Aufsicht auf den Kern des Sensors nach Fig. 1;

Fig. 4: eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, in welcher jedoch ein abgewandelter Sensor gezeigt ist; und

Fig. 5 und 6: jeweils einen abgewandelten Kern zur Verwendung im Sensor nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 ein zylindrisches Gehäuse eines Sensors bezeichnet. Dieses hat, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, eine mittige Stufenbohrung 12, welche eine Schulter 14 vorgibt.

Das Gehäuse 10 hat vier in Umfangsrichtung um 90° gegen­ einander versetzte radiale Schlitze 16, die in axialer Richtung vom in der Zeichnung untenliegenden Ende nach oben über die Schulter 14 hinausgeführt sind.

Im Inneren des Gehäuses 10 ist ein insgesamt mit 18 bezeichneter Kern angeordnet. Dieser hat einen Basisab­ schnitt 20, der durch Aufschrumpfen des Gehäuses 10 im Preßsitz mit dem größeren Durchmesser aufweisenden Teil der Stufenbohrung 12 verbunden ist. Der Basisab­ schnitt 20 schlägt in axialer Richtung an die Schulter 14 an.

Der Kern 18 hat einen gegenüber dem Basisabschnitt 20 verminderten Durchmesser aufweisenden Tragabschnitt 22, in welchem vier um 90° gegeneinander versetzte Schlitze 24 ausgebildet sind, die radial bis zur Achse des Tragabschnittes 22 verlaufen und in die freie Stirn­ fläche desselben ausmünden und sich axial in den Basisab­ schnitt 20 hineinerstrecken.

Die Schlitze 24 entsprechen in der Breite, der axialen Abmessung und der Winkelausrichtung den Schlitzen 16, die im Gehäuse 10 vorgesehen sind. Um dies zu gewährlei­ sten, werden die Schlitze 16 und 24 zusammen hergestellt, nachdem auf den Kern 18 das Gehäuse 10 aufgeschrumpft worden ist.

Alternativ können Gehäuse 10 und Kern 18 auch vor ihrem Zusammenbau schon mit den Schlitzen 16 bzw. 14 versehen sein.

In dem zwischen der Außenfläche des Tragabschnittes 22 und der Innenfläche des Gehäuses 10 vorgegebenen Ringraum ist eine Wicklung 26 vorgesehen.

In der Praxis ist der Kern 18 aus einem Ferritmaterial oder einem anderen magnetisierbaren Material hergestellt, während das Gehäuse 10 aus einem Metall, z. B. Stahl hergestellt ist. Die Wicklung 26 ist eine Wicklung aus Kupferdraht.

In Abwandlung des obigen Ausführungsbeispieles kann man die Schlitze 18 und 24 auch mit einem Isolationsmaterial füllen, z. B. mit Harz ausgießen oder mit folienartigem Isoliermaterial füllen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist jeweils ein Schlitz 28 bzw. 30 im Gehäuse 10 bzw. im Kern 18 vorge­ sehen, welcher sich über dessen gesamte axiale Länge erstreckt. Auf diese Weise sind auch Ringströme unter­ bunden, welche sich im Basisabschnitt 20 des Kernes 18 bzw. im hinteren Teil des zylindrischen Gehäuses 10 ausbilden könnten.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind zwei Trans­ formatorbleche 32, die jeweils eine Isolierschicht 34 tragen, zwischen zwei Kernteile 36, 38 eingefügt, die zusammen die Geometrie des Kernes 18 vorgeben und z. B. durch Zersägen eines vollen Kernes längs einer die Kernachse enthaltenden Ebene erhalten worden sind.

Der in Fig. 6 gezeigte Kern 18 besteht aus einem Stapel von Transformatorblechen 32, deren Oberflächen jeweils eine Isolierschicht 34 trägt. Hierbei kann es sich um um eine Oxidschicht, eine andere chemische Sperrschicht oder um eine aufgebrachte isolierende Lackschicht handeln.

Vorzugsweise ist die Isolierschicht 34 eine ausgehärtete Kunstharzschicht oder eine erkaltete Thermoplastschicht, durch welche die Transformatorbleche 32 zugleich mechanisch fest miteinander verbunden sind.

Die Bleche können mit nach Sinusgesetz anwachsender Breite hergestellt sein, so daß die Außenfläche des Stapels in Treppendarstellung einer Zylinderfläche entspricht. Falls gewünscht, kann man die Außenfläche des Stapels noch zu exakt zylindrischer Form überdrehen.

Man kann auch einen prismatischen Kern durch Aufeinander­ schichten von rechteckigen Transformatorblechen verwenden und die Wicklung und das Gehäuse in der Geometrie an den Kern anpassen (oder den prismatischen Kern zu Zylinderform überdrehen).

Die oben beschriebenen Sensoren kann man in Kombination mit einem Kondensator zur einseitigen Detektion eines magnetisierbaren Werkstückes verwenden, indem man die Bedämpfung des durch die Wicklung 26 und den Kondensator gebildeten Oszillators durch das Werkstück detektiert.

Man kann auch zwei Sensoren der oben beschriebenen Art zusammen verwenden, wobei man die Wicklung des einen als mit einem Wechselstrom-Speisekreis verbundene Sende­ spule, die Wicklung des anderen Sensors als mit einem Wechselspannungsverstärker verbundene Empfangsspule verwendet. Die Detektion der Gegenwart eines Werkstückes erfolgt dann durch die Modifikation des Übertragungs­ verhältnisses zwischen Sendespule und Empfangsspule. Dabei kann man den Sende-Sensor und den Empfangs-Sensor auf der gleichen Seite der Bahn des Werkstückes anord­ nen (dann wächst die in der Empfangsspule induzierte Spannung bei Gegenwart des Werkstückes) oder zu verschie­ denen Seiten der Bahn des Werkstückes anordnen (dann verkleinert sich die in der Empfangsspule induzierte Spannung bei Gegenwart des Werkstückes).

In einer weiteren Anwendung kann man die Wicklung 26 auch aus zwei Teilwicklungen zusammensetzen, von denen der eine Teil als Sendespule, der andere als Empfangs­ spule verwendet wird. Bei geteilter Wicklung kann man auch eine der Teilwicklungen als Referenzspule verwen­ den.

Claims (11)

1. Induktiver Sensor mit einem aus magnetisierbarem Material gefertigten Kern (18), mit mindestens einer auf dem Kern (18) angeordneten Wicklung (26) und mit einem die durch Kern (18) und Wicklung (26) gebildete Einheit umgebenden Gehäuse (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) mindestens eine in Umfangsrichtung wirksame Isolationsstrecke (24; 34) aufweist, die größere axiale Erstreckung hat als die Wicklung (26).

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsstrecken durch radiale Schlitze (24) des Kernes (18) gebildet sind.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) eine Mehrzahl von radialen Schlit­ zen (24) aufweist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Schlitze (24) in Umfangsrichtung gleich verteilt sind.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (24) bis zur Achse des Kernes (18) reichen und der Kern (18) einen axial außerhalb der Wicklung (26) gelegenen durchgehenden Basisabschnitt (20) aufweist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (16, 24) eine Breite von weniger als 3 mm, vorzugsweise etwa 1 bis 2 mm aufweisen.

7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) zumindest teilweise durch einen Stapel von Transformatorblechen (32) gebildet ist, deren Oberflächen nichtleitend sind oder einen nichtleitenden Überzug (34) tragen.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorbleche durch die nichtleiten­ den Überzüge (34) mechanisch zusammengehalten sind.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) mindestens einen Schlitz (16) aufweist, der größere axiale Abmessung auf weist als die Wicklung (26).

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, die Schlitze (16) des Gehäuses (10) mit den Schlitzen (24) des Kernes (18) axial und/oder radial fluchten.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine der Isolationsstrecken (28, 30, 34) über die gesamte axiale Abmessung des Kernes (18) bzw. gegebenenfalls des Gehäuses (10) erstreckt.