DE202007006955U1

DE202007006955U1 - Vorrichtung zur Messung von Drehbewegungen

Info

Publication number: DE202007006955U1
Application number: DE200720006955
Authority: DE
Original assignee: Fraba AG
Current assignee: Fraba AG
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2017-05-12

Abstract

Vorrichtung (1) zur Messung von Drehbewegungen umfassend eine Aufnahme (2) für mindestens zwei Dauermagnete (2, 3), mindestens zwei Dauermagnete (3, 4) und einen Sensor (5) zur Detektierung einer Änderung der Winkelorientierung mindestens einer Komponente des durch die Dauermagnete (3, 4) verursachten Magnetfeldes, wobei die Aufnahme (2) zusammen mit den Dauermagneten (3, 4) relativ zum Sensor (5) um eine Drehachse drehbar ist, die mindestens zwei Dauermagnete (3, 4) parallel zur Drehachse der Aufnahme (2) in entgegengesetzten Richtungen magnetisch polarisiert sind und exzentrisch zur Drehachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (3, 4) sich parallel zu einer Axialebene der Drehachse erstrecken und die Länge der Dauermagnete (3, 4) in Axialebenenrichtung größer als die Breite senkrecht zur Axialebenenrichtung ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Drehbewegungen umfassend eine Aufnahme für mindestens zwei Dauermagnete, mindestens zwei Dauermagnete und einen Sensor zur Detektierung einer Änderung der Winkelorientierung mindestens einer Komponente des durch die Dauermagnete verursachten Magnetfeldes, wobei die Aufnahme zusammen mit den Dauermagneten relativ zum Sensor um eine Drehachse drehbar ist, die mindestens zwei Dauermagnete parallel zur Drehachse der Aufnahme in entgegengesetzten Richtungen magnetisch polarisiert sind und exzentrisch zur Drehachse angeordnet sind.
Entsprechende Vorrichtungen sind als elektromagnetische Drehzahlgeber bekannt. Beispielsweise ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 36 19 500 ein elektromagnetischer Drehzahlgeber mit der gattungsgemäßen Anordnung der Dauermagnete bekannt. Als Sensor dient eine Spule mit einem Spulenkern, welcher ortsfest angeordnet ist und sich senkrecht zur Drehachse der Welle, deren Drehung gemessen werden soll, erstreckt, sodass die Dauermagnete ein Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Welle im Spulenkern hervorrufen. Bei einer Drehung der Dauermagnete relativ zum Sensor erfolgt in dem bekannten Stand der Technik eine plötzliche Ummagnetisierung des Spulenkerns, sobald bestimmte Koerzitivfeldstärken überschritten werden. Dies erzeugt einen Spannungsstoß in der Spule. Damit kann auf einfache Weise die Drehung der Welle ermittelt werden. Problematisch ist jedoch, dass bei den bisher verwendeten Dauermagneten die Prozesssicherheit beim Messen von Drehungen einer Welle abhängig von der Positioniergenauigkeit der Magnete im Vergleich zum Sensor sowie deren Ausrichtung im Gehäuse ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Drehbewegungen vorzuschlagen, welche robuster gegen Deplatzierung der Magneten ist und eine prozesssichere Messung der Drehbewegungen gewährleistet.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dauermagnete sich parallel zu einer Axialebene der Drehachse erstrecken und die Länge der Dauermagnete in Axialebenenrichtung größer als die Breite senkrecht zur Axialebenenrichtung ist. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bereits die geometrische Ausbildung der Dauermagnete einen entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit gattungemäßer Vorrichtungen hat. Dadurch, dass die Längserstreckung der Dauermagnete in Axialebenenrichtung größer ist als deren Breite, wird ein homogeneres Magnetfeld, welches senkrecht zur Axialebenenrichtung ausgerichtet ist, im Bereich der Sensoren erzeugt. Deshalb ist die erfindungsgemäße Vorrichtung robuster gegenüber Verschiebungen der Dauermagnete bzw. eine etwas ungenaueren Positionierung des Sensors. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insofern einfacher hergestellt werden.
Vorzugsweise entspricht die Länge der Dauermagnete mindestens der Länge des zur Bestimmung der Magnetfeldorientierung verwendeten Messbereichs des Sensors. Hierdurch wird erreicht, dass der Messbereich des Sensors zur Bestimmung der Magnetfeldorientierung durch ein homogenes Magnetfeld vollständig durchsetzt ist, sodass der Sensor die Drehung des Magnetfeldes einfacher detektieren kann.
Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise als Sensor einen Halleffekt- oder einen GMR-Sensor und/oder einen Spulenkörper mit magnetisierbarem Kern auf. Beim Halleffekt-Sensor werden die Elektronen im Halbleiter aufgrund des Halleffekts im Magnetfeld abgelenkt, sodass eine Hallspannung ermittelt werden kann, die ein Maß für die Ausrichtung des durch die Dauermagneten erzeugtes Magnetfeld ist. Der GMR-Sensor nutzt den Giant-Magneto-Resistant(GMR)-Effekt aus, welcher die Änderung einer Winkelorientierung eines Magnetfeldes durch Widerstandsänderung anzeigt. Sowohl mit dem Halleffekt-Sensor als auch mit dem GMR-Sensor besteht die Möglichkeit die Winkelorientierung auch absolut zu messen. Beim Spulenkörper wird, wie bereits beschrieben, durch das Umschlagen der Magnetisierung bei Drehung des Magnetfeldes ein Spannungsstoß in der Spule erzeugt, welcher detektiert wird. Alle Sensor-Typen profitieren jedoch von der Verbesserung der Magnetfeldhomogenität im Bereich des Sensors deutlich. Dies gilt insbesondere auch für eine Kombination eines Halleffekt-Sensors oder GMR-Sensors mit einem Sensor mit Spulenkörper. Denkbar ist auch andere Effekte, wie beispielsweise den AMR-Effekt (Anisotrope-Magnetoresistiver-Effekt), den CMR-Effekt (Kolosssale-Magnetoresistiver-Effekt) und/oder den TMR (Tunnel-Magnetoresistiver-Effekt) auszunutzen.
Gemäß einer weiteren Variante ist im Spulenkörper ein Wiegand-Draht angeordnet. Ein Wiegand Draht wird durch spezielle Nachbehandlung eines Drahtes aus einer geeigneten ferro-magnetischen Legierung hergestellt. Dabei erhält dieser Draht eine äußere magnetisch harte Zone (Schale) und eine innere magnetisch weiche Zone (Kern).
Mit einem kräftigen äußeren Magnetfeld in Drahtrichtung können Schale und Kern in gleicher Richtung magnetisiert werden. Die Magnetisierungsrichtung des magnetisch weichen Kerns kehrt sich um, wenn der Draht relativ schwach entgegengesetzt magnetisiert wird, die Magnetisierungsrichtung der Schale bleibt unbeeinflusst. Bei Erhöhung der magnetischen Feldstärke kehrt sich auch die Polarität der Schale um. Das Umklappen dieser Magnetisierungsrichtungen der einzelnen Bereiche in dem Wiegand-Draht erzeugt in einer Spule, die auf diesen Draht gewickelt ist, einen Spannungsimpuls. Höhe und Breite dieses Impulses werden praktisch nicht von der Änderungsgeschwindigkeit des von außen einwirkenden Magnetfeldes beeinflusst. Der Spannungsstoß kann auf einfache Weise detektiert werden. Zudem können die erzeugten Spannungsstöße auch zur Energieversorgung der Sensoranordnung verwendet werden wobei in diesem Fall vorzugsweise Mittel zur Speicherung der erzeugten Energie vorgesehen sind.
Idealerweise ist der Sensor symmetrisch zur Drehachse der Aufnahme der Dauermagnete angeordnet.
Um den Einfluss von magnetisch leitenden Flächen oder Körpern auf die Messung der Änderung der Winkelorientierung des Magnetfeldes der Dauermagnete mit den Sensoren gering zu halten, besteht gemäß einer nächsten weiteren Ausführungsform der Erfindung die Aufnahme der Dauermagnete aus einem ferromagnetischen Material. Der zwischen den Dauermagneten fließende magnetische Fluss fließt im Bereich der Aufnahme nur durch diese selbst und wird von keiner anderen magnetisch leitenden Fläche oder Körper beeinflusst.
Weiter verringert wird der Einfluss magnetisch leitender Flächen dadurch, dass die Aufnahme der Dauermagnete aus einem ferromagnetischen Material besteht und an mindestens zwei Außenflächen der Dauermagnete anliegt. Die neben den Dauermagneten hochgebogene Eisenplatte dient dazu, den Einfluss durch weiter außen liegende magnetisch leitende Flächen (z.B. eiserne Abschirmkappe) auf das Feld am Ort des Sensors zu verringern. In unmittelbarer Magnetnähe wird durch das hochgebogene Blech eine Fläche vorgehalten, die bereits mit einem geringen magnetischen Widerstand das Magnetfeld ableitet. Diese Ableitung ist permanent vorhanden, wodurch die Reluktanzänderung, die durch weiter außen liegende flussleitende Flächen hervorgerufen wird, sich weniger stark auf das Feld am Ort des Sensors auswirkt.
Schließlich wird die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch weiter verbessert, dass der Abstand der Dauermagnete so gewählt wird, dass im Messbereich des Sensors eine maximale Magnetfeldkomponente senkrecht zur Längserstreckung der Dauermagnete vorherrscht. Dieser Abstand der Dauermagnete gewährleistet, dass die Vorrichtung besonders robust gegenüber Verschiebungen der Aufnahme der Dauermagnete, beispielsweise in Richtung der Drehachse der Aufnahme, ist.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die dem Schutzanspruch 1 folgenden Schutzansprüche, andererseits auf die Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 in einer schematischen, axialen Schnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 das Ausführungsbeispiel aus 1 in einer schematischen Draufsicht in Axialrichtung sowie
3a), b) zwei weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen, axialen Querschnittsansicht.
1 zeigt nun in einer schematischen Querschnittsansicht eine axiale Schnittebene der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, welche eine Aufnahme 2 für zwei Dauermagneten 3, 4 und einen Sensor 5 zur Detektierung der Winkelorientierung des durch die Dauermagnete verursachten Magnetfeldes aufweist. Die Aufnahme 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine kreisförmige Platte aus nicht ferromagnetischem Material gebildet. Das durch die Dauermagnete verursachte Magnetfeld ist mit den Magnetfeldlinien 6 angedeutet. Die Aufnahme 2 der Dauermagnete ist üblicherweise über eine Welle 7 gelagert, welche in Verbindung mit dem die Drehbewegung ausführenden Bauteil, welche zu messen ist, steht. Wie durch den Pfeil angeordnet, wird die Welle 7 gedreht. Es ist aber auch denkbar, dass der Sensor 5 mit dem die Drehung durchführenden Teil verbunden ist und insofern gegenüber der feststehenden Aufnahme der Dauermagnete gedreht wird. Aus 1 ist noch zu erkennen, dass die Dauermagnete parallel zur Drehachse magnetisiert sind und eine entgegengesetzte magnetische Polarisierung aufweisen. Die magnetische Polarisierung der Dauermagnete 3, 4 ist durch die Pfeile angedeutet.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Erstreckung der Dauermagnete längs einer Axialebene und dadurch, dass deren Ausdehnung in Axialebenenrichtung größer ist als deren Breite senkrecht zur Axialebenenrichtung, erzeugen die Dauermagnete 3, 4 über deren gesamte Länge ein relativ homogenes Magnetfeld im Bereich zwischen den Dauermagneten 3, 4. In diesem Bereich ist, wie 2 deutlich zeigt, der Sensor 5 zur Bestimmung der Magnetfeldorientierung angeordnet. Die Winkelorientierung des homogenen Magnetfelds zwischen den Dauermagneten 3, 4 ist über den Sensor 5 dann einfacher zu messen. Das Ausführungsbeispiel aus 1 und 2 ist darüber hinaus so ausgebildet, dass die Länge der Dauermagnete mindestens dem Messbereich zur Bestimmung der Magnetfeldorientierung des verwendeten Sensors ist. Der Messbereich entspricht in der schematischen Darstellung in 2 beispielsweise den Abmessungen des Sensors. Der Sensor 5 kann, wie bereits ausgeführt, sowohl als ein Halleffekt-Sensor, ein GMR-Sensor, ein Spulenkörper mit einem magnetisierbarem Kern bzw. mit einem Wiegand-Draht als Kern oder eine Kombination eines Halleffekt- oder GMR-Sensors mit einem Sensor mit einem Spulenkörper mit magnetisierbarem Kern bzw. Wieganddraht ausgebildet sein. Die Kombination der Sensoren ermöglicht nicht nur eine sichere Erkennung der Änderung der Winkelorientierung, sondern auch gleichzeitig dessen exakte Winkelposition. Die vom Wieganddraht erzeugten Spannungsstöße können zudem für die Energieversorgung genutzt werden, wobei vorzugsweise Mittel zur Speicherung der Energie vorgesehen sind.
Die 3a) und 3b) zeigen nun zwei weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Querschnittsansicht entlang einer Axialebene. Das Material der Aufnahme 2 der Magnete ist in den in 3a) und b) dargestellten Ausführungsbeispielen ferromagnetisch, sodass der magnetische Fluss des durch die Dauermagnete 3, 4 erzeugten magnetischen Feldes nur im Bereich der in Richtung des Sensors 5 weisenden Oberflächen der Dauermagnete 3, 4 nach außen dringt. Die Aufnahme 2 liegt an zwei Seitenflächen der Dauermagnete 3, 4 jeweils an. Vorstellbar ist aber auch, dass auch eine dritte Seitenfläche der Dauermagnete 3, 4 durch ferromagnetisches Material abgeschirmt ist, sodass auch von dort aus kein magnetischer Fluss ausgehen kann. Wie bereits ausgeführt wird hierdurch der Einfluss außenliegender, magnetisch leitender Flächen auf das Magnetfeld der Dauermagneten im Bereich Sensors verringert. Aus dem Vergleich der beiden 3a) und 3b) kann darüber hinaus entnommen werden, dass der Abstand der beiden Dauermagnete 3, 4 dazu führt, dass die magnetische Flussdichte 6 ihr Maximum in einer anderen Höhe im Vergleich zur Aufnahme 2 der Dauermagnete 3, 4 hat. Wird der Abstand der Dauermagnete 3, 4 vergrößert, so muss der Abstand des Sensors 5 zur Aufnahme der Dauermagnete vergrößert werden. Umgekehrt, kann ein flacher Aufbau durch einen geringen Abstand der Dauermagnete berücksichtigt werden. Verringert sich der Abstand der Dauermagnete zueinander und des Sensors 5 zur Aufnahme 2 in axialer Richtung kann zudem eine Steigerung der Flussdichte, welche im Sensor gemessen wird, erreicht werden. In den Ausführungsbeispielen der 3a) und 3b) ist der Abstand der Dauermagnete 3, 4 so gewählt, dass im Bereich des Sensors 5 eine maximale Flussdichte im Hinblick auf die senkrecht zur Längserstreckung der Dauermagnete gerichtete Komponente des Magnetfeldes vorliegt.

Claims

Vorrichtung (1) zur Messung von Drehbewegungen umfassend eine Aufnahme (2) für mindestens zwei Dauermagnete (2, 3), mindestens zwei Dauermagnete (3, 4) und einen Sensor (5) zur Detektierung einer Änderung der Winkelorientierung mindestens einer Komponente des durch die Dauermagnete (3, 4) verursachten Magnetfeldes, wobei die Aufnahme (2) zusammen mit den Dauermagneten (3, 4) relativ zum Sensor (5) um eine Drehachse drehbar ist, die mindestens zwei Dauermagnete (3, 4) parallel zur Drehachse der Aufnahme (2) in entgegengesetzten Richtungen magnetisch polarisiert sind und exzentrisch zur Drehachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (3, 4) sich parallel zu einer Axialebene der Drehachse erstrecken und die Länge der Dauermagnete (3, 4) in Axialebenenrichtung größer als die Breite senkrecht zur Axialebenenrichtung ist.
Vorrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Dauermagnete (3, 4) mindestens der Länge des zur Bestimmung der Magnetfeldorientierung verwendeten Messbereichs des Sensors (5) entspricht.
Vorrichtung nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5) ein Halleffekt- oder ein GMR-Sensor ist und/oder einen Spulenkörper mit magnetisierbarem Kern aufweist.
Vorrichtung nach Schutzanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Spulenkörper ein Wiegand-Draht angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Schutzansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5) symmetrisch zur Drehachse der Aufnahme (2) der Dauermagnete (3, 4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Schutzansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (2) der Dauermagnete (3, 4) aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Vorrichtung nach Schutzanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (2) der Dauermagnete (3, 4) an mindestens zwei Außenflächen der Dauermagnete (3, 4) anliegt.
Vorrichtung nach einem der Schutzansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Dauermagnete (3, 4) zueinander so gewählt wird, dass im Messbereich des Sensors (5) eine maximale Magnetfeldkomponente senkrecht zur Längserstreckung der Dauermagnete (3, 4) vorliegt.