DE3008562C2 - Magnetischer Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung geht von einem Näherungsschalter mit

J5 den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus.

Bei dem bekannten Näherungsschalter dient als bistabiles magnetisches Element (nachfolgend BME genannt) ein Wiegand-Draht.

Als bistabile magnetische Elerient, auch als bistabile magnetische Schaltkerne bezeichnet, eignen sich vor allem sogenannte Wiegand-Drähte, deren Aufbau und Herstellung in der DE-OS 21 43 326 beschrieben sind. Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z. B. aus einer Legierung von Eisen und Nickel, vorzugsweise 48% Eisen und 52% Nickel, oder aus einer Legierung von Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel oder aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise 52% Kobalt, 38% Eisen und 10% Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d. h. der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand-Drähte haben typisch eine Länge von 5 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisie-

M) rungsrichtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimmt, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahtes aber entgegengesetzt ist, dann wird bei Überschreiten einer

μ Feldstärke von ca. 16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand-Drahtes umgekehrt. Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren

Magnetfeldes kehrt sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes erneut um, so daß der Kern und der Mantel wieder parallel magnetisiert sind. Diese Umkehrung der Magnetisierungsrichtung erfolgt sehr rasch und geht mit einer entsprechend starken Änderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeiteinheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionsspule einen kurzen und sehr hohen Q'a nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis ca. 12VoIt) Spannungsimpuls induzieren (Wiegand-Impuls).

Auch beim Zurückstellen des Kerns wird ein Impuls in einer Induktionsspule erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen als im Falle des Umklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.

Wählt man als äußeres Magnetfeld ein Wechselfeld, welches in der Lage ist, zuerst den Kern und danach auch den Mantel umzumagnetisieren und jeweils bis in die magnetische Sättigung zu bringen, so treten Wiegand-Impulse infolge des Umklappens der Magnetisieririgsrichtung des weichmagnetischen K ims abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man Feldstärken von ca. —(80 bis 120 A/cm) bis +(80 bis 120 A/cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprunghaft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Induktionsspule, jedoch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls und wird zumeist nicht ausgewertet.

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand-Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiegand-Drahtes) und in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.

Charakteristisch für den Wiegand-Effekt, ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-iu-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher magnetischer Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand-Drähte durch induzierte, rasch erfolgendes Umklappen des weichmagnetischen Bereichs zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der 5j DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetischer Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartmagnetischen Kern (z. B. aus Nickel-Kobalt), aus einer darauf abgeschiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z. B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z. B. aus Nickel-Ejsen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magnetisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z. B. aus Beryllium-Kupfer) auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekann'e bistabile magnetise! -r.· Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wiegand-Draht.

Bei dem bekannten Näherungsschalter ist der Wiegand-Draht von einer elektrischen Wicklung umgeben, welche das mit einem Umklappen der Magnetisierungsrichtung im Wiegand-Draht verbundene magnetische Signal (Wiegand-Impuls) empfangen und melden soll und deshalb als Sensorwicklung bezeichnet wird. Der Wiegand-Draht befindet sich bei dem bekannten Näherungsschalter normalerweise in dem Zustand, in welchem die Magnetisierungsrichtungen des hartmagnetischen Mantels und des weichmagnetischen Kerns antiparallel sind. Führt man nun an den Wiegand-Draht von außen einen Dauermagneten heran, dessen Feld am Ort des Wiegand-Drahtes der Magnetisierungsrichtung des Kerns des Wiegand-Drahtes entgegengesetzt ist, dann wird — sofern der Dauermagnet genügend stark ist — bei Unterschreiten eines vorgegebenen Abstandes des Dauermagneten vom Wiegand-Draht das Magnetfeld des Dauermagneten am Ort des Wiegand-Drahtes so stark, daß der weichmagnetische Kern des Wiesjand-Drahtes veranlaßt wird, die Richtung seiner M&jnetisierung umzukehren. Diese Änderung der magnetischen Polarität des Wiegand-Drahtes von der (bezogen auf die Magnetisierungsrichtung des Mantels des Wiegand-Drahtes) antiparallelen in die parallele Orientierung erfolgt sprunghaft und erzeugt in der Sensorwicklung den charakteristischen Wiegand-Impuls. Dies nutzt der bekannten Näherungsschalter aus, indem einem mit Sensorwicklung versehenen Wiegand-Draht ein Dauermagnet angenähert, bei Unterschreiten des vorgegebenen kritischen Mindestabstands in der Sensorwicklung ein Wiegand-Impuls erzeugt und dieser Spannungsimpuls an eine Auswerteschaltung weitergeleitet wird.

Dieser bekannte Näherungsschalter hat den Nachteil, daß sein Ausgangssignal flüchtig ist, d. h. bei Unterschreiten des kritischen Minimalabstandes nur ein einziges Mal abgegeben wird, nicht jedoch so lange ansteht, wie der kritische Abstand unterschritten ist. Außerdem muß nach jedem Unterschreiten des kritischen Abstandes der Wiegand-Draht wieder ummagnetisiert werden in den Zustand mit antiparallelen Magnetisierungsrichtungen, damit bei erneuter Annäherung wieder ein Wiegandimpuls ausgelöst werden kann.

Es sind zwar Näherungsschalter bekannt, die andauernd ein Signal erzeugen, solange ein "orgegebener kritischer Abstand unterschritten ist, z. B. induktive oder kapazitive Näherungsschalter oder Näherungsschalter mit Hall-Generator oder mit magnetisch in ihrem Widerstand veränderlichen Halbleitern, doch haben diese schwerwiegende Nachteile. Soweit magnetfeldempfindlich!;· Halbleiter verwendet werden, können diese nur in einem eng begrenzten Temperaturbereich eingesetzt werden, wohingegen Näherungsschalter mit Vv iegand-Draht gegen Umgebungseinflüsse recht unempfindlich sind. Bei anderen Schaltern ist es nachteilig, daß am Meßort eine verhältnismäßig aufwendige aktive elektronische Schaltung benötigt wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen robusten Näherungsschalter unter Verwendung eines gegen Umgebungseinflüsse recht unempfindlichen BME zu schaffen, der ein nicht flüchtiges, d. h. ein während der Dauer des Unterschreiten eines vorgegebenen kritischen Abstandes vorhandenes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.

Die Erfindurj löst diese Aufgabe durch einen Näherungsschalter mit den im Anspruch I angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfin-

dungsgedankens sind Gegenstand der Untcranspriichc. Auf diese Weise wird dann, wenn durch Passieron der kritischen Abstandsschwellc die damit verbundene Änderung der Einwirkung des magnetischen Gleichfei· des auf das BMIZ dessen Magnetisierungsrirhning ändert, diese Änderung durch das in umgekehrter Richtung wirkende, durch die Erregerwicklung periodisch erzeugte Magnetfeld periodisch rückgängig gemacht. Folglich kann man zwei Signal/ustände unterscheiden. Auf der einen Seite der kritischen Abstandsschwelle werden keine einen Wechsel der Magnetisierung.srichtung des BME anzeigende Impulse in der Sensorwicklung empfangen, weil am Ort des BMI·! kein Magnetfeld solcher Richtung und Stärke vorhanden ist, welches einen solchen Wechsel bewirken könnte. Auf der anderen Seite der kritischen Ahsiands· schwelle ist eine entsprechend hohe Feldstärke am Ort des BMF. vorhanden, um diese umzuniiignetisicrcn und

Spannungsimpuls zu erzeugen, jedoch wird auf dieser anderen Seite der kritischen Abstandsschwelle durch Überlagerung des magnetischen Gleichfeldes mit dem periodischen Magnetfeld die erfolgte Umkehrung der Magnetisierungsrichtung des BME periodisch rütkgän gig gemacht, so daß in der Sensorwicklung eine periodische Impulsfolge erzeugt wird, solange sich der zu überwachende Gegenstand auf dieser anderen Seite der kritischen Abstandsschwelle befindet.

Dabei kann die Anordnung sowohl so gewählt werden, daß die Impulsfolge bei Unterschreiten der kritischen Abstandsscr·"·"¹¹" erscheint. ;:!-> auch so, daß sie bei Überschreiten der kritischen Abstandsschwelle erscheint. Im ersten Fall kann man ι. B. das BME und einen Dauermagneten ortsfest anordnen und mit dem zu überwachenden Gegenstand ein ferromagnetisches Teil. z. B. eine Blechfahne, verbinden, welche bei Annäherung an den Dauermagneten dessen Feld am Ort des BME schwächt. Bei weit entfernter Fahne überwiegt das Feld des Dauermagneten am Ort des BME das periodisch von der Erregerwicklung erzeugte Magnetfeld und am Ort des BME besteht ein periodisch schwankendes Gleichfeld, welches nicht in der Lage ist. die Richtung der Magnetisierung des BME zu ändern. Bei zunehmender Annäherung der ferromagnetischen Fahne wird das Feld des Dauermagneten am Ort des BME zunehmend geschwächt und schließlich überwiegt das periodische Magnetfeld das F;ld des Dauermagneten. Nach Unterschreiten eines kritischen Abstandes überwiegt das periodische Feld der Erregerwicklung das entgegengesetzte Feld des Dauermagneten periodisch so stark, daß die M-gnetisierungsrichtung des BME sich periodisch ändert.

Im zweiten Fall kann z. B. ein Dauermagnet am zu überwachenden Gegenstand angebracht werden, der bei Annäherung an das BME an dessen Ort die magnetische Feldstärke erhöht, oder es wird wie zuvor ein Dauermagnet ortsfest angeordnet und der zu überwachende Gegenstand ist ferromagnetisch oder mit einer ferromagnetischen Fahne versehen, die bei Annäherung an den Näherungsschalter das Magnetfeld des Dauermagneten am Ort des BME verstärkt. Bei weit entferntem Gegenstand überwiegt am Ort des BME periodisch das Magnetfeld der Erregerwicklung und in der Sensorwicklung wird eine periodische Impulsfolge erzeugt Nähert sich jedoch der Gegenstand bis auf einen kritischen Abstand dem Näherungsschalter oder unterschreitet diesen Abstand, dann ist das Feld des Dauermagneten im Vergleich zum entgegengerichteten

periodischen Magnetfeld der Erregerwicklung so stark, daß das periodische Magnetfeld die vom Dauermagneten induzierte Umkehrung der Magnetisieriingsrichtung des BMF! nicht mehr rückgängig machen kann, so daß bei Unterschreiten des .Schwellenabstands die Impulsfolge in der Sensorwicklung abreißt.

In beiden lallen ist also das Auftreten oder Ausbleiben einer Impulsfolge in tier Sensorwicklung das Anzeichen für ein Überschreiten oder Unterschreiten einer vorgegebenen Abstandsschwelle.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird durch die Sensorwicklung ein pulsierendes magnetisches Gleichfeld erzeugt (Anspruch 2). Dies kann dadurch geschehen, daß der Sensorwicklung eine periodische Folge von elektrischen Impulsen, /.. B. Säge/ahn- oder Rechteckimpulsen zugeführt wird, vorzugsweise jedoch ein im Wege der Vollwellengleiehrichtung gleichgerichteter Wechselstrom (Anspruch i). Dem pulsierenden mugnpiisrhnn Gloirhfpld wird urn OrI des BMI! d;is magnetische Glcichfeld z. B. eines Dauermagneten überlagert, welches dem pulsierenden Magnetfeld entgegengerichtet ist.

Es sind dann zwei grundsätzliche Varianten des Schalters möglich. In d;r ersten Variante ist bei weit entferntem Gegenstand der Einfluß des vom Abstand dieses zu überwachenden Gegenstands abhängigen magnetischen Gleichfeldes am Ort des BME vernachlässigbar < ^VJ verstärkt sich mit abnehmendem Abstand des Gegenstands vom Näherungsschalter. Bei großem Abstand überwiegt daher weitgehend das pulsierende Magnetfeld, welches so stark ist, daß es das BME periodisch in die magnetische Sättigung bringt, in der der hartmagnetische und der weichmagnetische Bereich des BME parallel magnetisiert wird. Zwar wechselt im Bereich der Minima des pulsierenden Magnetfeldes infolge des Einflusses des entgegengerichteten Gleichfeldes das resultierende Magnetfeld periodisch sein Vorzeichen, jedoch ist in diesem Bereich mit umgekehrtem Vorzeichen bei weitem Abstand des Gegenstandes vom Näherungsschalter das resultierende Magnetfeld noch zu schwach, um die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Bereichs des BME so umzukehren, daß sie der Magnetisierung des hartmagnetischen Bereichs entgegengerichtet ist. (Dieser Wechsel von der parallelen in die antiparallele Magnetisierung wird nachfolgend als »Rückstellung« des BME bezeichnet.) Wird der Gegenstand dem Näherungsschalter angenähert, so erreicht bei einem vorgegebenen kritischen Abstand das resultierende magnetische Wechselfeld im Bereich der Minima des pulsierenden Magnetfeldes eine solche Stärke, die ausreicht, das BME zurückzurollen. Beim nächsten Vorzeichenwechsel des resultierenden Magnetfeldes steigt die Feldstärke in umgekehrter Richtung wieder so stark an, daß die Magnetisierung des weichmagnetischen Bereichs unter Erzeugung eines charakteristischen Impulses in der Sensorwicklung erneut sprunghaft das Vorzeichen wechselt und das BME wieder bis in den Bereich der magnetischen Sättigung geführt wird. Solange der kritische Abstand unterschritten bleibt, wird also das BME asymmetrisch erregt und in jeder Periode ein hoher charakteristischer Impuls erzeugt (beim Rückstellen des BME wird ebenfalls ein Impuls erzeugt allerdings mit wesentlich kleinerer Amplitude).

In der zweiten Variante des Schalters wird der Einfluß

des mit dem zu überwachenden Gegenstand gckoppcl- • ten Magnetfeldes am Ort des BME — anders als in der ersten Variante — mit abnehmendem Abstand des

Gegenstandes vom Näherungsschalter nicht verstärkt, sondern geschwächt. Es wurde weiter vorne schon erläutert, wie so etwas erfolgen kann. Bei weit entferntem Gegenstand soll dann das vom Abstand des Gegenstands abhängige Magnetfeld das von der Erregerwicklung erzeugte pulsierende magnetische Gleichfeld so stark überwiegen, daß das resultierende Magn^-'eld ein pulsierendes Gleichfeld mit umgekehrter Polaiität ist. In der Sensorwicklung wird in diesem Zustand keine charakteristische Impulsfolge erzeugt. Bei abnehmendem Abstand wird dann der Einfluß des nicht pulsierenden Magnetfelds am Ort des BMΓ geringer, und das resultierende Magnetfeld wird sich von einem pulsierenden Gleichfeld in ein pulsierendes Wechselfeld verwandeln, welches ab einem kritischen Abstand in der Lage ist, das BM E zurückzustellen und nach dem nächsten Vor/eiehenwechsel innerhalb derselben Periode wieder unter sprunghafter Änderung der M.ignetisierungsriehtung des wcichmagnetisehen Bereichs des BME in die magnetische Sättigung zurückzuführen, so daß wie in der Variante 1 durch asymmetrische [Erregung des 15Mt; eine Impulsfolge in der Sensorwicklung erzeugt wird.

in beiden Varianten kann natürlich durch Wahl einer entsprechenden Magnetfeldanordnung erreicht werden, daß die charakteristischen Impulse in der Sensorwicklung nicht unterhalb, sondern oberhalb der vorbestimmten kritischen Abstandsschwelle erzeugt werden, also bei weit entferntem Gegenstand die beiden Magnetfelder sich zu einem magnetischen Wechselfeld überlagern, welches die asymmetrische Erregung des BME erlaubt, wohingegen mit zunehmender Annäherung des Gegenstandes an den Näherungsschalter das resultierende magnetische Wechselfeld sich durch Änderung seiner Gleichfeldkomponente mehr und mehr dem Zustand eines magnetischen Gleichfeldes nähert, dessen Eähigkeit zur Rückstellung des BME ab einem gewissen kritischen Abstand aufhört, die Impulsfolge in der Sensorw icklung nithin abreißt.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung soll die Erzeugung der charakteristischen Impulse in der Sensorwicklung nicht durch asymmetrische, sondern durch symmetrische Erregung erfolgen (Anspruch 4). Die Bemessung und Anordnung der Erregerwicklung und die Bemessung des erregenden Wechselstromes, vorzugsweise eines sinusförmigen Wechselstromes (Anspruch 5) sind so zu wählen, daß bei Abwesenheit eines weiteren Magnetfeldes das von der Erregerwicklung ausgehende magnetische Wechselfeld das BME symmetrisch erregt, so daß während jeder Haibwelle in der Sensorwicklung ein charakteristischer Spannungsimpuls erzeugt wird, wobei die Impulse alternierend wechselnde Polarität besitzen. Bei der symmetrischen Erregung wird während jeder Halbwelle zunächst die magnetische Polarität des weichmagnetischen Bereichs des BME umgekehrt, was zu einem hohen Impuls in der Sensorwicklung führt, und bei weiterem Anstieg der Feldstärke in derselben Halbwelle auch die magnetische Polarität des hartmagnetischen Bereichs umgekehrt, was zu einem erheblich kleineren Impuls in der Sensorwicklung führt, der gewöhnlich nicht ausgewertet wird.

Der Näherungsschalter mit symmetrischer Erregung des BME kann grundsätzlich auf zwei Weisen arbeiten, in der ersten Variante wählt man das magnetische Gteichfe'id, dessen Stärke am Ort des BME vom Abstand des zu überwachenden Gegenstandes abhängt, so. daß seine Stärke am Ort mit abnehmendem Abstand

des Gegenstands vom Annäherungsschalter zunimmt. Dem magnetischen Wechselfeld wird dann zunehmend ein magnetisches Gleichfeld überlagert. Bei Unterschreiten eines ersten kritischen Abstandes wird die Amplitude des resultierenden Magnetfeldes in der einen Richtung, die der Richtung des Gleichfeldes entgegengerichtet ist. nicht mehr ausreichen, um den hartmagnetischen Bereich des BME noch in dieser Richtung ummagnetisieren zu können. Die Folge davon ist, daß aus der symmetrischen Erregung eine asymmetrische Erregung des BME wird und die Impulse der einen Polarität entfallen. Bei weiterer Annäherung des Gegenstandes an den Annäherungsschalter wird das resultierende Magnetfeld in der einen Richtung, die der Richtung des Gleichfeldes entgegengesetzt ist. bei I Interschreiten eines zweiten (kleineren) kritischen Abstandcs des Gegenstandes vom Annäherungsschalter so schwach, daß es auch nicht mehr zur Rückstellung des BME ausreicht, folglich auch die asymmetrisch erregten Impulse in der Sensorwicklung ausbleiben.

In der zweiten Variante wählt man das magnetische Gleichfeld. dessen Stärke am Ort des BME vom Abstand des Gegenstandes vom Annäherungsschalter abhängt, so. daß es am Ort des BMFi mit abnehmendem Abstand des Gegenstandes vom Annäherungsschalter abnimmt. Bei weit entferntem Gegenstand überlagert es das von der Erregerwicklung ausgehende Magnetfeld so stark mit einer Gleichfeldkomponente, daß am Ort des BME das resultierende Magnetfeld ein pulsierendes Gleichfeld ist. Bei zunehmender Annäherung des Gegenstandes an den Näherungsschalter wird am Ort des BMF. die magnetische Gleichfeldkomponente geschwächt und das BMF. gelangt vom Zustand fehlender Erregung bei Unterschreiten eines ersten kritischen Abstandes zunächst in den Zustand asymmetrischer Erregung, wo zunächst in jeder Periode ein Impuls gleichbleibender Polarität erzeugt wird, und gelangt schließlich bei Unterschreiten eines zweiten kritischen Abstands in den Zustand symmetrischer Erregung, wo in der Sensorwicklung Impulse mit alternierender Polarität erzeugt werden, und zwar zwei Impulse pro Periode (Ein Impuls pro Halbwelle).

In beiden Varianten kann mit Vorteil das zweistufige Signal — Übergang von symmetrischer zu asymmetrischer Erregung einerseits. Übergang von asymmetrischer zu fehlender Erregung (keine Impulse) andererseits — dazu benutzt werden, nacheinander zwei verschiedene Vorgänge auszulösen. Zum Beispiel kann man bei Erreichen des ersten (größeren) kritischen Abslandes den Antrieb eines Maschinenelementes auf eine verminderte Geschwindigkeit (Kriechgang) herunterfahren, während bei Unterschreiten des zweiten (geringeren) kritischen Abstandes der Antrieb ganz abgeschaltet wird.

Ein weiterer Vorteil der symmetrischen Erregung des erfindungsgemäßen Schalters besteht in der Möglichkeit, zu unterscheiden, aus welcher von zwei Richtungen sich ein Gegenstand dem Näherungsschalter annähert (Anspruch 6), oder welcher von zwei verschiedenen Gegenständen sich dem Näherungsschalter nähert (Anspruch 5). Dies kann man dadurch erreichen, daß für die beiden Richtungen bzw. für die beiden Gegenstände magnetische Gleichfelder entgegengesetzter Polarität aufgebaut werden, welche sich dem magnetischen Wechselfeld der Erregerspule überlagern. Dies kann z. B. so aussehen, daß zwei Gegenstände, die sich dem Näherungsschalter nähern, je einen Dauermagneten tragen, die am Ort des BME Felder entgegengesetzter

Polarität aufbauen. Nähert sich der eine Gegenstand dem Näherungsschalter unzulässig nahe, so erscheinen in der Sensorwicklunii im Übergangsbereich der asymmetrischen Erregung Impulse der einen Polarität, im Falle der Annäherung des anderen Gegenstandes aber Impulse der entgegengesetzten Polarität, so daß die Polarität der Impulse während der Dauer der asymmetrischen Erregung zur Unterscheidung der beiden Gegenstände ausgewertet werden kann.

Mit Vorteil kann an die Sensorwicklung ein Phasendetektor angeschlossen sein (Anspruch 7), der die Phasenlage der in der Sensorwicklung erzeugten Impulse in bezug auf die Phase des periodischen Erregerstromes in der Erregerwicklung bestimmt. Geht man z. B. vom Fall der symmetrischen Erregung des BME aus, und wird bei Annäherung des zu überwachenden Gegenstandes an die kritische Abstandsschwelle dem Wechselfeld mit zunehmender Stärke ein magnetisches Gleichfeld überlagert, dann verschieben sich die

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in seiner Phase befindet, in der es dem Gleichfeld entgegengerichtet ist, zunehmend zum Scheitelpunkt des Erregerstromes in diesem Phasenbereich, bis schließlich nur noch im Scheitelpunkt die Ummagnetisierung des hartmagnetischen Bereichs in die entsprechende Richtung erfolgen kann, während bei weiterer Annäherung des Gegenstandes an den Näherungsschalter das BME nur noch asymmetrisch erregt werden kann und die Impulse der einen Polarität in der Sensorwicklung ausbleiben. Aus der Änderung der Phasenlage der Impulse kann also abgeleitet werden, wie weit der zu überwachende Gegenstand noch von seiner kritischen Abstandsschwelle entfernt ist. Dadurch kann bereits frühzeitig vor Erreichen dieser kritischen Abstandsschwelle ein Maschinenelement durch geeignete Maßnahmen verlangsamt werden.

Als Mittel zur Erzeugung der magnetischen Gleichfelder dienen zweckmäßig Dauermagneten oder Anordnungen von Dauermagneten, obwohl grundsätzlich auch Elektromagnete verwendet werden könnten. Zweckmäßig wird das BME ortsfest angeordnet, während die Dauermagnete bzw diese Dauermagnete beeinflussende ferromagnetische Bauteile beweglich und mit dem auf Abstand zu prüfenden Gegenstand gekoppelt sind. Grundsätzlich ist aber auch eine Umkehrung der Anordnung möglich, in der statt dessen das BME bewegt wird.

Wegen der hohen Signalausbeute wird bevorzugt, daß das BME ein Wiegand-Draht ist und daß die Sensorwickiung und die Erregerwicklung um das BME herum angeordnet sind (Ansprüche 10 bis 12).

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Näherungsschalters sind sehr schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Näherungsschalter unter Verwendung eines Wiegand-Drahtes,

F i g. 2 zeigt ein Diagramm zur Arbeitsweise des Schalters aus F i g. 1 bei symmetrischer Erregung in einem Schalterzustand,

F i g. 3 zeigt ein Diagramm gemäß F i g. 2 für einen zweiten Schaltzustand.

Fig.4 zeigt ein Diagramm gemäß Fig.2 für einen dritten Schaltzustand,

F i g. 5 zeigt den Schalter aus F i g. I bei Betrieb mit asymmetrischer Erregung,

F i g. 6 zeigt ein Diagramm gemäß F i *?. 2 für den Schalter aus F i g. 5 für den einen Schaltzustand, und

Fig. 7 zeigt ein Diagramm gemäß F i g. 6 für den anderen Schaltzustand des Schalters aus F i g. 5.

In Fig. I sind auf einen Wiegand-Draht 1 eine Sensorwickiung 2 und eine Erregerwicklung 3 gewikkelt. Mit einem zu überwachenden Gegenstand ist mechanisch ein Stabmagnet 4 gekoppelt. Er ist parallel zum Wiegand-Draht 1 angeordnet und parallel zu sich selbst verschiebbar, wodurch er dem Wiegand-Draht 1 angenähert werden kann und dadurch das von ihm κι ausgehende Gleichfeld am Ort des Wiegand-Drahtes 1 verstärkt. Die Erregerwicklung 3 wird von einem sinusförmigen Wechselstrom /«.mit der Kreisfrequenz ω gespeist:

is It = In ■ sin w (

f/ = Zeit, /„= Amplitude des Erregerstromes).

Dadurch wird am Ort des Wiegand-Drahtes 1 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches sich eben-

H_e= H_n ■ sin tu I

(H= magnetische Feldstärke).

Solange der Stabmagnet 4 weit entfernt ist, ist dem Wechselfeld H_e praktisch kein Gleichfeld überlagert (Fig. 2). Bei Erreichen der Feldstärken H> und - H₁ wird bei symmetrischer Erregung jeweils ein großer Wiegand-Impuls 5 in der Sensorwicklung 2 erzeugt. Die

so Wiegand-Impulse 5 haben alternierend verschiedene Vorzeichen (Fig. 2); sie rühren daher, daß der weichmagnetische Kern des Wiegand-Drahtes 1 in eine antiparallelen Magnetisierungsrichtung in bezug auf den hartmagnetischen Mantel umklappt. Bei noch höherer

J5 Feldstärke W, bzw. - H_s ändert auch der Mantel seine Polarität und orientiert sich parallel zum Kern des Wiegand-Drahtes. Damit verbunden ist ein kleinerer Impuls 6 in der Sensorwicklung 2, der gewöhnlich nicht ausgenutzt wird.

Bei Annäherung des Stabmagneten 4 an den Wiegand-Draht 1 wird dem Wechselfeld H_e ein magnetisches Gleichfeld H_n, überlagert. Obersteigt H_m am Ort des Wiegand-Drahtes I den Wert H_n- /■/,, dann reicht die Feldstärke H=H₀-H_n, nicht mehr aus, den hartmagnetischen Mantel des Wiegand-Drahtes umzumagnetisieren, und die symmetrische Erregung geht in eine asymmetrische Erregung über, in der nur noch Wiegand-Impulse 5 einer Polarität übrig bleiben (F ig. 3).

Überschreitet H_n, am Ort des Wiegand-Drahtes 1 den Wert H₀-Hr, wobei Hr die Feldstärke ist. die man benötigt, um den Kern des Wiegand-Drahtes 1 von seiner parallelen in die (bezogen auf die Magnetisierungsrichtung des Mantels) an'.iparallele Magnetisierungsrichtung zurückzustellen (ungefähr 16 A/cm), dann bleibt auch diese Rückstellung des Wiegand-Drahtes 1 aus und es treten überhaupt keine Wiegand-Impulse mehr auf (F ig. 4).

Soll der Wiegand-Draht 1 statt mit Wechselstrom mit einem pulsierenden Gleichstrom J_eg erregt werden (Fig.5), so kann man dazu an die Erregerwicklung 3 einen Brückengleichrichter 7 anschließen, der aus einer Wechselstromquelle 8 gespeist wird und den Wechselstrom im Wege der Vollwellengleichrichtung gleichrichtet.

Befindet sich der Stabmagnet 4 so weit entfernt vom Wiegand-Draht 1, daß sein Feld am Ort des Wiegand-Drahtes 1 vernachlässigbar klein ist, dann

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wirKt nur das pulsierende Gleichfeld H_ef auf den Wiegand-Draht 1 ein (Fig. 6). Da kein Vorzeichenwechsel des Magnetfeldes H_cf auftritt, werden in der Sensorvicklung 2 auch keine Wiegand-Impulse erzeugt. Wird jedoch der Magnet 4 dem Wiegand-Draht 1 angenähert, so überlagert sich das Magnetfeld H_n, des Stabmagneten 4 dem pulsierenden Gleichfeld H_ce, welchem es entgegengerichtet ist. Das resultierende Magnetfeld H_ef-H_m ist ein Wechselfeld. Sobald der Stabmagnet 4 dem Wiegand-Draht 1 soweit angenähert ist, daß H_n, am Ort des Wiegand-Drahtcs 1 den Wert Hn übersteigt, wobei Hk die für die magnetische Rückstel-

lung des Wiegand-Drahtes erforderliche Feldstärke (etwa 16 A/cm) ist (s.o. Erläuterung zu F i g. 4), dann kann der Wiegand-Draht 1 periodisch zurückgestellt werden, so daß auch periodisch Wiegand-Impulse 5 in der Sensorwicklung 2 erzeugt werden (F i g. 7).

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist an die Klemmen 9 und 10 der Sensorwicklung 2 eine Auswerteschaltung anzuschließen. Diese kann auch einen Phasendstektor umfassen, der die Phasenlage der Wiegandimpulse 5 in be/ug auf die Phase des erregenden Wechselstrom⁷ /_c bzw. Gleichstrom J_cg bestimmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Magnetischer Näherungsschalter unter Verwendung eines bistabilen magnetischen Elements (nachfolgend als BME bezeichnet) sowie von Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes, dessen Grad der Einwirkung auf das BME eine Funktion des Abstands des zu überwachenden Gegenstands vom Näherungsschalter ist, und mit einer elektrischen Sensorwicklung, welche magnetisch mit dem BME gekoppelt ist und in welcher bei Passieren eines vorgegebenen kritischen Abstandes des zu überwachenden Gegenstands vom Näherungsschalter infolge eines plötzlichen Wechsels der Magnetisierungsrichtung im BME ein elektrischer Impuls induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem BME (1) eine weitere elektrische Wicklung (3) (Erregerwicklung) magnetisch gekoppelt ist, weiche mit einem periodischen elektriscixn Signal gespeist wird, dessen Polarität und Leistung in jeder Periode so hoch bemessen sind, daß die Feldstärke des durch das periodische elektrische Signal in der Erregerwicklung (3) erzeugten Magnetfelds am Ort des BME (1) die Magnetisierungsrichtung des BME (1) zu ändern vermag.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) mit einer einen pulsierenden Gleichstrom erzeugenden Stromquelle (7) verbunden ist, dessen pulsierendes Magnetfeld am Ort des BME (1) dem abstandsveränderlichen Magnetfeld zumindest mit einer Magnetfeldkomponente emgegengärichtet ist.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (7) ein wechselstromgespeister Vollwellengleichrichter ist.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, wobei die Stärke des von der Erregerwicklung (3) ausgehenden magnetischen Wechselfeldes so bemessen ist, daß es in Abwesenheit eines weiteren Magnetfeldes das BME (1) symmetrisch zur Umkehrung seines Magnetisierungszustandes erregen kann.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung von zwei sich alternativ dem Näherungsschalter nähernden Gegenständen diese Gegenstände mit Mitteln zum Erzeugen unterschiedlicher magnetischer Gleichfelder derart gekoppelt sind, daß diese Gleichfelder am Ort des BME einander entgegengerichtet sind und dort mit zunehmendem Abstand des zugehörigen Gegenstandes vom Näherungsschalter beide entweder stärker oder schwächer werden.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung von zwei Richtungen, aus denen sich Gegenstände dem Näherungsschalter nähern können, diese Gegenstände mit Mitteln zum Erzeugen unterschiedlicher magnetischer Gleichfelder derart gekoppelt sind, daß bei Annäherung von Gegenständen aus der einen Richlung diese Gleichfelder den Gleichfeldern bei Annäherung von Gegenständen aus der anderen Richtung am Ort des BME einander entgegengerichtet sind und dort mit zunehmendem Absland der Gegenstände vom Näherungsschalter beide entweder schwächer oder stärker werden.

7. Näherungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Sensorwicklung (2) ein Phasendetektor verbunden ist, der die Lage der in der Sensorwicklung (2) als Folge des Umkehrens der Magnetisierungsrichtung im BME (1) erzeugten Spannungsimpulse bezogen auf die Phase des in die Erregerwicklung (3) eingespeisten elektrischen, periodischen Signals bestimmt

8. Näherungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes ein Dauermagnet (4) oder eine Anordnung von Dauermagneten vorgesehen ist

9. Näherungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagneten (4) ortsfest angeordnet sind und durch ferromagnetische Bauteile, deren Bewegung mit der Bewegung des oder der zu überwachenden Gegenstände gekoppelt ist, beeinflußt werden.

10. Näherungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das BME(I) ein Wiegand-Draht ist.

11. Näherungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sensorwicklung (2) auf dem BME (1) befindet.

12. Näherungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Erregerwicklung (3) auf dem BME(I) befindet.