DE4235085A1 - Spule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spule für einen induktiven Sen­ sor oder Geber gemäß den Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige bekannte Spulen haben einen in der Regel aus Kunststoff gefertigten Spulenkörper und eine auf diesem liegende Wicklung aus lackiertem Kupferdraht. Entsprechen­ de Spulen finden unterschiedliche Verwendung: Als Aufnehmer­ spulen arbeiten sie mit Wechselfelder erzeugenden Geberspul­ en zusammen und bilden zusammen mit letzteren induktive Stellungsgeber, die zu Überwachungszwecken in Transportsys­ temen oder Maschinen oder dergleichen eingesetzt werden. Sie können auch als durch metallische Objekte bedämpfbare Spulen von LC-Kreisen induktiver Stellungsgeber dienen.

Für manche Anwendungsfälle wäre es nun vorteilhaft, wenn man induktive Sensoren oder Geber auch für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen zur Verfügung hätte. Ein Beispiel hierfür ist z. B. die Topferkennung an Kochfeldern, an denen im Bereich zwischen den Heizwendeln und der Ceran­ platte recht hohe Temperaturen auftreten. Aus diesem Grunde werden zur Topferkennung derzeit optische oder kapazitive Fühler verwendet. Herkömmliche induktive Stellungsgeber müßten in größerem Abstand von der Heizzone angebracht wer­ den, was den Nachteil hätte, daß diese Stellungsgeber unter nicht optimalen Betriebsbedingungen arbeiten müssen.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Spule für einen induktiven Sensor oder Geber geschaffen werden, die auch bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann, vom Preis her aber konkurrenzfähig zu optischen und kapazitiven Fühlern ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Spule gemäß Anspruch 1.

Bei der erfindungsgemäßen Spule wird ein neuer die Wicklung bildender Leiter verwendet, der als Litze mit gegeneinander isolierten Einzeldrähten ausgebildet ist. Die Isolierung besteht aus auf den einzelnen Litzendrähten vorliegenden Oxidschichten. Diese Isolierung ist ihrerseits auch hoch­ temperaturfest, und man erhält so insgesamt einen Draht, der sich allgemein für HF-Einsatz bei hohen Temperaturen eignet. Mit einer solchen Litze erhält man gute Wickeleigen­ schaften des Leitermaterials und gute induktive Kennwerte der Wicklung, da jeder der Litzendrähte elektrisch von den benachbarten Litzendrähten isoliert ist. Damit sind die Wirbelstromverluste klein.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß die induktiven Eigenschaften der Spule über einen großen Temperaturbereich hinweg konstant sind. Beim Einsatz an einem Kochfeld kann somit die Spule sowohl bei kaltem als auch bei heißem Kochfeld gleichermaßen zuver­ lässig feststellen, ob auf die zugeordnete Kochstelle ein Topf aufgesetzt ist oder nicht.

Hat die für die Wicklung verwendete Litze gemäß Anspruch 3 noch eine äußere Isolierschicht aus gesponnener Glasseide, so ist ihre mechanische Stabilität hochtemperaturbeständig vergrößert.

Gemäß Anspruch 4 kann man die Verbindungsdrähte zwischen der Spule und einer entfernten zugeordneten Betriebs- und Auswerteschaltung mit einem preiswerteren temperaturbestän­ digen Leitermaterial herstellen, wobei eine sichere tempe­ raturbeständige Verbindung gewährleistet ist.

Vorzugsweise findet für diese Verbindung gemäß Anspruch 5 ein Ag/Cd-Lot Verwendung.

Die erfindungsgemäße Spule hat gemäß Anspruch 6 einen Spu­ lenkörper, der sich einfach und preiswert aus hochtempera­ turbeständigem Material fertigen läßt. Derartige Materia­ lien sind in einer Dicke von 1-2 mm als Platten im Handel erhältlich, z. B. als Glimmerplatten. Aus diesen Platten lassen sich mit Stanzwerkzeugen preisgünstig Spulenplatten herstellen, die dann gekreuzt aufgestellt werden, so daß sie ein haspelähnliches Aufwickelkreuz für den Wicklungs­ leiter bilden. Damit hat die aufgebrachte Wicklung zwar keine exakte Kreisringform, dies ist aber bei Geber- und Sensorspulen tolerierbar, da es hier nur auf Änderungen des erzeugten Magnetfeldes bzw. Änderungen in der induzierten Spannung ankommt.

Die Spule gemäß Anspruch 6 hat in axialer Richtung gesehen nur geringe Abschattungswirkung, beim Einsatz in einem Koch­ feld wird somit nur eine geringe Wärmestrahlungsmenge durch die Spule absorbiert. Damit können die bestehenden Konstruktionen für die Kochfeld-Heizwicklung unverändert weiter verwendet werden.

Da eine Änderung des Spulenkörpers einfach durch Änderung der Stanzwerkzeuge zum Herstellen der Spulenkörperplatten erhalten werden kann, hat man eine große Flexibilität bei der Wahl und Dimensionierung der Spulengeometrie.

Verwendet man als Material für die Spulenkörper Platten­ glimmer oder ein Glimmerlaminat, so kann man die Platten­ stärke auf Grund der mechanischen Eigenschaften dieses Ma­ teriales sehr klein halten, damit auch das Volumen und die Masse des Spulenkörpers. Dieses Material kann auch den in einem Ceran-Kochfeld herrschenden Temperaturen von bis zu 650°C gut im Langzeitbetrieb standhalten.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 wird einerseits eine leichte und präzise Positionierbarkeit der beiden Spulenkörperplatten zueinander erhalten. Außerdem sind die Spulenkörperplatten durch das Ineinanderstecken auch schon auf einfache Weise mechanisch zusammengeheftet, bevor sie in einem späteren Schritt der Herstellung dann entweder durch einen Kleber endgültig und fest verbunden werden oder durch Aufbringen der Wicklung fixiert werden.

Eine Spule gemäß Anspruch 8 hat wohldefinierte ebene Wick­ lungsstirnflächen.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist im Hinblick auf ein einfaches und präzises Positionieren der ersten der Spulenstirnscheiben von Vorteil. Darüber hinaus bildet der unter den Positionierkanten der Anschlagarme liegende Bereich der Spulenkörperplatten zugleich ein Di­ stanzstück, über welches die Spule definiert über einer Montagefläche angebracht wird.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 ermög­ licht ein Anbringen einer zweiten Stirnscheibe ohne speziel­ le Werkzeuge.

Gemäß Anspruch 11 erhält man eine einfache und präzise Posi­ tionierung der Spulenstirnscheiben auf den Spulenkörperplat­ ten in Umfangsrichtung.

Bei einer Spule gemäß Anspruch 12 ragt keiner der Anschluß­ drähte der Wicklung über die Randkontur des Spulenkörpers hinaus.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 ist im Hinblick auf eine möglichst einfache Herstellung der Spu­ lenstirnscheiben, einfache Lagerhaltung und im Hinblick darauf von Vorteil, bei der Montage des Spulenkörpers nicht unterschiedliche Spulenstirnscheiben unterscheiden zu müs­ sen.

Bei einer Spule gemäß Anspruch 14 sind die verschiedenen Spulenkörperteile zuverlässig miteinander verbunden.

Bei einem Spulenkörper gemäß Anspruch 15 kann ein wicklungs­ freier Endabschnitt zugleich als einem Zapfen äquivalentes Befestigungsteil verwendet werden, welches einfach in eine entsprechende Befestigungsbohrung formschlüssig eingesetzt wird. Ein solches Einsetzen wird durch abgeschrägte Einführ­ kanten erleichtert, wie sie ebenfalls im Anspruch 15 ange­ geben sind.

Bei einem Spulenkörper gemäß Anspruch 16 sind die Enden der Wicklungs-Anschlußdrähte sauber positioniert, was das Herstellen elektrischer Anschlüsse erleichtert.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Axialschnitt durch eine Kochstel­ le eines Ceran-Kochfeldes mit einer zugeordneten Topferkennungsspule;

Fig. 2 eine axiale Aufsicht auf die Topferkennungsspule nach Fig. 1;

Fig. 3 eine seitliche Ansicht der Topferkennungsspule;

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Unterseite der Topferken­ nungsspule;

Fig. 5 eine Ansicht einer von zwei Spulenkörperplatten des Spulenkörpers der Topferkennungsspule;

Fig. 6 eine Aufsicht auf eine der beiden identischen Spulenkörperstirnscheiben der Topferkennungs­ spule;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Verbindung der Topferkennungsspule mit einer Schalt-Elektronik; und

Fig. 8 einen vergrößerten transversalen Schnitt durch eine Litze, die zum Herstellen der Wicklung der Topferkennungsspule verwendet wird.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Glaskeramikplatte eines Ceran- Kochfeldes bezeichnet. Unterhalb der Glaskeramikplatte 10 ist bei einer der Kochstellen des Feldes ein becherförmiges Heizungsgehäuse aus hitzebeständigem Material angeordnet, dessen Bodenfläche einen spiraligen Heizstrahler 14 trägt.

In der Mitte des Heizungsgehäuses 12 ist eine Befestigungs­ bohrung 14 vorgesehen, in welcher eine insgesamt mit 18 bezeichnete Topferkennungsspule angebracht ist.

Die Topferkennungsspule hat einen insgesamt mit 20 bezeich­ neten Spulenkörper sowie eine auf diesem angeordnete Wick­ lung 22 aus einer mit Glasseide umsponnenen Litze. Deren Einzeldrähte bestehen aus einer hochtemperaturfesten Legie­ rung mit kleinem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, z. B. einer Nickel-Chrom-Silicium-Legierung. Die einzelnen Drähte der Litze sind durch Oberflächenoxida­ tion gegeneinander isoliert.

Der Spulenkörper 20 besteht aus zwei vertikalen, unter 90° ineinandergesteckten im wesentlichen kreuzförmigen Spulen­ körperplatten 24, 26 sowie zwei von diesen getragenen hori­ zontalen Spulenstirnscheiben 28, 30. Die vorgenannten Teile sind mit entsprechenden Stanzwerkzeugen aus einer Glimmer­ platte von 1 mm ausgestanzt.

Wie insbesondere aus Fig. 5 ersichtlich, haben die Spulen­ körperplatten 24, 26 radiale Arme 32, welche die Unterseite der unteren Spulenstirnscheibe 30 abstützen und mittels kleiner vorspringenden Ecken 34 in noch genauer zu beschrei­ bender Weise radial und in Unfangsrichtung positionieren. Oberhalb der Arme 32 liegt ein Kernabschnitt 36 der Spulen­ körperplatten, der die radial innenliegende Wicklungsfläche haspelähnlich abstützt. Beim oberen Ende des Kernabschnit­ tes 36 liegen Verriegelungsnuten 38, und hierüber liegen wieder radial vorspringende Ecken 40, die mit den Ecken 34 fluchten.

Die Spulenkörperplatte 24 hat einen mittigen axialen Schlitz 42, der von der oberen Stirnkante bis etwas unter die Unterkante der Arme 32 verläuft. Die Spulenkörperplatte 26 hat einen in Fig. 5 gestrichelt angedeuteten Schlitz 44, der von der unteren Endkante bis auf Höhe des unteren Endes des Schlitzes 42 läuft. Ferner sind in den Spulenkör­ perplatten 24, 26 etwa bei der Mitte der Arme 32 liegend symmetrisch zur Plattenmittelachse Durchgangsöffnungen 46, 48 vorgesehen.

Wie insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich, haben die Spulen­ Stirnscheiben 28, 30 jeweils eine randseitige Kerbe 50 und 4 unter 90° von der Achse radial nach außen verlaufende Schlitze 52 mit je einer sägezahnförmigen Erweiterung 54. Durch die Schlitze 52 und die zugehörigen Erweiterungen 54 sind so Nasen 56 vorgegeben, die zusammen mit den Verriege­ lungsnuten 38 eine bajonettähnliche Verriegelung bilden können. Die radiale Erstreckung der Schlitze 52 ist so ge­ wählt, daß sie gerade über die Ecken 34 und 40 passen.

Damit läßt sich der Spulenkörper 20 wie folgt montieren:

Die Spulenkörperplatten 24, 26 werden unter 90° gegeneinan­ der verdreht zusammengesteckt. Dann wird die untere Spulen­ stirnscheibe 30 von oben aufgesteckt, bis sie über der Ober­ kante der Arme 32 anschlägt. Auf diese Weise sind dann die Spulenkörperplatten 24, 26 in ihrer Winkellage fixiert, während zugleich die Spulenstirnscheibe in radialer Rich­ tung positioniert ist. Anschließend wird die Stirnscheibe 28 aufgesteckt und durch Verdrehen um etwa 5° verriegelt, wobei die Nasen 56 in die Verriegelungsnuten 38 eintreten. Die so erhaltene Einheit wird zusätzlich durch einen Cyan­ kleber zusammengeheftet, und anschließend kann auf den Kernabschnitt 36 die Wicklung 22 aufgewickelt werden, wobei man den Wicklungsanfang durch eine der Erweiterungen 54 und eine der Durchgangsöffnungen 46, 48 zieht, so daß man einen ersten Anschlußdraht 58 erhält.

Das zweite Ende der Wicklung 20 wird durch die Kerbe 50 der oberen Spulenstirnscheibe 28 gelegt und durch die benachbar­ te Erweiterung 54 dieser Scheibe und die darunterliegende fluchtende Erweiterung 54 der unteren Stirnscheibe sowie durch die zweite der Durchgangsöffnungen 46, 48 gezogen Man erhält so einen zweiten Wicklungs-Anschlußdraht 60.

Die so erhaltene Anordnung wird - gegebenenfalls zusammen mit einer Imprägnierung für die Wicklung 22 in einem Ofen auf hohe Temperatur erhitzt, wodurch der Klebstoff pyrolisiert wird und in der Glasseiden-Umhüllung des Wick­ lungsdrahtes enthaltene Weichmacher ausgetrieben und/oder dort befindliche Bindemittel ausgehärtet werden. Damit bil­ den die Glimmerplatten-Elemente des Spulenkörpers und die Wicklung insgesamt eine belastungsfähige, formstabile und hochtemperaturbeständige Einheit.

In der Zeichnung mit 62 bezeichnete untere Endabschnitte der Spulenkörperplatten 24, 26 der fertigen Spule bilden ein zapfenähnliches Befestigungskreuz des Spulenkörpers 20.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Anschlußdrähte 58, 60 über Hartlotstellen 66 mit zugeordneten Verbindungslei­ tern 78, 70 verbunden. Letztere sind als Litzen ausgebildet, wobei Litzendrähte aus Stahl und Litzendrähte aus Kupfer in der Litze gemischt sind und gemeinsam verzinnt sind. Diese Anordnung ist von einer Umhüllung aus PTFE umgeben. Derartige Verbindungsleiter sind an sich im Handel erhältlich und können Temperaturen bis 200°C ohne weiteres aushalten. Als Hartlot wird eine Ag/Cd-Legierung verwendet.

Die beiden Verbindungsleiter 68, 70 sind mit einer elektro­ nischen Steuereinheit 72 verbunden, die zusammen mit der Wicklung 22 einen Schwingkreis bildende weitere Bauelemente enthält. An den so erhaltenen Schwingkreis ist eine nicht im einzelnen gezeigte Betriebs- und Auswerteschaltung der Steuereinheit 72 angeschlossen, die aus einer Änderung der Schwingkreis-Kenndaten ermittelt, ob sich über der Wicklung 22 auf der Glaskeramikplatte 10 ein Topf befindet oder nicht. Entsprechend diesem Ausgangssignal und der vom Be­ nutzer gewünschten Heizleistung steuert dann die Steuerein­ heit 72 eine Leistungsstufe 74, die mit dem Heizstrahler 14 verbunden ist.

Fig. 8 zeigt im einzelnen den Aufbau eines Leiters 76, der zum Herstellen der Wicklung 22 verwendet wird. Er be­ steht beim hier wiedergegebenen Ausführungsbeispiel aus sieben, in der Praxis aus zwischen etwa 5 und 15 Litzen­ drähten 78 mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm. Die Litzendrähte 78 sind, wie schon erwähnt, aus einer Nickel- Chrom-Silicium-Legierung hergestellt, und an der Drahtober­ fläche ist durch Exponieren in einer Sauerstoffatmosphäre bei hohen Temperaturen eine elektrische Isolierschicht 80 erzeugt worden, die durch Umsetzen von Si-Anteilen der Legierung mit dem Sauerstoff in der Nachbarschaft der Oberfläche erzeugt wurde.

Die Litzendrähte sind leicht verdrillt und von einer Außen­ schicht 82 umgeben und zusammengehalten, die aus aufge­ wickelter Glasseide besteht.

In Abwandlung des oben beschriebenen Ausführungsbeispieles kann man die aus Glimmerplatten ausgestanzten Spulenkörper­ teile auch durch einen hochtemperaturfesten Klebstoff schon vor dem Aufbringen der Wicklung fest miteinander verbinden, wodurch die mechanische Verriegelung der oberen Stirnschei­ be 28 mit den Nasen 56 entfallen kann. Damit liegt dann die obere Stirnfläche der Wicklung in unmittelbarer Nähe des oberen Spulenendes, wodurch sich ein besonders kleiner Schalt­ abstand der Topferkennungsspule ergibt.

Claims (16)

1. Spule für einen induktiven Sensor und/oder Geber, ins­ besondere zur Verwendung in einer induktiven Topferken­ nung für ein Kochfeld, mit einem Spulenkörper (20) und ei­ ner von diesen getragenen Wicklung (22), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spulenkörper (20) aus einem hochtempera­ turbeständigen Material, insbesondere Glimmer, besteht und die Wicklung (22) aus einer Litze hergestellt ist, deren Ein­ zeldrähte aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung, insbesondere einer Nickel-Chrom-Silicium-Legierung bestehen und die durch von ihren Oberflächen getragene Oxidschichten gegeneinander isoliert sind.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung niedere Temperaturkoeffizienten des elektri­ schen Widerstandes aufweist.

3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Litze eine Außenschicht (82) aus gesponnener Glasseide aufweist.

4. Spule nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wicklungsenden (58, 60) mit einem tempera­ turbeständigen Leiter (68, 70) hartverlötet oder verschweißt sind, wobei diese Leiter Litzen aus einem Gemisch aus Stahldrähten und Kupferdrähten sind, die zusammen verzinnt sind, und eine Umhüllung aus PTFE aufweisen.

5. Spule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (58, 60) der Wicklung (20) durch ein Ag/Cd-Lot mit dem zugeordneten temperaturbeständigen Leiter (68, 70) verbunden sind.

6. Spule nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spulenkörper (20) zwei oder mehr sich - unter vorzugsweise gleichem Winkel - kreuzende ebene Spulen­ körperplatten (24, 26) aufweist, die aus hochtemperaturbe­ ständigen Material wie Glimmer bestehen.

7. Spule nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenkörperplatten (24, 26), jeweils ei­ nen Aufnahmeschlitz (42, 44) für mindestens eine weite­ re Spulenkörperplatte (24, 26) aufweisen, wobei die ver­ schiedenen Aufnahmeschlitze (42, 44) zusammen im wesent­ lichen den Durchdringungsbereich der verschiedenen Spu­ lenkörperplatten (24, 26) überdecken.

8. Spule nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenkörperplatten (24, 26) Spulenstirn­ scheiben (28, 30) tragen, welche die Stirnflächen der Wicklung (22) überdecken und aus hochtemperaturbestän­ digem Material wie Glimmer bestehen.

9. Spule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörperplatten (24, 26) in einem axial mittleren Bereich Plattenarme (32) aufweisen, die eine erste der Spu­ lenstirnscheiben (28, 30) tragen.

10. Spule nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörperplatten (24, 26) in einem axialen Endbereich eine Verriegelungsnut (38) aufweisen, die mit einer Verriegelungsnase (56) der benachbarten der Spulen­ stirnscheiben (28, 30) zusammenarbeiten.

11. Spule nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulenstirnscheiben (28, 30) mit Schlitzen (52) versehen sind, welche über die Spulenkörperplatten (24, 26) geschoben sind.

12. Spule nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine der Spulenstirnscheiben (28, 30) am Rand eine Kerbe (50) aufweisen, durch welche sich ein Wicklungs-Anschlußdraht (60) erstreckt.

13. Spule nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Spulenstirnscheiben (28, 30) gleiche Geometrie haben.

14. Spule nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß daß die verschiedenen Teile des Spulenkör­ pers (20) durch einen hochtemperaturbeständigen Klebstoff fest verbunden sind.

15. Spule nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spulenkörper (20) einen wicklungs­ freien Endabschnitt (62) aufweist, dessen axial und ra­ dial außenliegende Ecken vorzugsweise abgeschrägt (64) sind.

16. Spule nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulenplattenkörper (24, 26) der Wicklung (22) benachbarte Durchgangsöffnungen (46, 48) aufweisen, durch welche sich die Wicklungs-Anschlußdrähte (58, 60) erstrecken.