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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf
Rotationssensoren mit veränderlichem magnetischen
Widerstand, die ein hohes Ausgangssignal bei sehr niedrigen
Rotationsgeschwindigkeiten erzeugen, und die daher in
Anwendungen nützlich sind, wo es erwünscht ist, niedrige
Rotationsgeschwindigkeiten zu erfassen, wie zum Beispiel bei
Automobilantiblockier-Bremssystemen oder
Traktionssteuersystemen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf
verbesserte Sensoren dieser wie in dem Oberbegriff von Anspruch
1 spezifizierten Art, zum Beispiel wie in der US-A-5 023 546
offenbart ist.
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Rotationssensoren mit veränderlichem magnetischen Widerstand
werden in Anwendungen benutzt, wo eine
Rotationsgeschwindigkeit erfaßt werden muß. Bei Fahrzeuganwendungen werden
diese Arten von Sensoren üblicherweise in
Antiblockierbremssystemen und/oder Traktionssteuersystemen benutzt, welche
die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der
Kraftfahrzeugräder erfordern. In der Vergangenheit haben diese
Sensoren mit veränderlichem magnetischen Widerstand im
allgemeinen durch das Messen der Veränderung des gesamten
Magnetflußpegels einer Hauptflußschleife innerhalb des
Sensors gearbeitet.
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Jedoch wurde in der US-A-5 023 546 (Pawlak et. al.) ein
Rotationssensor mit veränderlichem magnetischen Widerstand
offenbart, der die Veränderung bei der Flußverteilung mißt,
statt der Veränderung im Magnetflußpegel innerhalb des
Sensors. Dieser Sensor (der auch als Pawlak-Sensor
bezeichnet wird) umfaßt ein Magnetzahnrad, welches um die
Peripherie gleichmäßig durch Schlitze beabstandete Zähne
aufweist, wobei das Magnetzahnrad bezüglich einer festen
magnetischen Aufnahmeanordnung rotierbar gehalten ist.
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Die magnetische Aufnahmeanordnung umfaßt zwei
Permanentmagnete und ein Magnetflußglied mit einer darauf gewickelten
Mehrfachwindung elektrischen Spule, wobei das
Magnetflußglied zwischen den beiden Magneten angeordnet ist. Die
Anordnung erstreckt sich benachbart zum rotierbaren Zahnrad, um
Flußschleifen zu liefern, welche nur einige der
Spulenwindungen umschließen. Das Paar der Permanentmagnete weist
jeweils Nord- und Südpole auf, wobei der gleiche Pol jedes
Magneten dem Zahnrad benachbart ist. Die Permanentmagnete
sind voneinander in Umfangsrichtung um die Peripherie des
Zahnrads durch einen Bogen getrennt, der wenigstens gleich
zu dem Bogen zwischen eines der Zähne und einem nicht
benachbarten Schlitz ist. Daher sind die Permanentmagnete in
Umfangsrichtung beabstandet, so daß, wenn einer mit einem
Zahn des Rades ausgerichtet ist, der andere mit einem nicht
benachbarten Schlitz ausgerichtet ist, d.h. die Magnete sind
mit Bezug auf die Zähne auf dem Rad versetzt. Daher sind die
zwei Permanentmagnete abwechselnd und gegenüberliegend mit
Zähnen und Schlitzen ausgerichtet, während das Zahnrad
rotiert. Das Magnetflußglied mit der darauf gewickelten
elektrischen Spule mit Mehrfachwindungen fügt sich in einer
gegeneinander in Reihe stehenden Beziehung an den anderen
Pol jedes Permanentmagnets und erstreckt sich zwischen den
Permanentmagneten in der Nähe des Zahnrads, um separate,
gegenüberliegend gerichtete Flußschleifen für jedes der
Permanentmagnete entlang des Magnetflußgliedes einzurichten.
Die Flußschleifen werden räumlich durch die Position der
Zähne und Schlitze bestimmt, während sie benachbart zum
Magnetflußglied zwischen den Permanentmagneten rotieren.
Dadurch fluktuieren die Flußschleifen in Umfangsrichtung
über die gewickelte Spule beim Vorbeigehen der abwechselnden
Zähne und Schlitze, während das Rad rotiert. Dementsprechend
wird, während das Zahnrad rotiert, durch die Variation der
Flußverkettungen in individuellen Spulenwindungen in der
elektrischen Spule ein elektrisches Signal entwickelt.
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Wegen dieser versetzten Anordnung der Permanentmagnete
vergrößern bei dem Pawlak-Sensor die Veränderungen in der
räumlichen Verteilung des Magnetflusses durch die
vorbeigehenden Zähne und Schlitze in der Region zwischen dem
Magneten mit anschließenden Veränderungen in
Flußverkettungen zu individuellen Spulenwindungen, die zeitliche
Änderung in den Flußverteilungen bei niedrigen
Rotationsgeschwindigkeiten stark. Dementsprechend ist der
Pawlak-Sensor verglichen mit herkömmlichen Sensoren
empfindlicher für die Veränderung der magnetischen Permeabilität
bei dieser niedrigen Rotationsgeschwindigkeit und weist
daher eine gesteigerte Leistung auf.
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Jedoch ist im allgemeinen das Magnetflußglied innerhalb des
Pawlak-Sensors wegen der Konfiguration des Sensors und wegen
der Plazierung der Permanentmagnete ungleichmäßig geformt
und benötigt daher eine beträchtliche Bearbeitung, um dessen
einzigartige Form zu produzieren. Wegen dieser umfangreichen
Menge von Bearbeitung wird das bearbeitete Magnetflußglied
im allgemeinen mechanisch hoch belastet. Diese Belastungen
reduzieren die magnetischen Eigenschaften des Flußgliedes,
insbesondere dessen magnetische Permeabilität. Dieser
Verlust der magnetischen Permeabilität verhindert, daß der
Sensor sein volles Erfassungspotential erreicht.
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In der Vergangenheit lieferten Temperungsoperationen, die
ausgelegt waren, die Belastungen innerhalb des bearbeiteten
Magnetflußgliedes zu lindern, im allgemeinen nur begrenzte
Verbesserungen der magnetischen Permeabilität des
Flußgliedes, was nur zu einer ungefähr 5 bis 10 %igen Vergrößerung
des Sensorsignals führte. Solche geringfügigen
Verbesserungen der Permeabilität fügen den herkömmlichen Sensoren
wenig hinzu, da diese gegenüber Veränderungen der
Permeabilität relativ unempfindlich sind, da sie hauptsächlich die
Veränderung des Gesamtflußpegels messen und dementsprechend
bei hohen magnetomotorischen Kräften und hohen
Magnetflußpegeln arbeiten. Diese geringfügige Verbesserung der
Permeabilität im magnetischen Schaltkreis ist nicht genügend, um
die zusätzlichen Bearbeitungskosten zu rechtfertigen, die
mit der Temperung des Flußgliedes oder der erhöhten
Produktionszeit für den Sensor in Verbindung gebracht werden und
werden daher im allgemeinen nicht benutzt.
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Jedoch arbeiten die Pawlak-Sensoren mit ihren versetzten
Magneten auf eine andere Art, durch das Messen der Veränderung
in der räumlichen Verteilung des Flusses durch große
Luftspalte entlang des Flußgliedes. Dadurch ist der
magnetomotorische Kraftpegel der Permanentmagnete während des Betriebes
niedriger und die resultierende Magnetflußverteilung wird,
verglichen mit herkömmlichen Sensoren, durch niedrigere
Flußdichtepegel mit potentiell höherer
Magnetkreispermeabilität gekennzeichnet. Jedoch ist die gesamte Leistung des
Sensors empfindlicher gegenüber dem Pegel der magnetischen
Permeabilität innerhalb des Magnetkreises und des
Magnetflußgliedes.
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Es wäre also erwünscht, ein Mittel zur Verbesserung der
Permeabilität des Magnetkreises innerhalb des Pawlak-Sensors
vorzusehen, insbesondere der Permeabilität des bearbeiteten
Magnetflußglieds, um so die Erfassungseigenschaften dieses
Sensors mit veränderlichem magnetischen Widerstand mit
versetzten Permanentmagneten zu maximieren.
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Ein Verfahren zum Ausbilden eines Sensors mit veränderlichem
magnetischen Widerstand nach der vorliegenden Erfindung ist
durch die in Anspruch 1 spezifizierten Merkmale
gekennzeichnet.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Mittel zur
Verbesserung der magnetischen Permeabilität des Magnetkreises
innerhalb eines Sensors mit veränderlichem Widerstand mit
versetzten Magneten vorzusehen, wie dasjenige, welches in
der US-A-5 023 546 (Pawlak et. al.) offenbart ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, daß ein
solches Mittel zur Verbesserung der Permeabilität im
Magnetkreis eines solchen Sensors mit veränderlichem magnetischen
Widerstand durch ein einzigartiges, auf das Magnetflußglied
angewendetes Temperungsverfahren erreicht wird.
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Schließlich besteht noch eine weitere Aufgabe dieser
Erfindung darin, einen solcher Sensor mit veränderlichem
magnetischen Widerstand zu schaffen, der eine verbesserte
Leistung aufweist, wenn das verbesserte Magnetflußglied
benutzt wird, das nach dieser Erfindung getempert worden
ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
werden diese und andere Aufgaben und Vorteile wie folgt
erreicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Mittel zur
Verbesserung der magnetischen Permeabilität eines Magnetkreises
innerhalb eines Sensors mit variablem Widerstand mit
versetzten Permanentmagneten durch die geeignete Temperung des
Magnetflußgliedes vorgesehen. Der Sensor mit veränderlichem
magnetischen Widerstand umfaßt wenigstens zwei
Permanentmagnetquellen und einen Magnetkreis, der ein beide Magnete
verbindendes Magnetflußglied umfaßt, welches ein
stabförmiges Glied, ein H-förmiges oder jede Struktur darstellen
kann, die es erlaubt, daß eine elektrische leitfähige Spule
um die Struktur gewickelt werden kann. Der Sensor weist eine
mit Zähnen versehene Erregerradanordnung auf, in der die
Polaritäten beider Permanentmagnete so orientiert sind, daß
sie gleich in Richtung des mit Zähnen versehenen
Erregerrades und der gewickelten Spule sind. Ein beschreibendes
Beispiel eines solchen Sensors mit veränderlichem
magnetischen Widerstand wird bei der vorstehend beschriebenen
US-A-5 023 546 (Pawlak et. al.) offenbart; jedoch beschränkt
sich die Lehre dieser Erfindung nicht auf diesen Sensor.
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Die Temperungsmethode dieser Erfindung verbessert die
Permeabilität des Magnetkreises, welche dieses Flußglied
beinhaltet. Mit dieser Erhöhung der Permeabilität des
Magnetkreises wird die Gesamtleistung des Sensors mit veränderlichem
magnetischen Widerstand gesteigert.
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Das Temperungsverfahren umfaßt das Erhitzen des bearbeiteten
Magnetflußgliedes in einem Vakuum auf eine Temperatur und
für eine Zeitspanne, die ausreichend ist, das bei dem
Magnetflußglied benutzte magnetische Stahlmaterial in Austenit
umzuwandeln. Das Magnetflußglied wird dann in einem Vakuum
mit einer Rate gekühlt, die ausreichend langsam ist, um so
grobe Körner von Perlit innerhalb der Mikrostruktur des
magnetischen Stahls zu erzeugen. In der Praxis wird das
Flußglied bei einer Temperatur von ungefähr 704ºC (1300ºF)
bis ungefähr 843ºC (1550ºF) für ungefähr 15 bis 30 Minuten
getempert und dann mit einer Rate von ungefähr 55ºC (100ºF)
pro Stunde bis ungefähr 427ºC (800ºF) gekühlt. Danach wird
forciertes Argon zum Kühlen des Flußgliedes auf die
Raumtemperatur benutzt.
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Bei der Benutzung dieser Temperungsprozedur wies der
Magnetkreis innerhalb eines solchen Sensors mit veränderlichem
magnetischen Widerstand, welches das getemperte
Magnetflußglied beinhaltet, eine verbesserte magnetische
Permeabilität auf. Dementsprechend wurde das Sensorsignal um
ungefähr 60% während des Betriebs erhöht, um die
Gesamtleistung des Sensors zu steigern, insbesondere beim Erfassen
von niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten, wie zum Beispiel
innerhalb von Antiblockierbrems- und/oder
Traktionssteuerungssystemen benutzt werden.
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Die vorstehend genannten und anderen Vorteile dieser
Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung
zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher,
in dieser zeigt:
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Figur 1 ein Rotationsgeschwindigkeitssensor mit
veränderlichem magnetischen Widerstand im
Teilschnitt, wie in US-A-5 023 546 (Pawlak
et. al.) beschrieben, der ein nach dieser
Erfindung getempertes Magnetflußglied
aufweist;
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Figur 2 eine schematische Ansicht des Sensors der
Figur 1 mit einem Satz magnetischer
Flußlinien, die den versetzten Magneten in dem
Sensor zugehören, um ein Flußmuster davon zu
demonstrieren;
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Figur 3 die relativen magnetischen Betriebspunkte
für zwei Pawlak-Sensoren, die einen
umfassen, der einen Magnetkreis besaß, der ein
Flußglied benutzte, das gemäß dieser
Erfindung getempert wurde;
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Figur 4 die relativen Ausgangsspannungen für die
beiden Pawlak-Sensoren, die bei den in Figur
3 repräsentierten Pegeln arbeiten; und
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Figur 5 eine schematische Ansicht eines alternativen
Typs eines Sensors mit veränderlichem
magnetischen Widerstand, der ein H-geformtes
Magnetflußglied beinhaltet mit einem den
versetzten Magneten zugehörigen Satz
Magnetflußlinien, um das Flußmuster davon zu
demonstrieren, wobei das Flußglied gemäß dieser
Erfindung mit bedeutenden Verbesserungen der
magnetischen Permeabilität und des
entsprechenden erhaltenen Sensorsignals getempert
werden kann.
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Ein Mittel zur Verbesserung der magnetischen Permeabilität
des Magnetkreises innerhalb eines
Rotationsgeschwindigkeitssensors mit veränderlichem magnetischen Widerstand mit
versetzten Permanentmagneten wird durch die geeignete
Temperung des Magnetflußgliedes nach dem Verfahren dieser
Erfindung geschaffen.
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Ein illustrierendes Beispiel dieser Art von Sensor mit
veränderlichem magnetischen Widerstand, welches zur
Verbesserung durch das Verfahren dieser Erfindung entworfen wurde,
wird im US-A-5 023 546 (Pawlak et. al.) offenbart. Andere
Sensorkonfigurationen können auch benutzt werden, wobei eine
Verbesserung im Sensorsignal durch das Verfahren dieser
Erfindung, wie nachstehend beschrieben, realisiert wird.
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Insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 1, welche den
Pawlak-Sensor darstellt, ist ein Zahnrad 10 rotierbar in,
zum Beispiel, dem Radkasten eines Fahrzeugs gehalten,
welches mit einem Antiblockier-Bremssystem ausgestattet ist.
Das Magnetzahnrad 10 steht in Eingriff zur Rotation mit
einem der Fahrzeugstraßenräder, wobei es nötig ist, dessen
Rotationsgeschwindigkeit zu überwachen. Das Zahnrad 10
umfaßt an seiner äußeren Umfangskante eine Vielzahl von
rechteckigen, durch Schlitze 12 beabstandeten Zähnen 11. Die
Zähne 11 sind durch die Schlitze 12 gleichmäßig um die
Peripherie des Rades 10 verteilt und weisen im wesentlichen
die gleiche Größe und Form auf.
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Das Zahnrad 10 ist mit einer Abdeckung 15 eingeschlossen,
welche auch eine Sensoreinheit 20 mit veränderlichem
magnetischen Widerstand (den Pawlak-Sensor) einschließt Der
Sensor 20 mit veränderlichem magnetischen Widerstand ist in
einer stationären Position den Zähnen 11 des Rades 10
benachbart festgehalten, so daß die Zähne 11 und die Schlitze 12
des Rades 10 abwechselnd an der Sensoreinheit 20
vorbeigehen, während das Rad 10 rotiert.
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Der Sensor 20 mit veränderlichem magnetischen Widerstand
umfaßt ein Paar Permanentmagnete 25 und 26, die auch dem Rad
10 benachbart sind. Jeder der Magnete 25 und 26 weist
gegenüberliegend angeordnete Nord- und Südpole auf und kann
aus Produktmaterialien mit hoher magnetischer Energie
ausgebildet sein, wie zum Beispiel Materialien aus den
seltenen Erden Neodym oder Samarium-Kobalt Die
Permanentmagnete 25 und 26 sind trapezförmig gezeigt, obwohl diese
Form nicht wesentlich ist.
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Die Permanentmagnete 25 und 26 sind so orientiert, daß ihre
Pole mit dem Rad 10 ausgerichtet sind, so daß gleiche Pole
jedes der Magnete 25 und 26 mit abwechselnden Zähnen 11 und
Schlitzen 12 des Rades 10 Luftspalten ausbilden, während das
Rad 10 rotiert. Zum Beispiel besitzen, wie gezeigt, beide
Magnete 25 und 26 Nordpole, die dem Rad 10 benachbart sind.
Die Magnete 25 und 26 sind in Umfangsrichtung um die
Peripherie des Rades 10 durch einen Bogen beabstandet, der
gleich dem Bogen zwischen einem Zahn und einem nicht
benachbarten Schlitz ist, so daß, wenn einer der Magnete 25
und 26 einem Zahn des Rades 10 benachbart ist, der andere
einem Schlitz benachbart ist, wobei sich wenigstens ein
anderer Zahn zwischen den Magneten 25 und 26 befindet. In
der bevorzugten gezeigten Ausführung werden eine Vielzahl
von Zähnen zwischen den Magneten sein, wie mit den Zähnen
11b, 11c und 11d in der Figur 2 gesehen werden kann, und
diese Zähne werden den Fluß konzentrieren und so dazu
beitragen, daß die Flußschleifen in Umfangsrichtung
fluktuieren, während das Rad 10 rotiert.
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Die Sensoreinheit 20 mit veränderlichem magnetischen
Widerstand umfaßt ferner ein Magnetflußglied 30, welches ein
zylindrisches langes gerades Teil 31 mit einem Paar kurzer
trapezförmiger oder rechteckiger Polteile 32 und 33 umfaßt,
die senkrecht zum geraden Teil 31 an seinen beiden Enden
sind. Das Polteil 32 weist eine abgeschrägte Endfläche 35
auf, an die der Südpol des Permanentmagnets 25 angebracht
ist, und die die erforderliche radiale Orientierung des
Magneten 25 mit Bezug auf das Rad 10 liefert. Auf ähnliche
Weise weist das Polteil 33 eine abgeschrägte Endfläche 36
auf, an die der Südpol des Magnets 26 angebracht ist, um die
benötigte radiale Orientierung des Magneten 26 mit Bezug auf
das Rad 10 zu liefern. Das gerade Teil 31 des Flußglieds 30
erstreckt sich benachbart dem Rad 10 zwischen den
Permanentmagneten 25 und 26.
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Das Magnetflußglied 30 besteht aus einem magnetischen
Material wie beispielsweise einem geeigneten magnetischen Stahl,
vorzugsweise American Iron and Steel Institute (AISI) 1214
oder 12L14 (wobei das L den Zusatz von Blei zur gesteigerten
Bearbeitbarkeit anzeigt) magnetischen Stahl, obwohl andere
geeignete magnetische Materialien benutzt werden könnten,
wie zum Beispiel andere magnetische Stähle, wie
niedriggekohlter Stahl AISI 1008, oder andere rückphosphorisierte
und rückgeschwefelte Kohlenstoffstahlgüten, wie der AISI
1214-Stahl. Jedoch würde dies eine Modifizierung der
Temperungsmethode dieser Erfindung benötigen. Der
magnetische Stahl AISI 12L14 wird durch eine chemische
Nennzusammensetzung in Gewichtsprozenten von ungefähr 0,06
Prozent Kohlenstoff, 0,99 Prozent Mangan, 0,06 Phosphor,
0,277 Prozent Schwefel und 0,01 Prozent Silizium, sowie
ungefähr 0,25 Prozent Blei für eine gesteigerte
Bearbeitbarkeit gekennzeichnet, obwohl dies nicht nötig ist, um die
magnetischen Eigenschaften dieser Erfindung zu erhalten,
wobei der Ausgleich Eisen ist. Im allgemeinen könnte die
Zusammensetzung des magnetischen Materials AISI 12L14 in
Gewichtsprozenten variieren, von ungefähr 0,04 bis ungefähr
0,1 Prozent Kohlenstoff, ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,5
Prozent Mangan, bis ungefähr 0,1 Prozent Phosphor, bis
ungefähr 0,5 Prozent Schwefel, bis ungefähr 0,1 Prozent
Silizium und von ungefähr 0,15 bis 0,35 Prozent Blei (obwohl
dies nicht zwingend notwendig ist), wobei der Ausgleich
Eisen ist, welches bestimmte normale Verunreinigungsgrade
enthalten darf.
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Wie aus der Beschreibung und den beiliegenden Figuren 1 und
2 ersichtlich ist, wird das Magnetflußteil 30 mit seinem
zylindrischen geraden Teil 31 und kurzen trapezförmigen oder
rechteckigen Hohlteilen 32 und 33, die an seinen beiden
Enden senkrecht zum geraden Teil 31 sind, durch eine
komplexe Form gekennzeichnet.
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Der Betrieb des Sensors 20 mit veränderlichem magnetischen
Widerstand geschieht wie folgt. Die Pole der Magnete 25 und
26 sind in einer gegeneinander in Reihe stehenden Beziehung
angeordnet. So wird keine gemeinsame Hauptmagnetflußschleife
durch beide Magnete hergestellt. Statt dessen schafft jeder
der Magnete 25 und 26 seine eigenen separaten Flußschleifen,
wie in Figur 2 gezeigt ist. Für jeden Magneten ist ein
großer Prozentsatz des Flusses in Schleifen enthalten, die
verfolgt werden können vom Südpol des Magnets durch einen
Teil des geraden Teils 31 des Flußgliedes 30, über einen
großen Luftspalt zum Rad 10 und zurück durch das Rad 10 und
einen kleineren Luftspalt zum Nordpol des Magneten. Diese
Anordnung sieht den größten Fluß vor, der für die räumlichen
Verteilungsveränderungen verfügbar ist, während das Rad 10
rotiert. Die Rotation des Rades 10 produziert eine
umfangsmäßige Fluktuation der Flußschleifen in der Region zwischen
den Magneten 25 und 26.
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Eine Spule 40 aus isoliertem, elektrisch leitfähigem Draht
ist auf einer Spule 41 um das Flußglied 30 gewickelt. Die
Spule 40 erstreckt sich über im wesentlichen die gesamte
Länge des Flußgliedes 30, um durch die maximalen
Flußschleifen zwischen den Magneten 25 und 26 gekreuzt zu
werden. Mit dem in Umfangsrichtung über der Spule 40
verteilten und in Umfangsrichtung fluktuierenden Fluß werden,
während das Rad 10 rotiert, die Flußverkettungen der Spule
40 variiert, um darin eine Sinusspannung zu entwickeln. Das
Ausgangssignal der Spule 40 wird über ein Paar
Ausgangsleitungen 52 und 53 erzeugt, die mit den zugehörigen
Leitungen der Spule 40 verbunden sind. Der Strom von der
Spule 40 wird zur Außenumgebung durch das Paar der Leitungen
52 und 53 geliefert, die mit gegenüberliegenden Enden der
Spule 40 innerhalb eines Gehäuses 50 verbunden sind und
jeweils aus dem Gehäuse 50 für elektrischen Kontakt mit
Anschlüssen 56 und 57 vorstehen, die das Signal außerhalb
der Abdeckung 15 liefern.
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Wie vorstehend dargelegt ist, ist das Magnetflußglied 30
durch eine komplexe Konfiguration gekennzeichnet und wird im
allgemeinen durch Bearbeitung ausgestaltet. Es wird
angenommen, daß die nötige umfangreiche Bearbeitung übermäßige
mechanische Belastungen innerhalb des Flußgliedes 30
induziert. Es wurde festgestellt, daß die magnetische
Permeabilität des Magnetkreises des Geschwindigkeitssensors 20 mit
veränderlichem magnetischen Widerstand durch die Temperung
des Magnetflußgliedes 30 wie folgt gesteigert werden kann.
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Das bevorzugte Temperungsverfahren umfaßt das Erhitzen des
bearbeiteten Magnetflußgliedes 30, das in einem Vakuum (oder
einer anderen geeigneten Schutzatmosphäre) aus dem
magnetischen Stahlmaterial AISI 12L14 ausgebildet wurde, bei einer
Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichen, um den
magnetischen Stahl zu Austenit umzuwandeln, so daß eine
vollständige Karbidauflösung erhalten wird. In der Praxis
wurde das Magnetflußglied 30 des Pawlak-Sensors auf eine
Temperatur von ungefähr 704ºC (1300ºF) für ein Minimum von
ungefähr 15 Minuten erhitzt, aber nicht länger als ungefähr
30 Minuten. Es ist vorhersehbar, daß die
Temperungstemperatur zwischen ungefähr 704ºC (1300ºF) und ungefähr 843ºC
(1550ºF), möglicherweise sogar zwischen ungefähr 677ºC
(1250ºF) und 871ºC (1600ºF) variieren könnte. Jedoch werden
die niedrigeren Temperaturen bevorzugt, um so die
dimensionale Stabilität des Flußgliedes 30 zu maximieren. Geeignete
Resultate wurden jedoch mit anderen Konfigurationen bei
höheren Temperaturen erhalten, wie nachstehend vollständiger
diskutiert wird. Die Dauer von ungefähr 15 Minuten wird
benötigt, um die Karbide vollständig aufzulösen und um den Stahl
in Austenit umzuwandeln. Eine Maximaldauer von ungefähr 30
Minuten wird bevorzugt, da Perioden, die länger als dies
sind, nicht nötig sind und nur dazu dienen, die Komponente
zu verzerren. Jedoch ist es vorhersehbar, daß geeignete
Resultate bei Zeitdauern, welche außerhalb des bevorzugten
Bereichs liegen, wie bis zu ein paar Stunden, auch erhalten
werden könnten, obwohl dies die Resultate dieser Erfindung
nicht optimieren würde.
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Das Magnetflußglied 30 wurde dann in dem Vakuum mit einer
genügend langsamen Rate gekühlt, um die Entstehung von
hartem Martensit innerhalb der sich ergebenden
Stahlmikrostruktur zu vermeiden. Daher ist der sich ergebende
magnetische Stahl durch eine relative Weichheit
gekennzeichnet. In der Praxis betrug die Kühlrate ungefähr 55ºC
(100ºF) pro Stunde, wobei der Bereich der Kühlraten von
ungefähr 28ºC (50ºF) pro Stunde bis ungefähr 83ºC (150ºF)
pro Stunde akzeptabel ist. Die Benutzung einer Kühlrate von
ungefähr 55ºC (100ºF) pro Stunde wurde wegen seiner
Effektivität ausgewählt, verbunden damit, daß diese die
praktischste während des Herstellungsbetriebs ist. Die Teile
wurden mit dieser langsamen Rate auf ungefähr 427ºC (800ºF)
gekühlt und dann unter diese Temperatur auf die
Zimmertemperatur durch das Einleiten von Argongas in die
Vakuumkammer gekühlt. Die Kühlrate unter ungefähr 427ºC
(800ºF) scheint für den Erfolg dieser Erfindung nicht
kritisch zu sein.
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Es wurde festgestellt, daß die Temperungsmethode dieser
Erfindung die internen mechanischen Belastungen innerhalb des
bearbeiteten Magnetflußgliedes 30 genügend eliminiert,
wodurch seine magnetische Permeanz verbessert wird und
entsprechend die Permeabilität des Magnetkreises einschließlich
des Flußgliedes 30 und der Permanentmagnete 25 und 26
gesteigert wird.
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Es sollte auch bemerkt werden, daß obwohl die der
Temperungsmethode dieser Erfindung zugehörigen Vorteile am
offensichtlichsten sind, wenn das Flußglied 30 bearbeitet wird, es
vorhersehbar ist, daß das Flußglied 30 auch durch andere
Techniken hergestellt werden könnte, wie zum Beispiel durch
Gießen, worauf dieses Verfahren benutzt werden könnte, aber
mit weniger dramatischen verwirklichten Verbesserungen.
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In der Figur 3 sind die relativen magnetischen
Betriebspunkte für zwei Pawlak-Sensoreinheiten 20 in den Figuren 1 und 2
dargestellt. Eine dieser Sensoreinheiten 20, durch die
Magnetisierungskurve BH&sub1; dargestellt, beinhaltete einen
Magnetkreis mit einem herkömmlichen, wie bearbeiteten
Flußglied 30. Der andere Sensor 20, durch die
Magnetisierungskurve BH&sub2; repräsentiert, beinhaltete einen Magnetkreis,
welches ein Flußglied 30 benutzt, das nach dem Verfahren
dieser Erfindung getempert wurde.
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Der magnetische Betriebspunkt wird als die Kreuzung der
relativen magnetischen Flußdichte (B) während des Betriebs und
der magnetischen Feldstärke (H) in Einheiten von
Kilooersteds (KOe) definiert. Die magnetische Flußdichte (B)
wird als die Anzahl von Linien des magnetischen Flusses pro
Flächeneinheit definiert, welche senkrecht zur Richtung des
Flusses stehen. Wie in der Figur 2 dargestellt ist, werden,
wenn das Magnetflußglied 30 durch einen Strom, der an den
Windungen der gewickelten Spule fließt, magnetisiert wird,
innerhalb des geschlossenen Magnetkreises magnetische
Kraftlinien entwickelt, die als magnetischer Fluß bezeichnet
sind. Der Gesamtmagnetfluß im Flußglied 30 wird durch die
Querschnittsfläche des Flußgliedes 30 dividiert, um zur
Flußdichte (B) zu führen. Die magnetische Feldstärke (H)
wird als die magnetomotorische Kraft definiert, die durch
die Permanentmagnete 25 und 26 pro der Länge in der
Magnetisierungsrichtung entwickelt wird. Die
magnetomotorische Kraft wird als die Kraft definiert, die dazu neigt,
ein Magnetfeld zu erzeugen. Wenn diese Kraft durch die
Permanentmagnete 25 und 26 (wie bei dem Pawlak-Sensor 20)
entwickelt wird, ist sie proportional zur
Permanentmagnetmaterialkoerzitivkraft (Hc) und zu seiner Länge entlang der
Magnetisierung.
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In Figur 3 bezeichnet der Betriebspunkt P1 den Flußdichte-
(B)-Pegel und die Magnetkreispermeabilität des Flußgliedes
30 vor der Temperung. Die magnetische Permeabilität ist die
Einfachheit, mit der die magnetischen Kraftlinien durch eine
mit einer gegebenen magnetischen Kraft magnetisierten
Substanz dringen können. Quantitativ wird sie als das
Verhältnis zwischen der erzeugten magnetischen Flußdichte (B) und
der magnetischen Feldstärke oder Magnetisierungskraft (H)
ausgedrückt. Daher entspricht für eine gegebene
Magnetisierungskraft, d.h. MMF&sub2;, ein höherer Betriebspunkt einer
höheren magnetischen Permeabilität.
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Das Temperungsverfahren dieser Erfindung steigert die
magnetische Permeabilität des Flußgliedes 30, wie durch die
Energieproduktlinie dargestellt ist, welche durch BH&sub2;
repräsentiert ist, verglichen mit dem nichtgetemperten Flußglied 30,
welches durch die Energieproduktlinie BH&sub1; repräsentiert ist.
Man sieht, daß für herkömmliche Sensoren, welche bei hohen
magnetomotorischen Kraftpegeln arbeiten, eine relativ kleine
Veränderung des Flußdichte-(B)-Pegels des dem
Temperungsverfahren zugehörigen Magnetkreises existiert.
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Jedoch ist bei dem vorstehend beschrieben Pawlak-Sensor 20
der magnetomotorische (MMF&sub2;) Pegel der Permanentmagnete 25
und 26 bedeutend niedriger als mit den herkömmlichen
Magneten verglichen, weil er den Fluß über große Luftspalte
leitet, um eine vorteilhafte räumliche Verteilung zu
erreichen. Wie mit der neuen Temperungsmethode dieser
Erfindung gezeigt ist, steigert sich der Flußpegel zum
Betriebspunkt P&sub3; nachdem die Temperung verglichen mit dem
Betriebspunkt P&sub2; am gleichen magnetomotorischen Kraftpegel für ein
herkömmliches, nichtgetempertes Flußglied beträchtlich ist.
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Zusätzlich wird eine verbesserte Permeabilität bei der
Benutzung des getemperten Magnetflußgliedes 30 dieser
Erfindung beobachtet. Die verbesserte Permeabilität wurde durch
das Messen des magnetischen Widerstands der gewickelten
Spule bestimmt, welche proportional zur Permeanz des
Magnetkreises ist. Mit dem wie bearbeiteten, nicht getemperten
Flußglied, repräsentiert durch den Betriebspunkt P&sub2;, betrug
der magnetische Widerstand 720 Millihenry, während der
magnetische Widerstand für das wie getemperte Flußglied 30,
durch den Betriebspunkt P&sub3; repräsentiert, ungefähr 963
Millihenry betrug. Dies ist eine Verbesserung von ungefähr
33 Prozent im magnetischen Widerstand, was eine
vergleichbare Verbesserung der Permeabilität des Magnetflußgliedes 30
repräsentiert, wenn das Temperungsverfahren dieser Erfindung
angewendet wird.
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Wie in Figur 4 gezeigt ist, sind die
Sensor-Ausgangsspannungen für den Pawlak-Sensor 20 repräsentiert, der mit einem
Flußglied 30 arbeitet, welches nach dieser Erfindung (P&sub3;)
getempert wurde und mit einem wie bearbeiteten, nicht
getemperten Flußglied (P&sub2;). Für einen Luftspalt von ungefähr
1,016 mm (0,04 Inches), betrug der Signalpegel für das wie
bearbeitete, nicht getemperte Flußglied ungefähr 750
Millivolt, während der Signalpegel für das wie bearbeitete
Flußglied 30 ungefähr 1166 Millivolt betrug. Das Signal des
Sensors 20 wurde mit dem Flußglied 30, welches nach dieser
Erfindung getempert wurde, beträchtlich verbessert, um
ungefähr 56 Prozent, verglichen mit dem herkömmlichen, wie
bearbeiteten Sensor. Weiterhin wurde die Gleichmäßigkeit des
Signalausgangs auch mit dem Verfahren dieser Erfindung
gesteigert.
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Eine alternative Ausführung eines Sensors mit veränderlichem
magnetischen Widerstand, welcher als das Resultat der
thermischen Behandlung nach dieser Erfindung eine gesteigerte
magnetische Permeanz und ein entsprechendes Sensorsignal
aufweist, wird in Figur 5 gezeigt. Diese alternative
Ausführung benutzt ein H-förmiges Magnetflußglied 130 und eine
verglichen mit dem vorstehend beschriebenen Pawlak-Sensor
geringfügig veränderte Orientierung der Permanentmagnete 125
und 126. Jedoch erfolgt der Betrieb dieses Sensors, sowie
die verbesserten Eigenschaften als Resultat der Lehre dieser
Erfindung, analog zum vorstehend beschriebenen
Pawlak-Sensor.
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Wieder ist der Sensor mit veränderlichem magnetischen
Widerstand in einer stationären Position neben Zähnen 111
eines Rades 110 festgehalten, so daß die Zähne 111 und
Schlitze des Rades 110 abwechselnd an der Sensoreinheit
vorbeigehen, während das Rad 110 rotiert. Der Sensor mit
veränderlichem magnetischen Widerstand umfaßt ein Paar
rechteckiger Permanentmagnete 125 und 126, ebenfalls dem Rad 110
benachbart. Jeder dieser Magnete 125 und 126 weist
gegensätzlich gerichtete Nord- und Südpole auf und kann aus
hochmagnetenergetischen Produktmaterialien wie Materialien aus
den seltenen Erden Neodym oder Samarium-Kobalt ausgestaltet
sein.
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Die Permanentmagnete 125 und 126 sind so orientiert, daß
ihre mit Pole mit dem H-förmigen Magnetflußglied 130 und dem
Rad 110 ausgerichtet sind, so daß gleiche Pole jedes der
Magnete 125 und 126 Luftspalte mit den abwechselnden Zähnen
111 und Schlitzen des Rades 110 ausbilden, während das Rad
110 rotiert. Zum Beispiel weisen, wie gezeigt ist, beide
Magnete 125 und 126 Nordpole auf, die dem H-förmigen
Magnetflußglied 130 benachbart sind. Die Magnete 125 und 126
sind in Umfangsrichtung um die Peripherie des Rades 110
versetzt beabstandet, so daß wenn einer der Magnete 125 und
126 einem Zahn des Rades 110 benachbart ist, der andere
einem Schlitz benachbart ist mit wenigstens einem anderen
Zahn zwischen den Magneten 125 und 126. In der gezeigten
Ausführung befindet sich eine Vielzahl von Zähnen 111b, 111c
und 111d zwischen den Magneten. Diese Zähne 111b, 111c und
111d konzentrieren den Fluß und helfen so, daß verursacht
wird, daß die Flußschleifen in Umfangsrichtung fluktuieren,
während das Rad 110 rotiert.
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Die Sensoreinheit umfaßt, wie gezeigt ist, das H-förmige
Magnetflußglied 130, welches aus dem vorstehend
beschriebenen magnetischen Stahl AISI 1214 oder 12L14 besteht, obwohl
andere geeignete magnetische Materialien benutzt werden
können. Das Magnetflußglied 130 besteht aus einem zylindrischen
langen geraden Stabteil 131 mit einem Paar rechteckiger
Polteile 132 und 133, welche senkrecht zum geraden Teil 131 an
seinen beiden Enden stehen. Die Polteile 132 und 133 weisen
leicht geneigte Endflächen benachbart dem Zahnrad 110 auf,
um die benötigte radiale Orientierung der Magnete 125 und
126 relativ zum Rad 110 zu liefern.
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Der Betrieb des in der Figur 5 gezeigten Sensors mit
veränderlichem magnetischen Widerstand ist im wesentlichen
identisch mit dem des Pawlak-Sensors. Da die Anordnung der
Pole der Magnete 125 und 126 in einer gegeneinander in Reihe
stehenden Beziehung ist, wird durch beide Magnete 125 und
126 keine gemeinsame hauptmagnetische Flußschleife
eingerichtet. Statt dessen richtet jeder der Magnete 125 und 126
seine eigenen getrennten Flußschleifen ein, wie in Figur 5
gezeigt ist, und neigt dazu, den meisten Fluß zu liefern,
der für räumliche Verteilungsveränderungen verfügbar ist,
während das Rad 110 rotiert. Die Rotation des Rades 110
erzeugt umfangmäßige Fluktuierung der Flußschleifen im
Bereich zwischen den Magneten 125 und 126.
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Eine Spule aus isoliertem, elektrisch leitfähigem Draht
(nicht gezeigt) ist um den geraden Teil 131 des Flußgliedes
130 gewickelt. Die Spule wird durch die maximalen
Flußschleifen zwischen den Magneten 125 und 126 gekreuzt, und
mit in Umfangsrichtung über die Spule verteiltem und
fluktuierendem Fluß, während das Rad 110 rotiert, erzeugen
die Flußverkettungen der Spule eine Sinusspannung darin. Das
Ausgangssignal der Spule wird dann passend zur äußeren
Umgebung geliefert.
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Durch die Temperung des Magnetflußgliedes 130 nach dieser
Erfindung wird die magnetische Permeabilität des
Magnetkreises des Geschwindigkeitssensors mit veränderlichem
magnetischen Widerstand bedeutend gesteigert. Mit dem H-förmigen
Magnetflußglied umfaßt das bevorzugte Temperungsverfahren
das Erhitzen des Magnetflußgliedes 130 in einem Vakuum auf
eine Temperatur von ungefähr 843ºC (1550ºF) für ein Minimum
von ungefähr 30 Minuten. Die höhere Temperatur und längere
Zeitdauer wird bevorzugt mit der Temperungsmethode für den
vorstehend beschriebenen Pawlak-Sensor verglichen, da
dimensionale Veränderungen, die durch die Temperung erzeugt
werden, nicht eine so große Möglichkeit mit dem H-förmigen
Glied 130 darstellen, aber die vollständige Auflösung der
Karbide und die Umwandlung des Stahls in Austenit wird
sichergestellt.
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Das Magnetflußglied 130 wurde dann im Vakuum mit einer Rate
gekühlt, die langsam genug war, um die Ausbildung von hartem
Martensit innerhalb der resultierenden Stahl-Mikrostruktur
zu vermeiden, ungefähr 55ºC (100ºF) pro Stunde auf eine
Temperatur von ungefähr 427ºC (800ºF), und dann unter diese
Temperatur auf Raumtemperatur durch das Einleiten von
Argongas in die Vakuumkammer gekühlt.
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Es wurde festgestellt, daß die Temperungsmethode dieser
Erfindung die magnetische Permeanz des Magnetflußgliedes 130
bedeutend verbessert und die Permeabilität des Magnetkreises
entsprechend steigert, wobei der Magnetkreis das Flußglied
130 und Permanentmagnete 125 und 126 beinhaltet. Das
Resultat ist eine schnellere Sättigung des Polteils 131
durch den Flußpegel, wodurch eine erhöhte Durchdringung des
Flusses im Spulenbereich bewirkt wird.
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Betriebspunkte für zwei dieser H-förmigen Sensoreinheiten,
die in Figur 5 dargestellt sind, wurden für identische
Betriebsluftspalte zwischen dem Sensor und dem Zahnrad 110
bestimmt. Einer der Sensoreinheiten beinhaltete einen
Magnetkreis mit einem herkömmlichen, wie bearbeiteten
Flußglied 130. Der andere Sensor beinhaltete einen
Magnetkreis, welcher ein Flußglied 130 benutzte, das nach
dem Verfahren dieser Erfindung getempert wurde. Der
Signalpegel für das wie bearbeitete, nicht getemperte Flußglied
betrug ungefähr 692 Millivolt, während der Signalpegel für
das wie bearbeitete Flußglied 130 ungefähr 1126 Millivolt
betrug, eine ungefähr 62 prozentige Verbesserung des
Sensorsignalpegels. Weiterhin wurde, wie mit dem
Pawlak-Sensor bemerkt, auch die Gleichförmigkeit des
Signalausgangs mit dem Verfahren dieser Erfindung
gesteigert.
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Zusätzlich wurde eine verbesserte Permeabilität, wie durch
das Messen der Induktanz der gewickelten Spule bestimmt
wurde, durch die Benutzung des getemperten Magnetflußgliedes
130 dieser Erfindung beobachtet. Mit dem wie bearbeiteten,
nicht getemperten Flußglied betrug die Induktanz ungefähr
3,65 Henry, während die Induktanz für das wie bearbeitete
Flußglied 130 beim gleichen magnetomotorischen Kraftpegel
ungefähr 5,24 Henry betrug. Dies ist eine Verbesserung der
Induktanz um ungefähr 44 Prozent, was eine vergleichbare
Verbesserung der Permeabilität des Magnetflußgliedes 130
repräsentiert, wenn das Temperungsverfahren dieser Erfindung
angewendet wird.
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Das Temperungsverfahren dieser Erfindung führte wieder zu
einer Steigerung der magnetischen Permeabilität des
Flußgliedes 130 innerhalb des Magnetkreises dieser Art von Sensor
mit veränderlichem magnetischem Widerstand mit einem
H-förmigen Magnetflußglied 130.
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Es muß festgestellt werden, daß während diese
Temperungsmethode dieser Erfindung den Meßfühlerausgang und die
Permeabilität des Magnetflußgliedes 30 und 130 wesentlich
verbessert, die Lehre dieser Erfindung in alternativen Sensoren
benutzt werden könnte.
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Insbesondere wird geglaubt, daß die Lehre dieser Erfindung
auf jede Art von Konfiguration des Sensors mit
veränderlichem magnetischen Widerstand mit den nachfolgenden
Merkmalen ausgeweitet werden könnte, wobei eine bedeutende
Erhöhung des Sensorsignalausgangs erwartet wird. Zunächst muß
der Sensor wenigstens zwei Permanentmagnetquellen besitzen.
Obwohl die hierbei beschriebenen zwei Ausführungen nur zwei
Permanentmagnete beinhalteten, ist vorhersehbar, daß eine
Vielzahl von Magneten benutzt werden könnten. Zweitens muß
ein Magnetkreis so vorgesehen werden, um beide (oder alle)
Magnetquellen zu verbinden. Dies kann ein wie hier
beschriebenes stabförmiges Glied oder H-förmiges Glied sein,
oder jede Struktur, die die Magnete verbindet und die die
Windung einer elektrisch leitfähigen Spule um sich selbst
erlaubt. Weiterhin muß die Anordnung der Magnete relativ zu
den Zähnen des Rads abwechselnd und gegenüberliegend sein,
d.h. die hier beschriebene An-Aus-Beziehung. Dies erlaubt
Betriebspunkte bei viel kleineren magnetomotorischen
Kräften, wo die drastischen Verbesserungen der
Sensor-Signalausgänge mit der Lehre dieser Erfindung erbracht werden. Es
ist vorhersehbar, daß eine An-Aus-Anordnung nicht unbedingt
nötig ist; jedoch würden dann die drastischen Verbesserungen
der Signalausgänge nicht erbracht werden. Schließlich müssen
die Polaritäten der Magnetquellen gleichermaßen in Richtung
des Erregerrades und der Spule orientiert werden. Dies führt
dazu, daß die Polaritäten magnetisch nicht unterstützend
sind, was zur Separation der Magnetflußmuster führt.
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Zusätzlich könnten die Lehren dieser Erfindung genutzt
werden, um Flußglieder thermisch zu tempern, welche in
herkömmlicheren Sensoren mit veränderlichem magnetischen Widerstand
benutzt werden. Jedoch wird davon ausgegangen, daß die so
erreichten Verbesserungen nicht so drastisch wären.
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Daher ist es, während die vorliegende Erfindung als eine
bevorzugte Ausführung beschrieben wurde, offensichtlich, daß
andere Ausbildungen durch einen Fachmann angenommen werden
könnten, zum Beispiel durch das Modifizieren der
Verarbeitungsparameter, wie der verwendeten Temperaturen oder den
Zeitdauern, oder durch das Ersetzen von geeigneten
magnetischen Materialien, oder durch die Benutzung des bestimmten
Materials und der Temperungsmethode in einer alternativen
Umgebung, wie einem anderen Sensor mit veränderlichem
magnetischen Widerstand, der die versetzte
Permanentmagnetanordnung nicht inkorporiert.
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Dementsprechend wird der Umfang der Erfindung nur durch den
Umfang der nachfolgenden Ansprüche begrenzt.