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Dokumentenidentifikation DE69305665T2 28.05.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0558364
Titel Magnetstruktur für einen Verschiebungssensor
Anmelder SNR Roulements, Annecy, FR
Erfinder Blache, Claire, F-74960 Meythet, FR
Vertreter Haft, von Puttkamer, Berngruber, Czybulka, 81669 München
DE-Aktenzeichen 69305665
Vertragsstaaten DE, ES, GB, IT, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 05.02.1993
EP-Aktenzeichen 934002940
EP-Offenlegungsdatum 01.09.1993
EP date of grant 30.10.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.05.1997
IPC-Hauptklasse G01P 3/44
IPC-Nebenklasse G01D 5/14   G01D 5/16   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Magnetstrukturen für Verschiebefühler, welche in einem Spalt ein Magnetfeld erzeugen, welches sich linear entlang einer Meßachse ändert.

Es sind magnetische Verschiebefühler bekannt, die aus einem oder mehreren Magneten bestehen, welche eine Induktion B erzeugen sowie aus einem die Induktion messenden Bauteil (Hall- Fühler, magnetischer Widerstandsfühler etc.) aufgrund einer Relativbewegung. Die Auflösung eines derartigen Fühlers ist proportional zur Empfindlichkeit des Meßteils der Induktion und zum Gradienten dieser Induktion im Verschiebebereich. Dieser Gradient hängt von der Art der Magneten, der Form des magnetischen Kreises und seiner Anordnung bezüglich der Meßteils ab.

Die häufigsten Vorrichtungen bestehen aus einem Magneten, der an demjenigen Teil befestigt ist, dessen Stellung gemessen werden soll. In diesem Fall muß die Masse des Magneten relativ gering sein, um die Bewegung des Teils nicht zu beeinträchtigen.

Wird die Sonde gegenüber dem Magneten angeordnet, so ist die Anderung des magnetischen Feldes als Funktion der Verschiebung nicht linear und erheblich. Das Signal der Sonde muß demzufolge nach seinem Vergleich mit Referenzsignalen ausgewertet werden. Diese Art Vorrichtung ermöglicht z. B. die Messung von Verschiebungen in der Größenordnung von 100 mm mit einer Genauigkeit von 0,1 mm für ein Samarium-Kobalt-Magnetvolumen von 400 mm³.

Wird die Sonde in einem Feld oder in einem Bereich angeordnet, in dem das Feld linear variiert und bezeichnet J die Polarisationsachse des Magneten, so kann man die Sonde entweder parallel zur Achse J anordnen und den Magneten entlang dieser Achse verschieben oder aber d2e Sonde senkrecht zur Achse J anordnen.

Das Sondensignal wird dadurch proportional zur Verschiebung und der Gradient der Induktion hangt von der Gestalt und der Art des Magneten ab, ebenso wie vom Abstand des Magneten zur Sonde. Bei einem Abstand von 0,1 bis einigen Millimetern liegt er in der Größenordnung von 0,1 Timm bis 1 T/mmm.

Die Anordnungen zur Verschiebemessung, die auf einer derartigen Ausgestaltung der Sonde und Magnete beruhren, reagieren empfindlich auf eine ferromagnetische Umgebung.

Die Patentanmeldung 91-01609 beschreibt einen Fühler für Mikroverschiebungen mit magnetischen Kreisen, welche in einem Spalt eine -erhebliche Variation der Induktion erzeugen, in einem Meßbereich, der von ungefähr 100 bis 500 µm schwankt.

Die Veröffentlichung EP-A-0215454 beschreibt eine Struktur bestehend aus einem Permanentmagneten und einem dazugehörigen U- förmigen Joch zur Verwirklichung eines geschlossenen magnetischen Kreises. Die Anordnung des Fühlers entlang des Joches ist dabei eine Funktion der Intensität des vom Fühler gemessenen Streufeldes und die Gestalt des Joches muß zum Erhalt einer linearen Variation des Feldes entsprechend eingestellt werden.

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Kreis, welcher in einem Spalt ein Feld mit dreieckigem Profil erzeugt und der in der Lage ist, eine Verschiebung zu messen in der Größenordnung von 1 bis 2 mm. Da der lineare Verschiebebereich größer ist, kann man auch eine Meßanordnung schaffen, bei der die Abmessung des empfindlichen Teils größer ist, um so die Empfindlichkeit des Fühlers zu steigern. Die Rückflußjoche ermöglichen eine Zusammenschnürung des magnetischen Flusses im Inneren einer derartigen Struktur.

Die Erfindung betrifft also eine magnetische Struktur bestehend aus zwei offenen identischen magnetischen Kreisen, die beidseits eines Spaltes angeordnet sind und deren jeder aus Permamentmagneten besteht, die benachbart sind und steif miteinander mittels eines Rückflußjoches verbuunden sind gemäß der FR-A- 2155303, wobei die Magnetisierungsrichtungen zweier zusarrimengebauter Magnete einander entgegengerichtet sind und senkrecht zur Kontaktfläche mit dem Rückflußjoch verlaufen sowie zur Kontaktfläche mit dem Spalt im Hinblick auf die Ausgestaltung einer Kontaktfläche mit dem Spalt mit einer abwechselnden Folge von Nord- und Südpolen.

Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Besonderheit sind die beiden magnetischen offenen Kreise beidseits des Spaltes dergestalt angeordnet, daß die Pole der sich gegenüberliegenden Magnete identisch sind. Die beiden offenen magnetischen Kreise stoßen also einander ab. Dieser Strukturaufbau erzeugt entlang einer Meßachse ein magnetisches Induktionsfeld B, welches durch eine senkrecht Komponente Ey von Null und durch eine periodische tangentiale Komponente Bx gekennzeichnet ist. Die Variation von Bx ist damit eine Funktion des Verhältnisses von Magnetlänge L/Spaltbreite d, wodurch man eine ungefähr dreieckige Variation für das Verhältnis L/d von im wesentlichen gleich 2 erhält. Eine derartige Variation ist durch einen steilen Anstieg und einen erheblichen linearen Variationsbereich gekennzeichnet.

Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Besonderheit weisen die Magnete und die Rückflußjoche der magnetischen Kreise die Form von koaxialen Ringen auf, wobei die Spaltbreite und die Polansationen der Magnete entweder axial oder radial verlaufen. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Konstruktion von axialen, linearen Verschiebefühlern (radialer Spalt) oder radialen Fühler (axialer Spalt) zwischen zwei Teilen einer sich drehenden Anordnung, wie z. B. eines Kugellagers.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor; es zeigen

Figur 1 einen Querschnitt durch ein allgemeines erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,

Figur 2 die Kurve der Variation des magnetischen Induktionsfeldes im Spalt der in Figur 1 dargestellten Struktur,

Figur 3 bis 5 Querschnitte durch zwei die in Figur 1 dargestellte Struktur aufweisende Verschiebefühler,

Figuren 4 bis 6 die Variationen des magnetischen Induktionsfeldes im Spalt der in Figuren 3 und 5 dargestellten Fühler,

Figur 7 einen Querschnitt durch ein allgemeines Ausführungsbeispiel einer Struktur mit prismatischen Magneten,

die Figuren 8 und 9 Querschnitte durch zwei Verschiebefühler, die die in Figur 7 dargestellte Struktur verwenden,

Figuren 10 und 11 Varianten der in den Figuren 8 und 9 dargestellten Fühler,

Figur 12 und 14 perspektivische bzw. Schnittansichten zweier ringförmiger magnetischer Kreise mit axialer Polarisation,

Figuren 13 und 15 perspektivische bzw. Schnittansichten zweier ringförmiger magnetischer Kreise mit radialer Polarisation und

Figuren 16 bis 19 Schnitte durch Kugellager, welche mit verschiedenen Ausführungsbeispielen von Verschiebefühlern versehen sind, die radial bzw. axial reagieren.

In Figur 1 sind zwei offene rechtwinklige magnetische Kreise durch einen Spalt 6 der Breite d voneinander getrennt.

Jeder magnetische Kreis besteht aus einer Folge von Permanentmagneten 1, 2, 3, 4 und 1', 2', 3', 4' mit rechtwinkligem Querschnitt, welche steif miteinander mittels eines Rückflußjoches 5 und 5' verbunden sind. Die Magnetisierungsrichtung eines jeden Magneten ist senkrecht zur Kontaktfläche mit den Rückflußjoch und zu der dem Spalt zugewandten Fläche. Die Magnetisierungsrichtungen zweier zusammengebauter Magnete 1-2, 2-3, 3-4, und 1'-2', 2'-3', 3'-4' sind antiparallel. Die Magnetisierungsrichtungen zweier gegenüberliegender Magnete 1-1', 2-2', 3-3', 4-4', welche durch den Spalt voneinander getrennt sind, sind ebenfalls antiparallel. Die Polaritäten (Nord oder Süd) bezüglicher der gegenüberliegenden Magnete sind identisch, so daß sich diese Magnete abstoßen. Nicht dargestellte Zusatzteile halten die beiden Kreise. Die Magnete 1, 2, 3, 4 und 1', 2', 3', 4' sind Hartmagnete, deren relative Permeabilität in der Nähe von 1 liegt, z. B. Keramiken aus Nd-Fe-B. Die Joche 5, 5' bestehen aus weichem ferromagnetischem Material mit hoher Permeabilität, z. B. aus reinem Eisen. Die Struktur erzeugt im Spalt entlang der Meßachse OX ein magnetisches Induktionsfeld, welches durch eine senkrechte Komponente By von Null und durch eine periodische tangentiale Komponente Bx gekennzeichnet ist. Die Variation der tangentialen Komponente wird durch ein dreieckiges Profil dargestellt, wenn das Verhältnis von Magnetlänge L : Spaltbreite d im wesentlichen gleich 2 ist. Dieses Profil ist in Figur 2 dargestellt. Es ist gekennzeichnet durch einen Steigung p, welche der empirischen Beziehung p = CJ/d genügt, wobei C = 0,7 ist. Dabei bezeichnet J die Remanenz des Materials und d die Spaltbreite. Mit Magneten hoher Energie (J = 12000 Gauss) und einem Spalt geringer Abmessung (d = 1 mm) erhält man eine Steigung p von 8,4 Gauss/µm. Der Meßbereich der linearen Verschiebung beträgt dabei 70 % der Magnetlänge L. Für eine Magnetlänge L = 2 mm und einen Spalt d = 1 mm beträgt der lineare Bereich im wesentlichen 1,4 mm. Diese Resulate werden erhalten für Magnete, deren Dicke 1 größer oder gleich der Länge L ist.

Zur Verwirklichung eines linearen Verschiebefühlers besteht Interesse an einem oder mehreren linearen Bereichen des dreiekkigen Profils und demzufolge an einer oder mehrerer Perioden der in Figur 1 dargestellten Struktur. Demzufolge werden nun in den Spalt eine oder mehrere Meßanordnungen für die Komponente Bx als Funktion der Anzahl der Perioden des ausgewählten magnetischen Kreises angeordnet.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Fühler 8 mit einem magnetischen Kreis bestehend aus zwei Gruppen von drei Magneten 1, 2, 3, 1', 2', 3', welche zwei Rückflußjochen 5, 5, zugeordnet sind und die beidseits eines Spaltes 6 angeordnet sind. Der Kreis erstreckt sich über eine Periode AA' von Figur 1. Die seitlichen Magnete 1, 3 und 1', 3' besitzen also entlang ihrer Verschieberichtung eine Länge, die wenigstens gleich der halben Länge der mit ihnen zusarrimengebauten zentralen Magnete 2 und 2' ist. Eine Meßanordnung 7 ist im Mittelpunkt des Spaltes 6 im gleichen Abstand von den Magneten 2 und 2' (entlang der y- Achse) und im Mittelpunkt der Magnete 2 und 2' (entlang der x- Achse) angeordnet. Die Anordnung 7 kann eine Hall-Effektsonde sein, die senkrecht zur tangentialen Komponente des magnetischen Induktionsfeldes Bx angeordnet ist oder aber eine magneto-resistive Anordnung, die parallel zu dieser Komponente angeordnet ist.

Figur 4 zeigt das Profil der Variation der tangentialen Komponente des magnetischen Induktionsfeldes Bx . Die senkrechte Komponente By beträgt 0. Das Profil ist identisch zu dem Profil in der Periode AA' des in Figur 1 dargestellten Kreises in seinem linearen mittleren Abschnitt. Es ist auch möglich, eine andere Fühleranordnung 8 herzustellen, durch Auswahl von Magneten wie z. B. 2, 3, 4 und 2', 3', 4' anstelle der Magnete 1, 2, 3 und 1', 2', 3'. Die Variation Bx der Induktion würde dann derjenigen von Figur 4 entgegengesetzt sein.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Fühler 9 mit magnetischen Kreisen bestehend aus zwei Gruppen und zwei Magneten 1- 2, 11'-2' mit zugehörigen Rückflußjochen 5-5', die beidseits eines Spaltes 6 mit einer Periodizität, die z. B. der mit BB' in Figur 1 entspricht. Zwei Meßanordnungen 7 werden im Spalt im gleichen Abstand von den Magneten 1-1' und 2-2' (entlang der Achse Oy) und ungefähr im halben Abstand von den Seitenflächen der Magneten 1-1' und 2-2' (entlang der Achse Ox) entlang den senkrechten Koordinatenachsen Ox, Oy angeordnet.

Figur 6 zeigt das Profil der Variation der tangentialen Komponente eines magnetischen Induktionsfeldes Bx. Die senkrecht Komponente By beträgt 0. Das Profil ist im Zentrum identisch mit demjenigen der Periode BB' der in Figur 1 dargestellten Anordnung. Die seitlichen Profilteile sind durch den Randeffekt abgeschwächt. Bei einer äquivalenten Anordnung können die Magnete 2-3 und 2'-3' die Magnete 1-2 und 1'-2' ersetzen. Das Profil von Figur 6 wäre dann bezüglich der Achse Ox umgekehrt. Die Empfindlichkeit des Positionsfühlers gemäß Figur 5 ist doppelt so groß wie diejenige des in Figur 3 dargestellten Fühlers 8. Durch Verwendung zweier Meßanordnungen 7 lassen sich die Einflüsse der thermischen Variationen auf die Kreise verringern.

Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Struktur. Zwei offene magnetische Kreise sind beidseits eines Spaltes 16 angeordnet. Jeder der magnetischen Kreise besteht aus einer Folge von erste,n Permanentmagneten 11- 12-13-14, 11'-12'-13'-14' mit dreieckigem Querschnitt. Diese Magnete sind steif miteinander über zweite Magnete 20-21-22-23, 20'-21'-22'-23' mit dreieckigem Querschnitt verbunden. Der dreieckige Querschnitt eines jeden Magneten (des ersten oder zweiten Magneten) ist identisch. Die Gestalt des Querschnitts ist ein gleichschenkliges Dreieck mit dem gleichen Winkel, der im wesentlichen den Wert von 67,50 aufweist. Für jeden der ersten Magneten 11, 12, 13, 14 und 11', 12', 13', 14' liegt die Magnetisicrungsrichtung senkrecht zur (dem Spalt zugewandten) Grundlinie. Die Magnetisierungsrichtungen zweier aufeinander folgender erster Magnete 11-12, 12-13, 13-14, 11'-12', 12'-13', 13'-14' sind antiparallel zueinander; die Magnetisierungsrichtungen zweier sich gegenüberliegender erster Magnete 11-11', 12-12', 13-13', 14-14' sind ebenfalls antiparallel zueinander. Die sich gegenüberliegenden (Nord- oder Süd-) Pole sind identisch, wobei die sich jeweils zwei zu zwei gegenüberliegenden Magnete abstoßen. Für jeden der zweiten Magneten 20-21-22-23, 20'-21'-22'-23' ist die Magnetisierungsrichtung parallel zur Grundlinie seines Querschnitts und liegt in Flußrichtung mit derjenigen der ersten Magneten.

Diese Struktur erzeugt im Spalt 16 entlang der Meßachse Ox ein magnetisches Induktionsfeld, das gekennzeichnet ist durch eine senkrechte Komponente By von 0 und eine periodische tangentiale Komponente Bx. Das Variationsprofil dieser Komponente ist identisch mit demjenigen von Figur 2, wenn das Verhältnis der Länge L der Grundlinie des Magneten und der Spaltbreite d ungefähr gleich 2 ist. Die Steigung gehorcht derselben empirischen Beziehung p = C.J/d, wobei jedoch der Koeffizient C den Wert 0,9 aufweist. Mit einem starken Magneten (J = 12000 Gauss) und einem Spalt geringer Abmessung (d 1 mm) erhält man eine Steigung p von 10,8 Gauss/µm. Diese Steigung ist um etwa 20 % größer als derjenige, welcher mit der in Figur 1 dargestellten Struktur erhalten wird, wobei die Länge des linearen Bereiches unverändert ist. Dies verbesserte Resultat ist die Folge des Vorhandenseins von zweiten Magneten 20-21-22-23, 20'-21'-22'- 23' anstelle von Rückflußjochen 5-5', welche als Konzentratoren für den Fluß wirken. Diese Flußkonzentration erreicht bei einem Winkel von 67,5º den maximalen Wert.

Wird dieser Wert z. B. auf 450 verringert, so ist der Streufluß an den Grundlinien der Magnete minimal, jedoch ist auch die Flußkonzentration geringer.

Die Teile der oben beschriebenen Struktur ermöglichen die Herstellung eines Verschiebefühlers. In diesem Fall werden im Spalt eine oder mehrere Meßvorrichtungen für die tangentiale Komponente des magnetischen Induktionsfeldes als Funktion der Anzahl der ausgewählten Perioden angeordnet.

In Figur 8 ist ein Querschnitt eines Fühlers 18 dargestellt mit einem magnetischen Kreis, welcher aus zwei Gruppen von fünf Magneten besteht, 11-12-13, 21-22 und 11'-12'-13', 21'-22', die beidseits des Spaltes 16 entlang einer Periode AA' der in Figur 7 dargestellten Vorrichtung angeordnet sind. Die seitlichen Magnete 11-13 und 11'-13', die unterteilt sind, besitzen eine Länge der Grundlinie, die um die Hälfte verringert ist bezüglich der mittleren Magnete 12 und 12'. Die Meßanordnung 17 ist mittig im Spalt 16 im gleichen Abstand von den Magneten 12 und 12' (entlang der Achse Oy) und mittig zwischen den Magneten 12 und 12' (entlang der Achse Ox) angeordnet. Dabei handelt es sich um eine Anordnung mit Hall-Effekt, die senkrecht zur tangentialen Komponente des magnetischen Induktionsfeldes Bx angeordnet ist, oder aber um eine magneto-resistive Anordnung, die parallel zu dieser Komponente angeordnet ist.

Das Variationsprofil der Komponente Bx ist identisch mit demjenigen des Profils der Periode AA' der in Figur 7 dargestellten Anordnung. Es läßt sich auch ein anderer Aufbau denken, bei dem die Magnete 21-22 und 21'-22' anstelle der Magnete 11-12-13, 11'-12'-13' gemäß Figur 9 verwendet werden.

Die Empfindlichkeit des Fühlers 18 ergibt sich aus dem Produkt der Empfindlichkeit der Meßanordnung und der Steigung des magnetischen Induktionsfeldes (P = 0,9 J/d). Der Meßbereich entspricht demzufolge ± 0,7 d.

Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch einen Fühler 19 mit einem magnetischen Kreis, der aus zwei Gruppen von fünf Magneten besteht 11-12, 20-21-22 und 11'-12', 20'-21'-22', die beidseits des Spaltes 16 angeordnet sind. Die Periode BB' ist in Figur 7 dargestellt. Die seitlichen Magnete 20-22 und 20'-22' weisen eine Grundlinie auf, die gleich der Hälfte von derjenigen der mittleren Magnete 21 und 21' ist. Zwei Meßanordnungen 17 sind in der Mitte des Spaltes 16 im gleichen Abstand von dem sich gegenüberliegenden ersten Magneten 11-11' und 12-12' (entlang der Achse Oy) und ungefähr in der Mitte zwischen den Magneten 11-11' und 12-12' (entlang der Achse Ox) angeordnet. Das Variationsprofil der Komponente Bx der Induktion ist identisch mit demjenigen des Induktionsprofils für die Periode BB' der in Figur 7 dargestellten Anordnung, unterscheidet sich jedoch geringfügig in den seitlichen Bereichen aufgrund der Randeffekte. Auch gemäß Figur 9 läßt sich eine äquivalente Anordnung denken mit den Magneten 12-13, 21-22-23 und 12'-13', 21'-22'-23' von Figur 7 anstelle der Magnete 11-12, 20-21-22 und 11'-12', 20'- 21'-22'. Das Induktionsprofil in Bezug auf Figur 9 ist damit demjenigen von Figur 8 entgegengesetzt. Die Empfindlichkeit des Positionsfühlers 19 mit zwei Meßanordnungen 17 ist demzufolge doppelt so hoch wie diejenige des Fühlers 18 mit einer Meßanordnung 17.

Die Fühler 18 und 19 bestehen aus magnetischen Kreisen ohne Rückflußjoch sowie aus harten Permanentmagneten (µr = 1). Es lassen sich auch andere magnetische Kreise herstellen, welche durch aufeinanderfolgene Veränderungen der Polarisationsrichtungen um 90º ableitbar sind.

Figur 10 zeigt demzufolge einen aus dem Fühler 18 abgeleiteten Fühler 180, bei dem die Polarisationsrichtungen um +90º in der gleichen Richtung verdreht sind. Das Magnetfeld in Spalt 16 ist dabei um 900 verdreht. Bei gleichen Abmessungen der Magnete ist hierbei die senkrechte Induktionskomponente By, die vom magnetischen Kreis des Fühlers 180 erzeugt wird, gleich der tangentialen Induktionskomponente Bx, welche vom magnetischen Kreis des Fühlers 18 entlang der Meßachse Cx erzeugt wird. Dabei wird vorteilhafterweise eine Hall-Effekt-Sonde im Fühler 180 verwendet sowie eine magneto-resistive Sonde im Fühler 18.

Figur 11 zeigt einen Fühler 190, der vom Fühler 19 abgeleitet ist. Die Geometrie des magnetischen Kreises des Fühlers 190 ist identisch mit derjenigen des magnetischen Kreises des Fühlers 19. Dabei sind jedoch die Polarisationsrichtungen um +90º verdreht, während das Magnetfeld im Spalt um -90º verdreht ist. Für gleiche Abmessungen ist die senkrechte Induktionskomponente By, die vom magnetischen Kreis des Fühlers 190 erzeugt wird, gleich der tangentialen Induktionskomponente Bx, die vom magnetischen Kreis des Fühlers 19 entlang der Meßachse Ox erzeugt wird. Dabei wird vorteilhafterweise eine Hall-Effekt-Sonde als empflindliches Bauteil im Fall des Fühlers 190 und eine magneto-resistive Sonde im Fall des Fühlers 19 verwendet.

Figur 12 zeigt eine perspektivische Ansicht mit einer symmetrischen ringförmigen magnetischen Struktur 30 und einem Axialspalt 32. Sie weist zwei Kreise 34-36 mit jeweils drei ringförmigen Magneten auf, welche über ein kranzförmiges Joch miteinander verbunden sind. Die Querschnitte sind in Figur 3 dargestellt.

Figur 13 zeigt eine perspektivische Ansicht mit Längsschnitt durch eine Variante einer symmetrischen ringförmigen magnetischen Struktur 90 mit Radialspalt 42. Sie weist zwei Kreise 44- 46 mit jeweils drei ringförmigen Magneten auf, die über ein zylindrisches Joch miteinander verbunden sind, wobei die Querschnitt in Figur 3 dargestellt sind.

Figur 14 zeigt eine perspektivische Ansicht mit Längsschnitt eines symmetrischen ringförmigen magnetischen Kreises 50 mit Axialspalt 52. Dieser weist zwei Kreise 54-56 mit jeweils zwei ringförmigen Magneten auf, welche über ein kranzförmiges Joch miteinander verbunden sind. Ihre Querschnitte sind in Figur 5 dargestellt.

Figur 15 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines symmetrischen ringförmigen magnetischen Kreises 60 mit Radialspalt 62. Er weist zwei Kreise 64-66 mit zwei ringförmigen Magneten auf, die über ein zylindrisches Joch miteinander verbunden sind, dessen Querschnitt in Figur 5 dargestellt ist.

Figur 16 zeigt einen Querschnitt durch ein Kugellager 70, welches mit einem Linearfühler 72 für geringe Axialverschiebungen versehen ist. Das Kugellager 70 weist einen inneren Ring 74 auf, welcher an einer Drehwelle befestigt wird sowie einen ringförmigen Käfig 78 für die Kugeln 80 und einen äußeren Ring 82, der mit einer nicht dargestell£t£en feststehenden Halterung verbunden ist. Am inneren Ring 74 ist ein ringförmiger magnetischer Kreis angeklebt, wie er im Zusammenhang mit Figur 13 beschrieben ist. Die inneren magnetischen Ringe sind direkt am inneren Ring 74 angeklebt und bestehen aus Stahl mit hoher magnetischer Permeabilität Die beiden Kreise sind fest miteinander über einen Kranz 88 verbunden, der ebenfalls aus einem nicht-magnetischen Material besteht, um so einen radialen ringförmigen Spalt 90 zu bilden. Am äußeren Ring 82 des Kugellagers 70 ist die Halterung 92 einer Meßsonde 94 befestigt, die zwischen den Ringen in der Mitte des Spaltes 90 angeordnet ist. Der radiale Querschnitt der Halterung 92 weist die Form eines F auf, dessen unterer Arm die Sonde 94 trägt.

Die Meßsonde ist über ein Verbindungskabel 96 mit einem nicht dargestellten Bearbeitungsschaltkreis verbunden. Aufgrund des erhöhten magnetischen Gradienten, der im ringförmigen Spalt 90 erzeugt wird, erzeugt die Meßsonde 94 während der Verdrehung des Ringes 74 ein relativ großes Analogsignal, welches die geringen axialen Relatiwerschiebungen (mit einer Amplitude von 10 bis 100 Mikrometern) der Ringe 74 und 82 darstellt. Derartige Verschiebungen treten z. B. bei elastischen Verformungen auf, welche die Ringe 74-82 und die Kugeln 80 unter der Einwirkung von auf die Welle oder auf die Halterung des äußeren Ringes 82 des Lagers einwirkende Axialkräfte erleiden.

Figur 17 zeigt den Querschnitt durch ein Kugellager 100, welches mit einem Linearfühler 102 für geringe Radialverschiebungen versehen ist. Das Lager 100 weist einen inneren Ring 104 auf, der fest an einer Drehwelle befestigt ist, einen ringförmigen Käfig 108 zur Aufnahme der Kugeln 110 des Lagers und einen äußeren Ring 112, der fest mit einer nicht dargestellten Halterung verbunden ist. Am inneren Ring 104 ist ein Zwischenkranz 114 aus einem nicht-magnetischen Material angeklebt, an dem, ebenfalls mittels Verklebung, zwei Stapel aus jeweils drei ringförmigen Magneten befestigt sind mit axialer Polarisation, die an zwei kreisförmigen, kranzförmigen Jochen 115 bzw. 121 befestigt sind, ähnlich denjenigen, wie sie in Figur 12 dargestellt sind und die durch einen Axialspalt 120 voneinander getrennt sind. Am äußeren Ring 112 des Lagers 100 ist eine T- förmige Halterung 123 einer Meßsonde 122 fest angeordnet, die zwischen die Ringe in die Mitte des Spaltes 120 ragt. Die Meßsonde 122 ist über ein Verbindungskabel 124 mit einer nicht dargestellten Verarbeitungsschaltung verbunden.

Dreht sich die Welle, so erzeugt die Meßsonde 122 ein relativ großes Analogsignal, welches die geringen radialen Relatiwerschiebungen (mit einer Amplitude von 10 bis 100 Mikrometern) der Ringe 104 und 112 des Lagers 110 darstellt und die durch die auf die Welle und/oder das (nicht dargestellte) Lager des äußeren Ringes 112 des Lagers einwirkenden Radialkräfte bedingt wird.

Figur 18 zeigt einen Querschnitt durch ein Kugellager 70, welches mit einem Linearfühler 72 für geringe Axialverschiebungen versehen ist. Das Lager 70 weist einen inneren Ring 74 auf, welcher fest an einer Drehwelle angeordnet ist, einen ringförmigen Käfig 78 zur Aufnahme der Kugeln 80 des Lagers und einen äußeren Ring 82, der fest mit einer nicht dargestellten Halterung verbunden ist. Am inneren Ring 74 ist über Verklebung ein symmetrischer ringförmiger magnetischer Keis mit radialen Polarisationen befestigt, ähnlich demjenigen, wie er in Figur 15 dargestellt ist mit einem doppelten inneren magnetischen Ring und einem doppelten äußeren magnetischen Ring. Bezüglich des Querschnittes des in Figur 15 dargestellten magnetischen Kreises stellt man fest, daß der innere magnetische Ring kein Rückflußjoch aufweist. Dieses Bauteil wird durch den inneren Ring 74 des Lagers 70 ersetzt, welcher aus einem Stahl mit hoher magnetischer Permeabilität besteht.

Die magnetischen Ringe sind steif miteinander über einen Kranz 88 aus einem nicht-magnetischen Material derart verbunden, daß ein radialer ringförmiger Spalt 90 begrenzt wird. Am äußeren Ring 82 des Kugellagers 70 ist eine Halterung 92 für zwei Meßsonden befestigt, welche innerhalb££der magnetischen Ringe und in der Mitte des Spaltes 90 angeordnet sind. Der Querschnitt der Halterung 92 ist F-förmig. Die Meßsonden sind über ein Verbindungskabel 96 mit einer nicht dargestellten Verarbeitungsschaltung verbunden. Aufgrund des großen im ringförmigen Spalt 90 während der Verdrehung der Welle erzeugten magnetischen Gradienten erzeugt die Anordnung aus den beiden Meßsonden ein relativ großes Analogsignal, welches die geringen axialen Relativverschiebungen (mit einer Amplitude von 10 bis 100 Mikrometern) der Ringe 74 und 82 des Lagers 70 darstellt. Derartige Verschiebungen treten auf als Folge von elastischen Verformungen der Ringe 74-82 und der Kugeln 80 unter der Einwirkung von auf die Wellen und/oder das (nicht dargestellte) Lager des äußeren Ringes 82 des Kugellagers einwirkenden Axialkräfte.

Figur 19 zeigt einen Querschnitt durch ein Kugellager 100 mit einem Linearfühler 102 für geringe Radialverschiebungen. Das Lager 100 besitzt einen inneren Ring 104, der fest an einer Drehwelle angeordnet ist, einen ringförmigen Käfig 108 zur Aufnahme der Kugeln 110 des Lagers und einen äußeren Ring 112, der fest mit einer nicht dargestellten Halterung verbunden ist.

Am Ring 104 ist mittels Verklebung ein Zwischenkranz 114 aus nicht-magnetischem Material befestigt, an dem zwei Paar magnetisierte Ringe mit axialen Polarisationen angeklebt sind und zwar über zwei kranzförmige Joche 115 bzw. 121, ähnlich den Paaren von Ringen 54 und 56 in Figur 14, welche durch einen Axialspalt 120 voneinander getrennt sind. Am äußeren Ring 112 des Lagers 100 ist eine T-förmige Halterung 123 befestigt für zwei Meßsonden 122, die zwischen die Ringpaare in der Mitte des Spaltes 120 ragen. Die Meßsonden sind über ein Verbindungskabel 124 mit einer nicht dargestellten Verarbeitungsschaltung verbunden. Aufgrund der Empfindlichkeit dieser Anordnung erzeugen bei einer Verdrehung der Welle die beiden Meßsonden ein relativ großes Analogsignal, welches die geringen radialen Relatiwerschiebungen (mit einer Amplitude von 10 bis 100 Mikrometern) der Ringe 104 und 112 des Lagers 110 darstellt, welche durch die auf die Welle 106 und/oder das (nicht dargestellte) Lager des äußeren Ringes 112 des Kugellagers einwirkenden Radialkräfte bedingt sind.


Anspruch[de]

1. Magnetstruktur für einen linearen Verschiebefühler, bestehend aus zwei magnetischen Kreisen, die durch einen Spalt (6) getrennt sind und die jeweils aus einer Folge von Permamentmagneten (1, 2, 3, 4 - 1', 2', 3', 4') bestehen, die zusammengebaut und fest miteinander mittels Rückflußjochen verbunden sind, wobei eine Fläche dem Spalt (6) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtungen der sich gegenüberliegenden Magnete (1, 1'-2, 2'-3, 3'-4, 4') und zusammengebauter Magnete (1-2, 2-3, 3-4 und 1'-2', 2'-3', 3'-4') antiparallel zueinander sind und daß die Länge eines jeden Magneten ungefähr zweimal größer als die Breite d des Spaltes ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreis aus Permamentmagneten (1, 2, 3 - 1', 2', 3') sich periodisch entlang der Verschieberichtung wiederholt und wenigstens eine Meßanordnung (7) aufweist, die in der Mitte des Spaltes im gleichen Abstand von den Magneten (1, 1'-2, 2'-3, 3') entlang der Koordinatenachse Oy angeordnet ist.

3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite eines seitlichen Magneten (1, 1'-3,3') im wesentlichen gleich der halben Breite eines der zusammengebauten Magnete (2, 2') ist.

4. Magnetstuktur für einen linearen Verschiebefühler bestehend aus zwei magnetischen Kreisen, die durch einen Spalt (16) getrennt ist und die jeweils aus einer Folge von ersten Permanentmagneten (11, 12, 13, 14 - 11', 12', 13', 14') mit gleichem Querschnitt bestehen, die fest durch zweite Magneten (20, 21, 22, 23 - 20', 21', 22', 23') zusammengebaut sind, deren Querschnitt identisch zu demjenigen der ersten Magneten ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

- der Querschnitt der ersten Magnete ein gleichschenkliges Dreieck ist, dessen Grundlinie dem Spalt (16) zugewandt ist,

- die Magnetisierungsrichtungen der gegenüberliegenden ersten Magnete (11, 11' - 12, 12' - 13, 13' - 14, 14') und der ersten sich anschließenden Magnete (11, 12 - 12, 13, 14; 11', 12' - 12', 13' - 13', 14') antiparallel sind,

- die Polaritäten der sich paarweise gegenüberliegenden Magnete (11, 11' - 12, 12' - 13, 13' - 14, 14') identissch sind,

- die Magnetisierungsrichtung der zweiten Magnete (20, 21, 22, 23, 20', 21', 22', 23') parallel zur Grundlinies ihres Querschnitts ist und die gleiche Flußrichtung aufweist, wie die ersten Magnete

- die Länge (L) der Grundlinie eines jeglichen Magneten ungefähr zweimal größer als die Breite (d) des Spaltes ist.

5. Magnetstruktur nach Anspruch 4 mit periodischer Verteilung der ersten Magnete (11, 12 - 11, 12, 13; 11', 12' - 11', 12', 13') und der zweiten Magnete (20, 21, 22 - 21, 22; 20', 21', 22' - 21', 22'), dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen eines jeden ersten und zweiten Magneten um 90º in gleicher Richtung verdreht sind.

6. Struktur nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Struktur periodisch entlang der Verschieberichtung wiederholt und wenigstens eine Meßanordnung (17) aufweist, die in der Mitte des Spaltes (16) und im gleichen Abstand von den sich gegenüberliegenden ersten Magneten (11, 11' - 12, 12' - 13, 13') angeordnet ist.

7. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie fest mit einem Ring (74, 104) verbunden ist und einen ringförmigen Spalt (90, 120) begrenzt, in dem wenigstens eine Meßsonde (94, 122) angeordnet ist, die fest mit einer Halterung (92, 123) verbunden ist, die an einem anderen Ring (82, 112) angeordnet ist.







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