DE102012108583B4

DE102012108583B4 - Elektromagnet

Info

Publication number: DE102012108583B4
Application number: DE102012108583.8A
Authority: DE
Inventors: Sören Rosenbaum
Original assignee: Kendrion Villingen GmbH
Current assignee: Kendrion Villingen GmbH
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: DE102012108583A1

Abstract

Elektromagnet (1) mit einer auf einem Spulenträger (3) angeordneten bestrombaren Spule (5), einem durch Bestromung der Spule (5) bewegbaren Anker (7) und einem stationären Magnetfeldsensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Ankers (7) dadurch gekennzeichnet, dass ein stationärer Permanentmagnet (11) vorgesehen ist, der geeignet angeordnet ist, dass der Anker (7) oder eine mit dem Anker (7) verbundene magnetische Komponente ein von dem Permanentmagneten (11) erzeugtes Magnetfeld derart verändert, dass eine Lageerkennung möglich ist, und der Magnetfeldsensor (9) zwischen Permanentmagnet (11) und Anker (7) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromagneten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Elektromagnete mit einer auf einem Spulenträger angeordneten bestrombaren Spule, einem durch Bestromung der Spule bewegbaren Anker und einem stationären Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Lage des Ankers bekannt.
Stand der Technik wird beispielsweise in der DE 2 057 641 A und DE 198 42 819 A1 offenbart.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Elektromagneten ist für eine Lagebestimmung an dem Anker oder einer mit dem Anker verbundenen Komponente ein Permanentmagnet angeordnet, der durch eine Bewegung des Ankers an dem Magnetfeldsensor vorbeigeführt wird, so dass sich ein von dem Magnetfeldsensor detektiertes Magnetfeld ändert und daraus eine Bestimmung der Lage des Ankers möglich ist.
An diesen aus dem Stand der Technik bekannten Elektromagneten wird es als nachteilig empfunden, dass der Permanentmagnet zwangsläufig an bewegten Komponenten des Elektromagneten angeordnet sein muss. Der Permanentmagnet ist damit, beispielsweise bei Magnetventilen entweder in einem mediumdurchfluteten Bereich anzuordnen oder außerhalb des Ventilbereichs anzubringen. Beide Varianten werden als nachteilig empfunden, da der Permanentmagnet entweder mit teilweise korrosiven Medien in Kontakt ist oder zusätzlich Anbauteile außerhalb des Ventilbereichs notwendig sind, um eine Lagebestimmung für den Anker durchführen zu können.
Die Anordnung von Komponenten an bewegten Teilen wird darüber hinaus als nachteilig empfunden, da beispielsweise bei Schaltbewegungen des Elektromagneten Lageerschütterungen auftreten können, die zu einer Lösung der Verbindung zwischen dem Permanentmagneten und beispielsweise dem Anker führen können, so dass eine Lagebestimmung dann nicht mehr möglich ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Elektromagneten mit einem stationären Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Lage des Ankers derart weiterzubilden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Elektromagneten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Elektromagnet weist eine auf einem Spulenträger angeordnete bestrombare Spule und einen durch Bestromung der Spule bewegbaren Anker sowie einen stationären Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Lage eines Ankers auf, wobei ein stationärer Permanentmagnet vorgesehen ist, der geeignet angeordnet ist, dass der Anker oder eine mit dem Anker verbundene magnetische Komponente ein von dem Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld derart verändert, dass eine Lageerkennung möglich ist. Der Permanentmagnet ist bevorzugt als reiner Messmagnet ausgestaltet und entfaltet keine bzw. annähernd keine Wirkung auf eine Bewegung des Ankers bzw. eine Haltekraft die auf den Anker wirkt.
Ein erfindungsgemäßer Elektromagnet hat damit den Vorteil, dass sowohl der Magnetfeldsensor als auch der Permanentmagnet stationär angeordnet sind und damit Erschütterungen durch beispielsweise eine Bewegung des Ankers wesentlich weniger auf die für die Messung notwendigen Komponenten einwirken.
Der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor können beispielsweise in Verlängerung einer Hinterkante des Ankers in einer hinteren Anschlagposition angeordnet sein. Auf diese Weise ist es möglich, aufgrund eines Eintauchens bzw. Austretens dieser Hinterkante des Ankers in das Magnetfeld des Permanentmagneten die durch den Anker hervorgerufenen Veränderungen in diesem Magnetfeld eine Bestimmung der Lage des Ankers durchzuführen. Durch eine Anordnung in Verlängerung der Hinterkante des Ankers ist es außerdem möglich, den Permanentmagneten und den Magnetfeldsensor außerhalb eines mediumsdurchfluteten Bereichs, beispielsweise in einem Magnetventil, anzuordnen. Der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor sind damit sowohl störungs- als auch korrosionsgeschützt.
Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn der Permanentmagnet in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Magnetfeldsensor angeordnet ist. Einerseits kann durch die eine unmittelbar benachbarte Anordnung vermieden werden, dass, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen, Veränderungen in dem Magnetfeld auftreten, die eine Lagebestimmung erschweren, und andererseits wirkt das von dem Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld bei einer unmittelbar benachbarten Anordnung durch die räumliche Nähe besonders intensiv auf den Magnetfeldsensor, das heißt, weist eine hohe Dichte an Feldlinien auf, so dass Veränderungen leichter detektiert werden können.
Der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor werden bevorzugt außerhalb einer mediumsdurchfluteten Kammer des Elektromagneten angeordnet. Insbesondere bei Magnetventilen ist dies von Vorteil, da dort in der Regel der Ankerraum auch von dem zu steuernden Medium durchflutet ist.
Eine Kopplung von Permanentmagnet und Magnetfeldsensor aneinander kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass beide Komponenten gemeinsam mit Kunststoff umspritzt sind.
Auf dieses Weise wird einerseits die relative Anordnung von Permanentmagnet und Magnetfeldsensor zueinander festgelegt und andererseits eine platzsparende und kompakte Anordnung ermöglicht. Der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor können dazu beispielsweise in ein aus Kunststoff gefertigtes Gehäuse mit eingespritzt sein, dass gleichzeitig eine Anschlussbuchse für eine Ansteuerung der Spule des Elektromagneten trägt. Über einen mehrpoligen Stecker können dann sowohl die Anschlusskontakte für die Spule als auch die Anschlusskontakte für den Magnetfeldsensor nach außen geführt werden.
Um eine Detektionsgenauigkeit zu erhöhen und eine Detektion in einer Vielzahl von Bereichen zu ermöglichen, kann der Anker oder die mit dem Anker verbundene magnetische Komponente in einen Bereich, in dem sie sich an dem Permanentmagneten vorbei bewegt, eine Maßverkörperung, bevorzugt eine Oberflächenstruktur zur Verstärkung der Veränderung des Magnetfelds, aufweisen.
Eine solche Maßverkörperung, beispielsweise in Form einer Oberflächenstruktur, ist einerseits zur Verstärkung von Änderungen im Magnetfeld einsetzbar und kann andererseits solche Veränderungen überhaupt erst hervorrufen, wenn der Magnetfeldsensor und der Permanentmagnet beispielsweise im Bereich einer homogenen Oberfläche des Ankers angeordnet wären.
Eine besonders einfache Ausgestaltung für eine solche Maßverkörperung wird erreicht, wenn beispielsweise eine Abfolge von Nuten oder Kerben an dem Anker oder der damit verbundenen magnetischen Komponente vorgesehen sind. Eine solche Oberflächenstruktur in Form von Nuten oder Kerben kann sehr einfach, beispielsweise durch Einfräsen oder Eindrehen, erzeugt werden, so dass sie mit Hilfe nur weniger Fertigungsschritte erzeugt werden kann.
Ein innerhalb des Permanentmagneten verlaufendes Magnetfeld kann beispielsweise parallel zu der Hinterkante des Ankers ausgerichtet sein.
Erfindungsgemäß ist der Magnetfeldsensor zwischen dem Permanentmagneten und dem Anker angeordnet.
Bei einem erfindungsgemäßen Elektromagneten können Magnetfeldsensoren verschiedenster Art zum Einsatz kommen. Beispielsweise können Hall-Sensoren oder magnetoresisitive Sensoren eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen Elektromagneten,
2 eine Detailvergrößerung aus 1 und
3 die Detailvergrößerung aus 2 mit einer zusätzlichen Maßverkörperung.
1 zeigt einen Elektromagneten 1 mit einem in Axialrichtung beweglich gelagerten Anker 7, der durch Bestromung einer auf einem Spulenträger 3 angeordneten Spule 5 bewegbar ist. Der Anker 7 ist mit einem Stößel 8 verbunden, der eine Bewegung des Ankers 7 aus einem Gehäuse 2 des Elektromagneten 1 nach außen überträgt und beispielsweise auf ein Dichtelement eines Ventils wirkt oder sonst wie als Aktor eingesetzt ist.
In dem Gehäuse 2, das im Wesentlichen topfförmig ausgebildet ist, ist vorderseitig ein Stator 22 angeordnet, der das von der Spule 5 erzeugte Magnetfeld zum Anker 7 lenkt, so dass dieser bei einer Bestromung der Spule 5 in Richtung des Stators 22 gezogen wird. Zur Gewährleistung einer Abdichtung zwischen dem Stator 22 und dem Gehäuse 2, sowie zwischen einem Ankerraum, in dem der Anker 7 angeordnet ist, und einem Spulenrahmen, in dem u. a. die Spule 5 mit dem Spulenträger 3 sowie weitere Komponenten angeordnet sind, ist eine Dichthülse 20 vorgesehen, die zusätzlich durch eine Dichtung 13 zu dem Ankerraum abgedichtet ist.
Der Anker 7 ist durch Bestromung der Spule 5 aus einer hinteren Anschlagposition in eine vordere Anschlagposition, in der er mit dem Stator 22 in Anlage gebracht ist, bewegbar. Zur Lenkung des von der Spule 5 erzeugten Magnetfelds ist außerdem eine Rückschlussplatte 24 vorgesehen, die den Anker 7 sowie die Dichthülse 20 ringförmig umgibt und unmittelbar hinter der Spule 5 beziehungsweise dem Spulenträger 3 angeordnet ist.
Im Bereich einer Hinterkante 71 des Ankers 7 in der hinteren Anschlagposition ist radial zu dem Anker 7 ein Magnetfeldsensor 9 und ein Permanentmagnet 11 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 9 und der Permanentmagnet 11 können beispielsweise in einem das Gehäuse 2 rückseitig verschließenden Kunststoffelement angeordnet sein, das eine Steckerbuchse zur elektrischen Versorgung der Spule 5 sowie zum Verfügungsstellen eines Sensorsignals tragen kann.
Um eine relative Anordnung des Permanentmagneten 11 zu dem Magnetfeldsensor 9 festzulegen, sind der Permanentmagnet 11 und der Magnetfeldsensor 9 gemeinsam mit Kunststoff umspritzt.
Darüber hinaus ist eine Detektion der Lage des Ankers 7 bei einer derartigen Anordnung auch bei einem unbewegten Anker 7 problemlos möglich.
Die Funktion der vorliegenden Sensoranordnung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Detailvergrößerung in 2 näher beschrieben.
2 zeigt eine Detailvergrößerung des den Magnetfeldsensor 9 und den Permanentmagnet 11 aufweisenden Bereiches aus 1. Der Permanentmagnet 11 und der Magnetfeldsensor 9 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Verlängerung einer Hinterkante 71 des Ankers 7 angeordnet, wobei der Magnetfeldsensor 9 zwischen dem Permanentmagneten 11 und dem Anker 7 angeordnet ist. Das von dem Permanentmagneten 11 verursachte Magnetfeld verläuft im vorliegenden Ausführungsbeispiel innerhalb des Permanentmagneten 11 parallel zu der Hinterkante 71 des Ankers 7, so dass die Magnetfeldlinien mit einer hohen Dichte in den Magnetfeldsensor 9 eintreten. Durch eine Bewegung des Ankers 7 wird das von dem Permanentmagneten 11 erzeugte Magnetfeld in seiner Flussdichte beziehungsweise Fluss-Dichteverteilung so verändert, dass die Veränderung durch den Magnetfeldsensor 9 detektierbar ist. Eine Lagebestimmung des Ankers 7 kann somit beispielsweise durch ein Abspeichern verschiedener Magnetfeldverteilungen für unterschiedliche Positionen des Ankers 7 und einen Vergleich dieser abgespeicherten und detektierten Magnetfeldverteilung erfolgen. Insbesondere eine Bewegung der Hinterkante 71 des Ankers 7 innerhalb des Magnetfelds ruft entsprechende Veränderungen hervor, so dass eine Anordnung des Permanentmagneten 11 und des Magnetfeldsensors 9 im Bereich dieser Hinterkante 71 besonders günstig ist.
In 3 ist die Anordnung aus 2 gezeigt, wobei zusätzlich an dem Anker 7 eine Maßverkörperung 73 vorgesehen ist. Eine solche Maßverkörperung 73 beispielsweise in Form von in den Anker 7 eingefrästen Kerben kann entweder im Bereich der Hinterkante 71 des Ankers 7 zur Verstärkung der von dem Anker hervorgerufenen Veränderungen des Magnetfelds vorgesehen sein oder im Bereich einer homogenen Oberfläche des Ankers 7 angeordnet sein, so dass auch in diesem Bereich eine Änderung detektiert werden kann.
Entsprechende Maßverkörperungen 73 können verschiedene Ausformungen aufweisen, wobei vorliegend nur beispielhaft eine Maßverkörperung 73 in Form von in den Anker 7 eingefrästen Kerben gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnet
2: Gehäuse
3: Spulenträger
5: Spule
7: Anker
8: Stößel
9: Magnetfeldsensor
11: Permanentmagnet
13: erste Dichtung
15: zweite Dichtung
20: Dichthülse
22: Stator
24: Rückschlussplatte
71: Hinterkante
73: Maßverkörperung

Claims

Elektromagnet (1) mit einer auf einem Spulenträger (3) angeordneten bestrombaren Spule (5), einem durch Bestromung der Spule (5) bewegbaren Anker (7) und einem stationären Magnetfeldsensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Ankers (7) dadurch gekennzeichnet, dass ein stationärer Permanentmagnet (11) vorgesehen ist, der geeignet angeordnet ist, dass der Anker (7) oder eine mit dem Anker (7) verbundene magnetische Komponente ein von dem Permanentmagneten (11) erzeugtes Magnetfeld derart verändert, dass eine Lageerkennung möglich ist, und der Magnetfeldsensor (9) zwischen Permanentmagnet (11) und Anker (7) angeordnet ist.
Elektromagnet (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11) und der Magnetfeldsensor (9) in Verlängerung einer Hinterkante (71) des Ankers (7) in einer hinteren Anschlagposition angeordnet sind.
Elektromagnet (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11) in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Magnetfeldsensor (9) angeordnet ist.
Elektromagnet (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11) und der Magnetfeldsensor (9) außerhalb einer mediumsdurchfluteten Kammer des Elektromagneten (1) angeordnet sind.
Elektromagnet (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11) und der Magnetfeldsensor (9) mit Kunststoff umspritzt sind.
Elektromagnet (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (7) in einem Bereich, in dem er sich an dem Permanentmagneten (11) vorbeibewegt, eine Maßverkörperung (73), bevorzugt eine Oberflächenstruktur zur Verstärkung der Veränderung des Magnetfeldes aufweist.
Elektromagnet (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (73) eine Abfolge von Nuten oder Kerben umfasst.
Elektromagnet (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb des Permanentmagneten (11) verlaufendes Magnetfeld parallel zu der Hinterkante (73) des Ankers (7) ausgerichtet ist.