AT11896U1 - CONTACTLESS ELECTRIC CONTROLLER - Google Patents
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Abstract
Um einen Linearaktuator auf Basis gekoppelter magnetischer Kreise anzugeben, der einen linearen Zusammenhang zwischen Bewegung des Aktuatorelements und Ausgangssignal gewährleistet und unempfindlich gegenüber magnetischen Fremdfeldern ist, wird ein Joch 2 in einer Bewegungsebene 10, die gleiche Luftspaltlänge zwischen den Sensorschenkeln 8, 9 und dem Joch 2 ergibt, bewegbar angeordnet und die Geometrie des Jochs 2 derart ausgeführt, dass bei Bewegung des Jochs 2 die Abnahme der überdeckten Fläche ALS1 zwischen Joch 2 und erstem Sensorschenkel 9 der Zunahme der überdeckten Fläche ALS2 zwischen Joch 2 und zweitem Sensorschenkel 8 entspricht und die jeweiligen ersten Ableitungen der beiden überdeckten Flächen ALS1, ALS2 konstant sind.In order to provide a linear actuator based on coupled magnetic circuits, which ensures a linear relationship between movement of the actuator element and output signal and is insensitive to foreign magnetic fields, a yoke 2 in a plane of movement 10, the same air gap length between the sensor legs 8, 9 and the yoke results, movably arranged and the geometry of the yoke 2 carried out such that upon movement of the yoke 2, the decrease of the covered area ALS1 between the yoke 2 and the first sensor leg 9 corresponds to the increase of the covered area ALS2 between yoke 2 and second sensor leg 8 and the respective first Derivatives of the two covered areas ALS1, ALS2 are constant.
Description
österreichisches Patentamt AT 11 896 U1 2011-06-15Austrian Patent Office AT 11 896 U1 2011-06-15
Beschreibungdescription
KONTAKTLOSES ELEKTRISCHES STEUERGERÄTCONTACTLESS ELECTRIC CONTROLLER
[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft ein kontaktloses elektrisches Steuergerät mit zwei magnetischen Kreisen, die durch ein gemeinsames Joch, einen gemeinsamen Kern und eine gemeinsame Erregerspule magnetisch miteinander verkoppelt sind und in jedem magnetischen Kreis eine Sensorspule angeordnet ist, wobei die Erregerspule auf einem gemeinsamen Erregerschenkel des Kerns und die Sensorspulen auf einem ersten und zweiten Sensorschenkel des Kerns angeordnet sind und die Erregerspule zwischen den beiden Sensorspulen angeordnet ist und wobei das Joch gegenüber den freien Enden der Schenkeln, diese zumindest teilweise überdeckend und relativ zum Kern bewegbar angeordnet ist und das Ausgangssignal des Steuergeräts durch die Spannungsdifferenz der beiden in den Sensorspulen induzierten Spannungen bestimmt wird.The subject invention relates to a non-contact electrical control device with two magnetic circuits, which are magnetically coupled together by a common yoke, a common core and a common excitation coil and in each magnetic circuit, a sensor coil is arranged, wherein the exciter coil on a common exciter leg the core and the sensor coils are arranged on a first and second sensor leg of the core and the exciter coil is arranged between the two sensor coils and wherein the yoke against the free ends of the legs, this at least partially overlapping and is arranged relative to the core movable and the output signal of the Control unit is determined by the voltage difference between the two voltages induced in the sensor coils.
[0002] Zur Umsetzung von geringen, weitgehend kraftfreien mechanischen Bewegungen in elektrische Stellsignale, die dann in weiterer Folge wiederum als Steuersignal verwendet werden können, werden meist als Linearhebel, Kreuzhebel oder Joysticks bezeichnete Aktuatoren (bzw. Steuergeräte) verwendet. Die so genannten Linearhebel wandeln eine eindimensionale Rotations- oder Translationsbewegung, z.B. durch einen Hebel, der um einen Drehpunkt verschwend werden kann, in ein elektrisches Signal um. Dabei ist der funktionale Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel im Stellbereich [-(pmax;+ <pmax] oder der Auslenkung [-Xmaxi+Xmad und dem elektrischen Ausgangssignal oft linear. Somit wird jeder Auslenkung im Stellbereich ein dazu proportionales Ausgangssignal zugeordnet. Oft besitzen diese Linearhebel auch eine Neutralstellung. Eine Rückholfeder kann nach der Auslenkung des Linearhebels dafür sorgen, dass nach dem Loslassen des Betätigungshebels wiederum die Neutralstellung eingenommen wird.To implement low, largely force-free mechanical movements in electrical control signals, which in turn can then be used as a control signal in turn, are usually referred to as linear levers, cross levers or joysticks called actuators (or control devices). The so-called linear levers convert a one-dimensional rotational or translational movement, e.g. by a lever that can be wasted around a pivot in an electrical signal. The functional relationship between the angle of rotation in the setting range [- (pmax; + <pmax] or the deflection [-Xmaxi + Xmad and the electrical output signal is often linear.) Thus, each displacement in the control range is assigned an output signal proportional thereto A return spring can after the deflection of the linear lever ensure that after releasing the operating lever again the neutral position is taken.
[0003] Die so genannten Kreuzhebel sind zweidimensionale Aktuatoren und wandeln zwei eindimensionale Bewegungen (Rotation oder Translation) in zwei zugeordnete elektrische Signale um. Sie weisen alle Eigenschaften des Linearhebels in dazu analoger Weise auf. Somit werden jeder zweidimensionalen Auslenkung im Stellbereich zwei funktional zugeordnete Ausgangssignale zugeordnet. Meist besitzen diese Kreuzhebel für jede Achse eine Neutralstellung. Dabei können wieder Rückholfedern nach Auslenkung des Kreuzhebels dafür sorgen, dass nach dem Loslassen des Betätigungshebels wiederum in beiden Achsen die Neutralstellung eingenommen wird. Manchmal bezeichnet man diese Kreuzhebel auch als Joysticks.The so-called cross levers are two-dimensional actuators and convert two one-dimensional movements (rotation or translation) into two associated electrical signals. They have all the properties of the linear lever in an analogous manner. Thus, two functionally distributed output signals are assigned to each two-dimensional deflection in the control range. Most of these cross levers have a neutral position for each axle. This return springs after deflection of the cross lever can ensure that after releasing the operating lever in turn, the neutral position is taken in both axes. Sometimes these cross levers are also called joysticks.
[0004] Darüber hinaus sind auch Kreuzhebel mit einer dritten Achse bekannt. Bei diesem Typ von Aktuator ist in den Bedienknauf des Kreuzhebels eine weitere (dritte) Drehachse in Form einer Verdrehung des Bedienknaufs integriert.In addition, cross levers with a third axis are known. In this type of actuator in the operating knob of the cross lever, another (third) axis of rotation in the form of a rotation of the operating knob integrated.
[0005] Die bekannten Aktuatoren arbeiten nach verschiedensten Funktionsprinzipien, wie z.B. resistiv ratiometrisch, Bestimmung des Durchlichtanteiles (optisch), Absolutwertgeber (optisch), Absolutwertgeber mit Schaltern (elektrisch), magnetische Resolver oder Hallsensoren.The known actuators operate on a variety of functional principles, such as. resistive ratiometric, determination of the transmitted light component (optical), absolute encoder (optical), absolute encoder with switches (electric), magnetic resolver or Hall sensors.
[0006] An ein neuartiges Aktuatorprinzip werden hohe Anforderungen gestellt, die idealer Weise zu erfüllen sind. Gewünscht wird ein berührungsloses Messprinzip, das weitgehend verschleißfrei arbeitet und keine elektrischen Kontakte aufweist, die einerseits einer mechanischen Abnützung ausgesetzt sind und andererseits Probleme, bedingt durch zu geringe Kontaktströme, bereiten können. Darüber hinaus soll eine hohe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit (idealer Weise hermetische Dichtheit), eine Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, keine Alterungseffekte, eine Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Fremdfeldern (insbesondere Gleichfeldern) und eine geringe Leistungsaufnahme erzielt werden und es soll aus Gründen der Minimierung des Energieverbrauches auch ein intermittierender Betrieb möglich sein. Und das alles soll natürlich zu möglichst geringen Produktkosten realisierbar sein. Bei Berücksichtigung dieser Anforderungen scheiden resistiv ratiometrische Lösungen (Potentiometer) wegen der elektrischen und mechanischen Schleiferkontaktierung und der damit verbunde- 1/9 österreichisches Patentamt AT 11 896 U1 2011-06-15 nen Oxidationsgefahr durch geringe Kontaktströme, sowie der mechanischen Abnützung des Kontaktes aus. Alle optischen Messverfahren weisen hohe Sensibilitäten gegenüber Kriechströmen auf, die in erster Linie durch das Eindringen von Feuchtigkeit verursacht werden. Ferner sind die analog arbeitenden optischen Messverfahren obendrein noch erheblichen Alterungseffekten und Empfindlichkeiten gegenüber Temperaturschwankungen ausgesetzt. Hallsensoren haben nachteiliger Weise aufgrund des prinzipbedingt notwendigen Sensorstromes im Hallelement eine erhöhte Leistungsaufnahme. Ferner muss aufgrund der geringen Hallspannungen und der dadurch notwendigen hohen Verstärkungsfaktoren mit teilweise erheblichen Nullpunktdrifts gerechnet werden. Darüber hinaus besteht erhöhte Sensibilität im Zusammenhang mit externen magnetischen Gleichfeldern, die beispielsweise von externen Permanentmagneten verursacht werden können, da der Hallsensor prinzipbedingt nicht zwischen internem Aktuatorgleichfeld und externem Störfeld unterscheiden kann. Lösungen nach dem Resol-verprinzip sind zwar aus technischer Sicht für dieses Anwendungsfeld gut geeignet, scheiden aber aus Kostengründen aus.At a novel actuator principle high demands are made, which are ideal to meet. What is desired is a non-contact measuring principle which operates largely wear-free and has no electrical contacts which, on the one hand, are exposed to mechanical wear and, on the other hand, can cause problems due to excessively low contact currents. In addition, a high resistance to moisture (ideally hermetic tightness), insensitivity to temperature fluctuations, no aging effects, insensitivity to external magnetic fields (in particular DC fields) and low power consumption should be achieved and it is also an intermittent for the sake of minimizing energy consumption Operation possible. And all this should of course be feasible at the lowest possible product cost. Taking into account these requirements, resistive ratiometric solutions (potentiometers) are not susceptible to oxidation due to low contact currents and mechanical wear of the contact because of the electrical and mechanical contact with the wiper and the associated contactor. All optical measuring methods have high sensitivities to leakage currents, which are primarily caused by the penetration of moisture. Furthermore, the analog optical measuring methods are still exposed to considerable aging effects and sensitivities to temperature fluctuations. Hall sensors disadvantageously have an increased power consumption due to the inherently necessary sensor current in the Hall element. Furthermore, owing to the low Hall voltages and the high amplification factors required thereby, in some cases considerable zero-point drifts must be expected. In addition, there is increased sensitivity in connection with external magnetic DC fields, which can be caused for example by external permanent magnets, because the Hall sensor principle can not distinguish between internal Aktuatorgleichfeld and external interference. Although solutions based on the resolver principle are technically well suited for this field of application, they are ruled out for cost reasons.
[0007] Daneben gibt es noch Aktuatoren, die als Funktionsprinzip die elektromagnetische Induktion nutzen. Ein solcher Aktuator ist z.B. aus der EP 266 829 A1 bekannt. Dabei ist auf einem ersten Substrat eine Erregerspule und auf einem zweiten Substrat eine Anzahl von Sensorspulen (pro Freiheitsgrad zwei Spulen) angeordnet. Die Erregerspule erzeugt ein konstantes elektromagnetisches Feld, das in den Sensorspulen eine entsprechende Spannung induziert. Bei einer Auslenkung der Erregerspule ändert sich die induzierte Spannung in gewissen Sensorspulen, womit die Auslenkung des Hebels detektiert werden kann und daraus ein entsprechendes Steuersignal erzeugt werden kann. Dieses Aktuatorprinzip erlaubt neben den normalen Freiheitsgraden in x-, y- und z-Richtung (bewirkt durch ein Verschwenken des Hebels um die x- oder y-Achse und durch Verschieben des Hebels in z-Richtung) auch einen weiteren Freiheitsgrad, nämlich das Verdrehen des Hebels um die z-Achse. Um diese Bewegung auch detektieren zu können, ist allerdings eine nicht rotationssymmetrische Erregerspule erforderlich. Daraus ergibt sich jedoch kein prinzipiell erwünschter linearer Zusammenhang zwischen Verdrehung um die z-Achse und Sensorsignal. Eine solche Anordnung ist darüber hinaus auch sehr empfindlich gegenüber einer Beeinflussung durch magnetische Fremdfelder.In addition, there are still actuators that use the electromagnetic induction as a functional principle. Such an actuator is e.g. known from EP 266 829 A1. In this case, an exciter coil is arranged on a first substrate and a number of sensor coils (two coils per degree of freedom) are arranged on a second substrate. The excitation coil generates a constant electromagnetic field, which induces a corresponding voltage in the sensor coils. With a deflection of the excitation coil, the induced voltage changes in certain sensor coils, whereby the deflection of the lever can be detected and from this a corresponding control signal can be generated. This actuator principle allows not only the normal degrees of freedom in the x-, y- and z-direction (caused by a pivoting of the lever about the x- or y-axis and by moving the lever in the z-direction) also another degree of freedom, namely the twisting of the lever about the z-axis. In order to detect this movement, however, a non-rotationally symmetrical exciter coil is required. However, this does not result in a basically desired linear relationship between rotation about the z-axis and sensor signal. Such an arrangement is also very sensitive to interference from foreign magnetic fields.
[0008] Andere Aktuatoren nutzen gekoppelte magnetische Kreise, um die Auslenkung eines Bedienhebels zu erfassen. Ein solcher Aktuator geht z.B. aus der US 2 903 663 hervor. Dabei ist auf einem gemeinsamen Kern eine Erregerspule zwischen zwei (bei zwei Betätigungsrichtungen vier) Sensorspulen angeordnet. Der Bedienhebel bewegt ein gemeinsames Joch, womit sich die magnetischen Flüsse in den verschiedenen magnetischen Kreisen verändern, wenn das Joch bewegt wird. Der magnetische Fluss bewirkt in einer Sensorspule eine Sensorspannung, die wiederum erfasst und einer Bewegung des Bedienhebels zugeordnet werden kann und folglich als Steuersignal genutzt werden kann. Der Bedienhebel wird dabei um eine Drehachse verschwenkt, die normal auf die Längsachse der Erregerspule angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein in der Regel nicht erwünschter, nichtlinearer Zusammenhang zwischen Auslenkung des Bedienhebels und der Ausgangsspannung der Sensorspulen.Other actuators use coupled magnetic circuits to detect the deflection of an operating lever. Such an actuator is e.g. from US 2,903,663. In this case, an exciter coil is arranged between two sensor coils (four for two actuating directions) on a common core. The operating lever moves a common yoke, whereby the magnetic fluxes in the various magnetic circuits change as the yoke is moved. The magnetic flux causes a sensor coil in a sensor coil, which in turn detected and associated with a movement of the operating lever and thus can be used as a control signal. The operating lever is thereby pivoted about an axis of rotation which is arranged normally on the longitudinal axis of the exciter coil. This results in a generally undesirable, non-linear relationship between deflection of the operating lever and the output voltage of the sensor coils.
[0009] Ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Bewegung des Aktuatorelements und Ausgangssignal ist aber in der Regel unerwünscht, da dadurch ein erhöhter Aufwand in der Auswertung der Ausgangssignale notwendig wird oder die Bedienbarkeit des Aktuators durch unterschiedliche Empfindlichkeiten leidet. Darüber hinaus sind solche Lösungen bei der Inbetriebnahme schwer kalibrierbar.However, a nonlinear relationship between movement of the actuator and output signal is usually undesirable, as this increased effort in the evaluation of the output signals is necessary or the operability of the actuator suffers from different sensitivities. In addition, such solutions are difficult to calibrate during commissioning.
[0010] Die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung liegt nun darin, einen Linearaktuator anzugeben der die obigen Anforderungen erfüllt und die oben angeführten Nachteile nicht aufweist und insbesondere einen weitgehend linearen Zusammenhang zwischen Bewegung des Aktuatorelements und Ausgangssignal gewährleistet und unempfindlich gegenüber magnetischen Fremdfeldern ist.The object of the subject invention is now to provide a linear actuator which meets the above requirements and does not have the above-mentioned disadvantages and in particular ensures a largely linear relationship between movement of the actuator and output signal and is insensitive to magnetic foreign fields.
[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich das Joch parallel zu einer, durch die beiden Sensorschenkel derartig festgelegten, Bewegungsebene bewegt, die 2/9 österreichisches Patentamt AT11 896 U1 2011-06-15 gleiche Luftspaltlänge zwischen den Sensorschenkeln und dem Joch ergibt. Damit ist die Luftspaltlänge konstant und unabhängig von der Bewegung des Joches. Darüber hinaus ist die Geometrie des Jochs derart ausgeführt, dass bei Bewegung des Jochs die Abnahme der überdeckten Fläche zwischen Joch und erstem Sensorschenkel der Zunahme der überdeckten Fläche zwischen Joch und zweitem Sensorschenkel entspricht und die jeweiligen ersten Ableitungen der beiden überdeckten Flächen als Funktion der physikalischen Bewegungsgröße (Rotation oder Translation) jeweils konstant bleiben. Dadurch, dass das Steuergerät auf Basis von gekoppelten magnetischen Kreisen funktioniert, ist es unempfindlich gegenüber Fremdfeldern, da ein Fremdfeld in beiden magnetischen Kreisen gleichermaßen wirkt. Durch die spezielle Ausgestaltung und Anordnung des Jochs wird der gewünschte lineare Zusammenhang zwischen Bewegung und Ausgangssignal sichergestellt.This object is achieved in that moves the yoke parallel to a, so determined by the two sensor legs, plane of motion, the same air gap length between the sensor legs and the yoke results. Thus, the air gap length is constant and independent of the movement of the yoke. Moreover, the geometry of the yoke is such that as the yoke travels, the decrease in the area covered between the yoke and the first sensor leg corresponds to the increase in the area covered between the yoke and the second sensor leg, and the respective first derivatives of the two covered areas as a function of the physical amount of movement (Rotation or translation) remain constant. The fact that the control unit works on the basis of coupled magnetic circuits, it is insensitive to extraneous fields, since a foreign field acts equally in both magnetic circuits. The special design and arrangement of the yoke ensures the desired linear relationship between movement and output signal.
[0012] Vorteilhaft lässt sich damit ein Steuergerät verwirklichen, das eindimensionale Rotationsoder Translationsbewegungen in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt.Advantageously, can thus realize a control device that converts one-dimensional rotational or translational movements in an electrical output signal.
[0013] Wenn ein Bandpassfilter vorgesehen ist, dem die Spannungsdifferenz der beiden in den Sensorspulen induzierten Spannungen zugeführt wird, kann die Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Fremdfeldern erhöht werden.If a band-pass filter is provided, to which the voltage difference of the two voltages induced in the sensor coils is supplied, the insensitivity to external magnetic fields can be increased.
[0014] Vorteilhaft ist eine Synchrongleichrichterschaltung vorgesehen, der das, eventuell verstärkte, bandpassgefilterte Signal, zugeführt wird, womit aus der Phasenbeziehung des Ausgangssignals des Steuergeräts in Bezug auf die Spannung der Erregerspule die Auslenkungsrichtung des Steuergerät bestimmbar ist.Advantageously, a synchronous rectifier circuit is provided, which, the possibly amplified, bandpass filtered signal, is supplied, whereby from the phase relationship of the output signal of the control device with respect to the voltage of the exciting coil, the deflection direction of the control unit can be determined.
[0015] Das erfindungsgemäße Steuergerät kann besonders vorteilhaft in einer Funkfernsteuerung für hydraulische Hebesysteme, insbesondere für LKW-Krane oder LKW-Hubarbeitsbüh-nen, verwendet werden.The control unit according to the invention can be used particularly advantageously in a radio remote control for hydraulic lifting systems, in particular for truck cranes or truck Hubarbeitsbüh-NEN.
[0016] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend anhand der beispielhaften, schematischen, nicht einschränkenden und vorteilhafte Ausgestaltungen zeigenden Figuren 1 bis 3 erläutert. Dabei zeigt [0017] Fig. 1 eine Seitenansicht des magnetischen Teils eines erfindungsgemäßen kontaktlosen elektrischen Steuergeräts und [0018] Fig. 2 und 3 jeweils eine Draufsicht des erfindungsgemäßen kontaktlosen elektrischenThe subject invention will be explained below with reference to the exemplary, schematic, non-limiting and advantageous embodiments showing Figures 1 to 3. 1 shows a side view of the magnetic part of a contactless electrical control device according to the invention, and [0018] FIGS. 2 and 3 each show a top view of the contactless electrical control device according to the invention
Steuergeräts.Controller.
[0019] Das erfindungsgemäße kontaktlose elektrische Steuergerät 1 arbeitet, wie in Fig. 1 dargestellt, mit zwei magnetisch gekoppelten Kreisen, bestehend jeweils aus einem Sensorschenkel 8, 9 eines gemeinsamen Kerns 3 und einem gemeinsamen Erregerschenkel bzw. Mittelschenkel 7. Die magnetischen Kreise werden jeweils durch ein gemeinsames Joch 2 geschlossen. Der Erregerschenkel 7 ist zwischen den beiden, hier diametral angeordneten, Sensorschenkeln 8, 9 angeordnet und das Joch 2 ist gegenüber den freien Enden der Schenkeln 7, 8, 9 angeordnet. Zwischen Joch 2 und den Schenkeln 7, 8, 9 ist ein Luftspalt vorgesehen. An den beiden Sensorschenkeln 8, 9 ist jeweils eine Sensorspule 5, 6 angeordnet und am Erregerschenkel 7 eine gemeinsame, mit einem Wechselspannungssignal U(t) beaufschlagte Erregerspule 4. In Fig. 1 sind auch die konzentrierten Feldlinienverläufe Φι, Φ2 angedeutet.The contactless electrical control unit 1 according to the invention operates, as shown in Fig. 1, with two magnetically coupled circuits, each consisting of a sensor leg 8, 9 of a common core 3 and a common exciter leg or center leg 7. The magnetic circuits are respectively closed by a common yoke 2. The excitation limb 7 is arranged between the two, here diametrically arranged, sensor legs 8, 9 and the yoke 2 is arranged opposite the free ends of the legs 7, 8, 9. Between the yoke 2 and the legs 7, 8, 9, an air gap is provided. A sensor coil 5, 6 is arranged on the two sensor legs 8, 9, and a common exciter coil 4, which is acted upon by an alternating voltage signal U (t), is indicated on the excitation limb 7. The concentrated field lines Φ 1, Φ 2 are also indicated in FIG.
[0020] Die beiden magnetischen Flüsse Φ1, Φ2 induzieren nach dem Induktionsgesetz in den beiden Sensorspulen 5, 6 (vorteilhafter Weise mit gleicher Windungszahl Ns) der Sensorschenkeln 8, 9 die beiden Spannungen Ui(t) und U2(t), die jeweils zur ersten Ableitung der beiden magnetischen Flüsse Φ1, Φ2 nach der Zeit und zur Windungszahl Ns der Sensorspulen 5, 6 proportional sind. Die Differenz AU(t) dieser beiden Sensorspannungen Ui(t) und U2(t) ist im Hinblick auf den Wicklungssinn sowie auf die Wahl der Windungszahlen und/oder den resultierenden magnetischen Widerständen der beiden magnetischen Kreise bevorzugt derart zu bilden, dass sich bei Nullstellung des Aktuators, die in den beiden Sensorspulen 5, 6 induzierten Spannungen Ui(t) und U2(t) gerade aufheben, deren Differenz AU(t) also gerade Null wird.The two magnetic fluxes Φ1, Φ2 induce according to the law of induction in the two sensor coils 5, 6 (advantageously with the same number of turns Ns) of the sensor legs 8, 9, the two voltages Ui (t) and U2 (t), respectively first derivative of the two magnetic fluxes Φ1, Φ2 after the time and the number of turns Ns of the sensor coils 5, 6 are proportional. The difference AU (t) of these two sensor voltages Ui (t) and U2 (t) is preferably to be formed with respect to the winding sense as well as the number of turns and / or the resulting magnetic resistances of the two magnetic circuits such that at zero position of the actuator, in the two sensor coils 5, 6 induced voltages Ui (t) and U2 (t) just cancel, whose difference AU (t) is thus just zero.
[0021] Der Begriff „konzentrierter Feldlinienverlauf' steht bei Magnetkreisen bekannter Weise 3/9 österreichisches Patentamt AT 11 896 U1 2011-06-15 für die Eigenschaft, dass der oder die magnetischen Flüsse entlang eines oder mehrerer vorgegebener Linienzüge in konzentrierterweise verläuft, sich also im Wesentlichen keine Feldanteile entlang anderer, von den vorgegeben Linienzügen abweichender, Flussverläufe schließen. Dies bedeutet aber, dass der magnetische Fluss Φ entlang des konzentrierten Feldlinienverlaufes konstant ist, sofern sich der magnetische Fluss nicht in konzentrierte zwei oder mehrere Teilflüsse aufspaltet.The term "concentrated field line profile" is known in magnetic circuits for the property that the one or more magnetic fluxes along one or more predetermined lines in concentrated manner, ie essentially close no field components along other, deviating from the predetermined Linienügen, flow paths. However, this means that the magnetic flux Φ along the concentrated field line course is constant, as long as the magnetic flux does not split into concentrated two or more partial flows.
[0022] Der magnetische Fluss Φ kann in Analogie zum ohmschen Gesetz äquivalent zum elektrischen Strom I aufgefasst werden. Mit den bekannten grundlegenden physikalischen Zusammenhängen: Θ = Φ·ΣΛ* [0023] Mit: [0024] Θ die magnetische Durchflutung des magnetischen Kreises, [0025] Φ der magnetische Fluss im magnetischen Kreis und / [0026] Rm der magnetische Widerstand mit: RM =-The magnetic flux Φ can be understood in analogy to Ohm's law equivalent to the electric current I. With the known basic physical relationships: Θ = Φ · ΣΛ * With: Θ the magnetic flux of the magnetic circuit, Φ the magnetic flux in the magnetic circuit, and / Rm the magnetic resistance with: RM = -
Mo MrAMo MrA
[0027] [0028] [0029] [0030] [0031] m= wobei: I die magnetische Weglänge, A der aktive magnetische Querschnitt des vom Fluss Φ durchsetzten Materials und pR die Permeabilitätszahl des Magnetmaterials, p0 die magnetische Feldkonstante) ist.[0028] m = where: I is the magnetic path length, A is the active magnetic cross section of the material interspersed by the flux Φ and pR is the permeability number of the magnetic material, p0 is the magnetic field constant).
Darüber hinaus gilt das bekannte Induktionsgesetz:In addition, the known induction law applies:
N άΦ(ί) dt [0032] Mit: [0033] N die Windungsanzahl der Spule und [0034] U(t) die an der Spule anliegende Spannung.N άΦ (ί) dt Where: N is the number of turns of the coil and U (t) is the voltage applied to the coil.
[0035] Aus diesen Zusammenhängen erhält man aus der Parallelschaltung der beiden magnetischen Kreise unter der Annahme, dass die Windungszahlen der beiden Sensorspulen 5, 6 gleich sind, sowie dass aufgrund der hohen Permeabilität des ferromagnetischen Materials des Kerns 3 und des Jochs 2 der magnetische Widerstand des Luftspaltes gegenüber den einzelnen magnetischen Teilwiderständen in den Magnetmaterialien dominiert und dass die Luftspaltlängen gleich sind, die grundlegende Beziehung für die Spannungsdifferenz AU(t) zwischen den beiden Sensorspannungssignalen der Sensorspulen 5, 6: AU(t) = [U2 (t) - UM = E/(0-fe[^2 ] N ALS1+ALS2 [0036] Mit: [0037] U(t) der Spannung der Erregerspule 4 mit der Windungszahl N, [0038] Ns der Windungsanzahl der Sensorspulen 5, 6, [0039] ALSi die magnetisch aktive Fläche des Luftspalts zwischen erstem Sensorschenkel 9 und Joch 2 und [0040] ALs2 die magnetisch aktive Fläche des Luftspalts zwischen zweitem Sensorschenkel 8 und Joch 2. 4/9 österreichisches Patentamt AT 11 896 U1 2011-06-15 [0041] Die beiden magnetisch aktiven Flächen ALs entsprechen dabei in guter Näherung den jeweils vom Joch 2 überdeckten Schenkelflächen an den freien Enden der Sensorschenkel 8, 9 zwischen Joch 2 und jeweiligem Sensorschenkel 8, 9, wie in Fig.2 angedeutet. Wird nun das Joch 2 so gestaltet, dass die durch eine Bewegung des Joches verursachte Verkleinerung der einen überdeckten Schenkelfläche gerade der Vergrößerung der anderen überdeckten Schenkelfläche entspricht, bleibt die Schenkelflächensumme (ALSi + ALS2) über die Gesamtheit der Bewegungszustände des Joches 2 konstant. Darüber hinaus soll das Joch 2 so gestaltet sein, dass beide Schenkelflächenänderungen als Funktion der physikalischen Bewegungsgröße des Jochs 2 (z.B. Translation x oder Rotation <p) ebenfalls konstant bleiben. Somit ergibt sich durch die Verwendung eines Jochs 2 mit diesen beiden Eigenschaften in der obigen Gleichung zwingend der weitgehend lineare funktionale Zusammenhang zwischen der Spannungsdifferenz AU(t) und der physikalischen Bewegungsgröße des Jochs 2.From these relationships one obtains from the parallel connection of the two magnetic circuits on the assumption that the numbers of turns of the two sensor coils 5, 6 are the same, and that due to the high permeability of the ferromagnetic material of the core 3 and the yoke 2, the magnetic resistance the air gap is dominated by the individual partial magnetic resistances in the magnetic materials and that the air gap lengths are equal, the fundamental relationship for the voltage difference AU (t) between the two sensor voltage signals of the sensor coils 5, 6: AU (t) = [U2 (t) - UM = E / (0-fe [^ 2] N ALS1 + ALS2 With: U (t) the voltage of the excitation coil 4 with the number of turns N, Ns the number of turns of the sensor coils 5, 6, [FIG. 0039] ALSi the magnetically active surface of the air gap between the first sensor leg 9 and yoke 2 and ALs2 the magnetically active surface of the air gap between the second sensor leg 8 and yoke 2. 4/9 Austrian The two magnetically active surfaces AL correspond in a good approximation to the leg surfaces covered by the yoke 2 at the free ends of the sensor legs 8, 9 between the yoke 2 and the respective sensor leg 8, 9 as indicated in Fig.2. If now the yoke 2 is designed such that the reduction of one covered leg area caused by a movement of the yoke corresponds exactly to the enlargement of the other covered thigh area, the thigh area sum (ALSi + ALS2) remains constant over the entirety of the movement states of the yoke 2. In addition, the yoke 2 should be designed so that both leg surface changes remain constant as a function of the physical amount of movement of the yoke 2 (e.g., translation x or rotation <p). Thus, by using a yoke 2 with these two properties in the above equation, the largely linear functional relationship between the voltage difference AU (t) and the physical quantity of movement of the yoke 2 necessarily results.
[0042] Die Differenz AU(t) zwischen den beiden Sensorspannungen Ui(t) und U2(t) ist im Hinblick auf den Wicklungssinn der beiden Sensorspulen 8, 9 bevorzugt derart zu bilden, dass sich bei Nullstellung des Aktuators die in den beiden Sensorwicklungen induzierten Spannungen Ui(t) und U2(t) gerade aufheben, deren Differenz AU(t) also gerade Null wird.The difference AU (t) between the two sensor voltages Ui (t) and U2 (t) is in view of the winding sense of the two sensor coils 8, 9 preferably to be formed such that at zero position of the actuator in the two sensor windings induced voltages Ui (t) and U2 (t) just cancel their difference AU (t) is thus just zero.
[0043] Durch konstruktive Ausgestaltung des Jochs 2 erreicht man bei einer Längsverschiebung des Jochs 2 (in x-Richtung, angedeutet durch den Doppelpfeil in Fig.2) sehr einfach den gewünschten linearen Zusammenhang zwischen der Längsverschiebung x und dem zugeordneten Ausgangssignal. Die Längsverschiebung x erfolgt dabei parallel zu einer Bewegungsebene 10, die gleiche Luftspaltlängen zwischen den Sensorschenkeln 8, 9 und dem Joch 2 ergibt, im gezeigten Ausführungsbeispiel folglich in einer Ebene normal auf die Symmetrie-Längsachse der Erregerspule 4. Sei [0044] und [0045] ALsi(x):= A0 + kx; mit: A0, k e 9Γ [0046] ALS2(x):= Ao - kx; mit: Ao, k e 9Γ [0047] dann folgt aus obiger Gleichung direkt: ΛΤ7/Λ Δ u(t) = U(t)-±—-. N Λ [0048] Das Joch 2 ist folglich so zu gestalten, dass bei einer Verschiebung des Jochs 2 um eine Längenänderung Δχ die Abnahme der überdeckten Fläche ALsi zwischen erstem Sensorschenkel 9 und Joch 2 um MLSi der Zunahme der überdeckten Fläche ALs2 zwischen zweitem Sensorschenkel 8 und Joch 2 um MLS2 entspricht (oder umgekehrt, je nach Bewegungsrichtung). Ferner müssen aus Linearitätsgründen die ersten Ableitungen der Flächen ALS1 und ALS2 als Funktionen der Verschiebung x, also [MLsi / Δχ] und [AALs2 / Δχ], über den gesamten Definitionsbereich von x konstant sein.By constructive design of the yoke 2 is achieved at a longitudinal displacement of the yoke 2 (in the x direction, indicated by the double arrow in Figure 2) very simply the desired linear relationship between the longitudinal displacement x and the associated output signal. The longitudinal displacement x is parallel to a plane of movement 10, the same air gap lengths between the sensor legs 8, 9 and the yoke 2 results, in the embodiment shown thus in a plane normal to the symmetry longitudinal axis of the excitation coil 4. Let [0044] and [0045 ] ALsi (x): = A0 + kx; with: A0, k e 9Γ ALS2 (x): = Ao - kx; with: Ao, k e 9Γ then follows from the above equation directly: ΛΤ7 / Λ Δ u (t) = U (t) - ± -. The yoke 2 is consequently to be designed so that, when the yoke 2 is displaced by a change in length Δχ, the decrease in the covered area ALsi between the first sensor leg 9 and the yoke 2 by MLSi is the increase in the covered area ALs2 between the second sensor leg 8 and yoke 2 around MLS2 (or vice versa, depending on the direction of movement). Furthermore, for reasons of linearity, the first derivatives of the areas ALS1 and ALS2 as functions of the displacement x, that is to say [MLsi / Δχ] and [AALs2 / Δχ], must be constant over the entire definition range of x.
[0049] In analoger Weise findet sich ein solcher Zusammenhang im Falle einer Drehbewegung des Jochs 2 in einer Bewegungsebene 10, die gleiche Luftspaltlänge zwischen den Sensorschenkeln 8, 9 und dem Joch 2 ergibt, im hier gezeigten Ausführungsbeispiel, wie in Fig.3 dargestellt, wird das Joch folglich um eine Drehachse verschwenkt, die parallel zur Symmetrie-Längsachse der Erregerspule 4 ist. Durch konstruktive Ausgestaltung des Joches 2 erreicht man nun bei Aktuatoren, die eine Drehbewegung mit Drehwinkel φ verarbeiten, den gewünschten funktionalen Zusammenhang zwischen Drehwinkel φ und dem zugeordneten Ausgangssignal. Das Joch 2 ist dabei so zu gestalten, dass sich die beiden magnetisch aktiven, überdeckten Flächen ALSi, ALs2 als Funktion des Drehwinkels φ in gewünschter Weise verändern. Sei beispielsweise: [0050] φ e [-<pmax;+<Pmax] und [0051] Alsi(<p):= Ao + k<p; mit: Ao, k e 1R+ 5/9 > österreichisches Patentamt AT 11 896 U1 2011-06-15 [0052] ALs2(<p):= Ao - k<p; mit: Ao, k e 9Γ [0053] dann folgt durch Einsetzen für die Differenz AU(t) der beiden Schenkelspannungen AU(t) = [112(1)-11,(1)):In an analogous manner, such a relationship is found in the case of a rotational movement of the yoke 2 in a plane of movement 10, the same air gap length between the sensor legs 8, 9 and the yoke 2, in the embodiment shown here, as shown in Figure 3, Consequently, the yoke is pivoted about an axis of rotation which is parallel to the symmetry longitudinal axis of the exciting coil 4. By constructive design of the yoke 2 is now achieved in actuators, which process a rotational movement with rotation angle φ, the desired functional relationship between rotation angle φ and the associated output signal. The yoke 2 is to be designed so that the two magnetically active, covered areas ALSi, ALs2 change as a function of the rotation angle φ in the desired manner. For example: Let φ e [- <pmax; + <Pmax] and [0051] Alsi (<p): = Ao + k <p; with: Ao, k e 1R + 5/9 > Austrian Patent Office AT 11 896 U1 2011-06-15 ALs2 (<p): = Ao - k <p; with: Ao, k e 9Γ then follows by substituting for the difference AU (t) of the two leg voltages AU (t) = [112 (1) -11, (1)):
[0054] Das Ausgangsspannungssignal des Sensors ist somit wiederum direkt proportional zum Drehwinkel <p. Das Joch 2 ist folglich auch hier so zu gestalten, dass bei einer Verdrehung des Jochs 2 um einen Drehwinkel Δφ die Abnahme der überdeckten Fläche ALsi zwischen erstem Sensorschenkel 9 und Joch 2 um MLsi gerade der Zunahme der überdeckten Fläche ALs2 zwischen zweitem Sensorschenkel 8 und Joch 2 um MLS2 entspricht (oder umgekehrt, je nach Drehrichtung). Ferner müssen aus Linearitätsgründen die ersten Ableitungen der Flächen ALsi und ALS2 als Funktionen des Drehwinkels φ, also [ΔΑ^ι/Δφ] und [ΔΑ^/Δφ], über den gesamten Definitionsbereich von φ konstant sein.The output voltage signal of the sensor is thus in turn directly proportional to the rotation angle < p. Consequently, the yoke 2 must also be designed such that, when the yoke 2 is rotated by a rotation angle Δφ, the decrease in the covered area ALsi between the first sensor leg 9 and the yoke 2 by MLsi is precisely the increase in the covered area ALs2 between the second sensor leg 8 and the yoke 2 corresponds to MLS2 (or vice versa, depending on the direction of rotation). Furthermore, for reasons of linearity, the first derivatives of the areas ALsi and ALS2 as functions of the angle of rotation φ, ie [ΔΑ ^ ι / Δφ] and [ΔΑ ^ / Δφ], must be constant over the entire domain of definition of φ.
[0055] Obige Bedingungen für eine Rotationsbewegung des Jochs 2 führen bezüglich der Ausformung des Joches 2 zu einer transzendenten Gleichung, die sich in einfacher Weise numerisch lösen lässt. Eine Lösung dieser Gleichung, die eine bestimmte Kurvenform des Jochs 2 in der Bewegungsebene 10 ergibt, ist beispielhaft in Fig. 3 dargestellt.The above conditions for a rotational movement of the yoke 2 lead to the formation of the yoke 2 to a transcendental equation that can be solved numerically in a simple manner. A solution of this equation, which results in a specific curve shape of the yoke 2 in the plane of movement 10, is shown by way of example in FIG.
[0056] Das Differenzspannungssignal AU(t) wird vorteilhaft in einer Auswerteeinheit 11 aus den beiden Schenkelspannungen U2(t), Ui(t) gebildet und kann zur Erhöhung der Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Fremdfeldern in vorteilhafter Weise einem frequenzselektiven Bandpassfilter 12 zugeführt werden, das nur Signale eines bestimmten Frequenzbandes, sinnvoller Weise festgelegt durch die Grundfrequenz des Spannungssignales an der Erregerspule 4, durchlässt und den Rest des gesamten Frequenzspektrums unterdrückt.The differential voltage signal AU (t) is advantageously formed in an evaluation unit 11 from the two leg voltages U2 (t), Ui (t) and can be supplied to increase the insensitivity to magnetic foreign fields advantageously a frequency-selective bandpass filter 12, the only Signals of a certain frequency band, sensibly determined by the fundamental frequency of the voltage signal at the excitation coil 4, lets through and suppresses the remainder of the entire frequency spectrum.
[0057] Darüber hinaus kann das bandpassgefilterte Signal UF(t) nach eventueller Verstärkung (z.B. im Bandpassfilter 12 oder einer eigenen nicht dargestellten Verstärkereinheit) einer so genannten Synchrongleichrichterschaltung 13 zugeführt werden, die prinzipbedingt ebenfalls frequenzselektiv wirkt und obendrein durch die Phasenbeziehung des Ausgangssignals UAdes Steuergeräts 1 in Bezug auf die Spannung der Erregerspule 4 die Auslenkungsrichtung des Steuergeräts 1 anzeigt. 6/9In addition, the band-pass filtered signal UF (t) after any amplification (eg in the bandpass filter 12 or its own amplifier unit not shown) of a so-called synchronous rectifier circuit 13 are supplied, the principle also acts frequency selective and on top of that by the phase relationship of the output UAdes controller 1 with respect to the voltage of the exciter coil 4 indicates the deflection direction of the control unit 1. 6.9
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