WO2017174099A1 - Wieganddraht-anordnung, sowie verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Wieganddraht-anordnung, sowie verfahren zur herstellung derselben Download PDF

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Definitions

  • the invention is directed to a Wieganddrahtanssen as it can be used, for example, as an electrical voltage source for autonomous, absolute sensors application.
  • Wiegand module the pulse or Wieganddrumblete (literature sa "Wiegand wire: New material for magnetic-based devices", Electronics, July 10, 1975) enclosed by a coil that provides a voltage pulse when the wire is triggered by a foreign magnetic field , with the example a counting electronics is fed.
  • the invention has for its object to provide a robust and under production technology Ge ⁇ points of view advantageously realizable Wieganddraht arrangement in which the coil interior is close to the pulse or Wieganddraht.
  • a Wiegand wire arrangement comprising:
  • a coil support formed as a tubular structure and extending in the coil interior between the Wieganddrahtabrough and the inner winding of the coil means, wherein
  • the bobbin is made of a metallic material.
  • the coil carrier is produced as a non-magnetic or at best sufficiently weak-magnetic metallic tube and is preferably provided with an electrically insulating oxide layer.
  • the coil carrier designed as a small metallic tube is furthermore preferably designed such that its surface roughness is less than 5 ⁇ m. This can be reliably avoided that pierced at the innermost winding position of the coil, the thin insulation of the coil copper wire, or contacted low resistance.
  • a sufficiently weak or non ⁇ magnetic metallic alloy is preferably used since the function of Wieganddrahtes be ⁇ resting thereon that the hard magnetic shell is not capable of his soft magnetic core alone but only with the aid of an externally supplied Umzupolen magnetic field (literature sa "characteristics of the Wiegand sensor", measure + check / automatic, May 1984).
  • sufficiently weak magnetic properties of the holding and guiding element described here do not disturb, as long as the function of the Wiegand wire is not impaired. This is the case for example of soft magnetic materials with a Permeabilticianmine from we ⁇ niger than 50.
  • the inventive concept may thus using weakly magnetic (literature sa "About Metal: Catalog of Feldmann, metal and blacksmithing GmbH” or "Small Material Science: Company BNK steel and stainless steel, material AISI 303 ”) alloys, ie those with a low, deviating from zero, coercive force and / or remanence for the holding and guiding element are implemented.
  • the coil carrier i. the Wieganddrahtabrough receiving and winding coil made of a nickel-titanium alloy.
  • a thin tube proves to be extremely dimensionally stable in an advantageous manner.
  • two separate bobbin parts made of plastic can be connected. This connection can be carried out as described below by pressing in (force-fitting). But it can also be done by injection (form-fitting) or subsequent gluing.
  • These two bobbin parts then serve both as delimiting elements for the coil winding itself, as well as carriers and fastening elements for the assembly and subsequent connection of the module, e.g. on a circuit board. This results in particular in terms of cost-effective production particular advantages, since this dispensed with a relatively expensive enameled wire and a normal enameled wire can be wound directly onto the tube and fixed with the coil body parts and contacted.
  • the object specified in the invention is also achieved by a method for producing a Wiegand module, in which, as part of a Bewicklungs intimides a bobbin is formed, in ⁇ nerste winding defines a coil interior in which a Wieganddrahtabrough ⁇ taken, said Bewicklungs intimid is accomplished by a provided for forming the bobbin winding wire material is wound on a metallic tube is the component of the Wiegand module. That metallic tube is preferably provided as part of a preparatory process step, with an electrically insulating oxide layer ⁇ .
  • Figure 1 is a schematic representation to illustrate the structure of a Wiegand module according to the invention
  • Figure 2 is an axial sectional view for illustrating the internal structure of the Wiegand module of Figure 1;
  • Figure 3 is a perspective view of another variant of an inventive
  • FIG. 1 illustrates, in the form of a perspective view, the structure of a Wiegand module 1 according to the invention.
  • the Wiegand module 1 has two coil holder parts, preferably of a similar design 2 made of plastic, which are non-positively connected by the tubular holding and guiding element 3 by pressing.
  • the holding and guiding element On the holding and guiding element is directly wound multilayer copper wire coil 4 with its wire ends 5 on the underside of the bobbin holder parts 2 each ge ⁇ jammed in a slot and by removing the resist layer is here the contact on a circuit boardtiti ⁇ rides.
  • this clamping also other methods for fixing the Drah ⁇ Tenden such as ultrasonic welding are conceivable.
  • the appropriate FLAE ⁇ surfaces 8 of the plastic elements 2 to be metallized as for better soldering on the circuit board.
  • the coil holder parts 2 may be additionally provided with corresponding plastic tabs or pins 7.
  • the pulse or Wieganddraht 6 In the holding and guiding element is the pulse or Wieganddraht 6. This can be prevented by sticking (for example, as shown with one drop of silicone adhesive 10 at the ends) from falling out. At the same time, the adhesive seals the interior of the tube against contamination or ingress of liquids.
  • a permanent flexible adhesive ensures sufficiently reliable that no forces affecting the function of the pulse or Wieganddraht can be exercised. But if the expansion coefficient of the pulse or Wieganddrähte is almost identical to that of the metallic tube, a direct welding at one or both ends is possible.
  • FIG. 3 shows a third variant of a Wiegand module 1 according to the invention.
  • the statements relating to FIGS. 1 and 2 apply mutatis mutandis.
  • the contact and positioning pin 11 is passed through the respective coil holder part 2 and the contacting of this pin 11 with the respective wire end 5 takes place, as indicated, on a side of the coil holder part 2 facing away from the sinker attachment surface.
  • Glue e.g., silicone

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Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Wieganddraht-Anordnung, mit einem Wieganddrahtabschnitt, einer Spuleneinrichtung die als solche einen Spuleninnenraum definiert in welchem der Wieganddrahtabschnitt aufgenommen ist, und einem Spulenträger der als rohrförmige Struktur ausgebildet ist und sich in dem Spuleninnenraum zwischen dem Wieganddrahtabschnitt und der inneren Wicklung der Spuleneinrichtung erstreckt, wobei der Spulenträger aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist.

Description

Wieganddraht-Anordnung, sowie Verfahren
zur Herstellung derselben
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf eine Wieganddrahtanordnung wie sie beispielsweise als elektrische Spannungsquelle für autonome, absolute Sensoren Anwendung finden kann.
Aus DE 102 59 223 B3, sowie aus EP 2 221 587 A2 sind jeweils Wieganddrahtanordnungen bekannt die Bestandteile von Umdrehungszählereinrichtungen bilden.
In einem sogenannten Wiegandmodul werden die Impuls- bzw. Wieganddrähte (Literatur s.a. "Wiegand wire: New material for magnetic-based devices", Electronics, July 10, 1975) von einer Spule umschlossen, die bei Auslösung des Drahtes durch ein Fremdmagnetfeld einen Spannungsimpuls liefert, mit dem z.B. eine Zählelektronik gespeist wird. Je enger die Spule den Draht umschließt, umso größer ist die magnetische Kopplung. Windungen in der Nähe des Impuls- bzw Wieganddrahtes bringen mehr EMK als drahtferne. Auch wird bei gleicher Windungszahl und Drahtstärke damit der Innenwiderstand der Spule sowie die damit verbundenen unvermeidlichen Verluste geringer. Trotzdem empfiehlt es sich nicht, die Spule direkt auf den Impuls- oder Wieganddraht zu wickeln, weil durch die dabei auftretenden Kräfte dann die Gefahr besteht, dass dessen auf der Magnetostriktion beruhende Funktion nicht mehr gewährleistet ist oder zumindest verschlechtert wird.
1
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste und unter fertigungstechnischen Ge¬ sichtspunkten vorteilhaft realisierbare Wieganddraht-Anordnung zu schaffen, bei welcher das Spuleninnere nahe an dem Impuls- bzw. Wieganddraht liegt.
Erfindungsgemäße Lösung
Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Wieganddraht-Anordnung, mit:
einem Wieganddrahtabschnitt,
einer Spuleneinrichtung die als solche einen Spuleninnenraum definiert in welchem der Wieganddrahtabschnitt aufgenommen ist, und
einem Spulenträger der als rohrförmige Struktur ausgebildet ist und sich in dem Spuleninnenraum zwischen dem Wieganddrahtabschnitt und der inneren Wicklung der Spuleneinrichtung erstreckt, wobei
der Spulenträger aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Wieganddrahtanordnung zu schaffen bei welcher die Spuleneinrichtung auf einen kostengünstig herstellbaren und mechanisch belastbaren Rohrabschnitt aufgebracht werden kann.
Der Spulenträger wird erfindungsgemäß als nicht-magnetisches, oder allenfalls hinreichen schwachmagnetisches metallisches Röhrchen gefertigt und vorzugsweise mit einer elektrisch isolierenden Oxid-Schicht versehen.
Der als kleines metallisches Röhrchen gestaltete Spulenträger wird weiterhin vorzugsweise derart ausgebildet, dass dessen Oberflächenrauhigkeit kleiner ist als 5μιη. Damit kann auf zuverlässige Weise vermieden werden, dass bei der innersten Windungslage der Spule die dünne Isolation des Spulenkupferdrahtes durchstochen, oder widerstandsarm kontaktiert wird. Als Material für das den Spulenträger wird vorzugsweise eine hinreichend schwach oder nicht¬ magnetische metallische Legierung verwendet, da die Funktion des Wieganddrahtes darauf be¬ ruht, dass dessen hartmagnetischer Mantel nicht in der Lage ist, seinen weichmagnetischen Kern alleine sondern nur mit Hilfe eines extern zugeführten Magnetfeldes umzupolen (Literatur s.a. "Eigenschaften des Wiegand- Sensors", messen+prüfen/automatik, Mai 1984). Hinreichend schwache magnetische Eigenschaften des hier beschriebenen Halte- und Führungselementes stören aber nicht, solange die Funktion des Wieganddrahtes dabei nicht beeinträchtigt wird. Dies ist zum Beispiel gegeben für weichmagnetische Materialien mit einem Permeabilitätfaktor von we¬ niger als 50. Das erfindungsgemäße Konzept kann damit auch unter Einsatz von schwachmagnetischen (Literatur s.a. "Wissenswertes über Metall: Katalog der Firma Feldmann, Metall- und Schmiedekunst GmbH" oder "Kleine Werkstoffkunde: Firma BNK-Stahl und Edelstahl, Material AISI 303") Legierungen, also solchen mit einer geringen, von Null abweichenden, Koerzitivkraft und/oder Remanenz für das Halte- und Führungselement umgesetzt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Spulenträger, d.h. das den Wieganddrahtabschnitt aufnehmende und die Wicklung tragende Röhrchen aus einer Nickel-Titan Legierung gefertigt. Ein derartiges dünnes Röhrchen erweist sich in vorteilhafter Weise als äußerst formstabil. Über die Funktion als Führungsteil für den Impuls- bzw. Wieganddraht und als Träger für die Spule hinaus können damit auch zwei getrennte Spulenkörperteile aus Kunststoff verbunden werden. Diese Verbindung kann wie im folgenden noch ausgeführt werden wird durch Einpressen (kraftschlüssig) herbeigeführt werden. Sie kann aber auch durch Einspritzen (formschlüssig) oder nachträgliches Einkleben erfolgen. Diese zwei Spulenkörperteile dienen dann sowohl als Begrenzungselemente für die Spulenwicklung selbst, sowie auch als Träger und Befestigungselemente für die Montage und den späteren Anschluss des Moduls z.B. auf einer Platine. Hieraus ergeben sich insbesondere im Hinblick auf eine kostengünstige Fertigung besondere Vorteile, da hierbei auf einen relativ teuren Backlackdraht verzichtet und ein normaler Kupferlackdraht direkt auf das Röhrchen gewickelt und mit den Spulenkörperteilen fixiert und kontaktiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs angegebene Aufgabe erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wiegand-Moduls, bei welchem im Rahmen eines Bewicklungsschrittes ein Spulenkörper gebildet wird, dessen in¬ nerste Wicklung einen Spuleninnenraum definiert in welchem ein Wieganddrahtabschnitt aufge¬ nommen ist, wobei jener Bewicklungsschritt bewerkstelligt wird, indem ein zur Bildung des Spulenkörpers vorgesehenes Wicklungsdrahtmaterial auf ein metallisches Röhrchen gewickelt wird das Bestandteil des Wiegand-Moduls bildet. Jenes metallische Röhrchen wird vorzugsweise im Rahmen eines vorbereitenden Verfahrensschrittes mit einer elektrisch isolierenden Oxid¬ schicht versehen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
Figur 1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaues eines erfindungsgemäßen Wiegand-Moduls;
Figur 2 eine Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Innen-Aufbaues des Wiegand-Moduls nach Figur 1;
Figur 3 eine prspektivische Darstellung einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen
Wiegand-Moduls.
Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich und in Figur 2 sind die Zuleitungen zur Spule aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Aus dem gleichen Grund ist der Spalt zwischen dem Impulsbzw. Wieganddraht und dem Röhrchen stark vergrößert dargestellt.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die Darstellung nach Figur 1 veranschaulicht in Form einer perspektivischen Ansicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wiegand-Moduls 1. Wie sowohl in Figur 1 als auch in Figur 2 gezeigt ist, besitzt das Wiegand-Modul 1 zwei vorzugsweise gleichartig gestaltete Spulenhalterteile 2 aus Kunststoff, die durch das rohrartige Halte- und Führungselement 3 kraftschlüssig durch Einpressen verbunden sind.
Die auf das Halte- und Führungselement direkt gewickelte mehrlagige Kupferlackdrahtspule 4 ist mit ihren Drahtenden 5 auf der Unterseite der Spulenhalterteile 2 jeweils in einem Schlitz ge¬ klemmt und durch Entfernung der Lackschicht ist hier die Kontaktierung auf einer Platine vorbe¬ reitet. Alternativ zu dieser Klemmung sind auch anderer Verfahren für die Fixierung der Drah¬ tenden wie z.B. Ultraschallschweißen denkbar. Auch können und sollten die entsprechenden Flä¬ chen 8 der Kunststoffelemente 2 für eine bessere Verlötung auf der Platine entsprechend metallisiert sein. Für eine genauere Positionierung des gesamten Moduls 1 auf der Platine können die Spulenhalterteile 2 zusätzlich mit entsprechenden Kunststoffnasen oder -stiften 7 versehen sein.
Sollte es aus magnetischen Gründen notwendig sein, die Enden des Wiegand- oder Impulsdrahtes mit Hilfe von Ferritperlen 9 magnetisch zu stabilisieren, so können diese Elemente gleich in den Kunststoffkörper eingelegt oder sogar mit eingespritzt sein. Generell sind durch die flexible Gestaltung der Kunststoffelemente viele an eine jeweilige Anwendung angepasste Formen denkbar, ohne dass der Erfindungsgedanke dadurch berührt wird.
In dem Halte- und Führungselement befindet sich der Impuls- bzw. Wieganddraht 6. Dieser kann durch verkleben (z.B. wie gezeigt mit je einen Tropfen Silikonkleber 10 an den Enden) am Herausfallen gehindert werden. Gleichzeitig dichtet der Kleber den Innenraum des Röhrchens gegen Verschmutzungen oder Eindringen von Flüssigkeiten ab. Ein dauerhaft flexibel bleibender Kleber sorgt hinreichend zuverlässig dafür, dass keine die Funktion des Impuls- oder Wieganddraht beeinträchtigende Kräfte ausgeübt werden können. Wenn aber der Ausdehnungskoeffizient der Impuls- oder Wieganddrähte nahezu identisch mit dem des metallischen Röhrchens ist, ist auch ein direktes Verschweißen an einem oder auch beiden Enden möglich.
Überall dort, wo ein solches Wiegandmodul eingesetzt werden soll, steht damit ein einfaches und preiswertes Element auch für eine automatische Bestückung zur Verfügung. Die je nach Anwendung unter Umständen unterschiedlich notwendigen Ausführungen mit verschiedenen Windungszahlen, Impuls- oder Wieganddrahtlängen sowie den Ausformungen der Befestigungsele- mente lassen sich durch einfache und kostensparende Anpassung einzelner Teile wie z.B. der Länge oder des Durchmessers des Röhrchens vorteilhaft anwendungsspezifisch realisieren.
Die Darstellung nach Figur 3 zeigt ein dritte Variante eines erfindungsgemäßen Wiegand-Moduls 1. Die Ausführungen zu den Figuren 1 und 2 gelten sinngemäß. Der Kontakt- und Positionierstift 11 ist durch das jeweilige Spulenhalterteil 2 hindurchgeführt und die Kontaktierung dieses Stifts 11 mit dem jeweiligen Drahtende 5 erfolgt wie angedeutet auf einer der Platinenansatzfläche abgewandten Seite des Spulenhalterteiles 2.
Bezugzeichenliste:
1. Modul Gesamtaufbau
2. Spulenhalterteil
3. Halte- und Führungselement
4. Kupferlackdrahtspule
5. Drahtende der Kupferlackdrahtspule
6. Impuls- oder Wieganddraht
7. Nase bzw. Stift ihr Positionierung
8. Kontaktfläche für Lötvorgang
9. Ferritperle
10. Kleber (z.B. Silikon)

Claims

Patentansprüche
1. Wieganddraht- Anordnung, mit:
- einem Wieganddraht- Abschnitt,
- einer Spuleneinrichtung deren innere Windung einen Spuleninnenraum definiert, und
- einem Halte- und Führungselement das den Wieganddraht-Abschnitt aufnimmt und in dem Spuleninnenraum aufgenommen ist,
wobei
das Halte- und Führungselement aus einem nicht- oder hinreichend schwachmagnetischem Metall besteht und den Wieganddraht-Abschnitt röhrchenförmig umschließt.
2. Wieganddraht -Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenwandung des Halte- und Führungselement eine elektrisch isolierende Oxydschicht ausgebildet ist.
3. Wieganddraht-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenwandung des Halte- und Führungselement eine elektrisch isolierende Oxydschicht ausgebildet ist.
4. Wieganddraht-Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Fertigung des Halte- und Führungselementes eingesetzte Metall aus einer Nickel -Titanlegierung besteht.
5. Wieganddraht- Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 50% Nickel und 50% Titan besteht. ö.Wieganddraht -Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit des Halte- und Führungselementes kleiner 5μηι beträgt.
7. Wieganddraht- Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Halte- und Führungselement die Spulenkörperteile verbindet.
8. Wieganddraht-Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Spulenkörperteile kraftschlüssig erfolgt.
9. Wieganddraht-Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Spulenkörperteile formschlüssig erfolgt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Wiegand-Moduls, bei welchem im Rahmen eines Bewicklungsschrittes ein Spulenkörper gebildet wird dessen innerste Wicklung einen Spuleninnenraum definiert in welchem ein Wieganddrahtabschnitt aufgenommen ist, wobei jener Bewicklungsschritt bewerkstelligt wird, indem ein zur Bildung des Spulenkörpers vorgesehenes Wicklungsdrahtmaterial auf ein metallisches Röhrchen gewickelt wird das Bestandteil des Wiegand-Moduls bildet.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen eines vorangehenden Verfahrensschrittes das metallische Röhrchen mit einer elektrisch isolierenden Oxidschicht versehen wird.
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