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(11) | EP 0 073 395 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Magnetoelastischer Geber |
| (57) Magnetoelastischer Geber, dessen Blechpaket aus unterschiedlichen Blechen aufgebaut
ist. Der überwiegende Teil des Blechmaterials besteht aus unmagnetischem Material
(2), und nur ein kleiner Teil des Blechmaterials besteht aus Kompoundblechen (1),
die ihrerseits aus einer mittleren Schicht (11) aus magnetischem Material mit beidseitig
angrenzenden Schichten (11, 12) aus unmagnetischem Material bestehen. |
[0001] Die Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Geber gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Bekannte magnetoelastische Geber bestehen aus einem Blechpaket, in welchem mit Hilfe einer Erregerwicklung (Speisewicklung) ein magnetisches Feld mit einem bestimmten-Feldbild erzeugt wird. Dieses Feldbild verändert sich, wenn der Geber mechanischen Kräften ausgesetzt wird. Mit Hilfe einer oder mehrerer Meßwicklungen werden diese Veränderungen des Feldes erfaßt, wodurch ein Maß für die Größe der mechanischen Kräfte gewonnen wird. Die genannten Wicklungen können in Öffnungen des Blechpaketes des Gebers untergebracht sein oder sie können das Blechpaket umschließen.
[0003] Diese magnetischen Geber, die beispielsweise aus der DE-PS 955 272 bekannt sind, haben einen großen Leistungsverbrauch, und zwar besonders dann, wenn der Geber für die Messung großer Kräfte ausgelegt ist. Der Leistungsverbrauch beruht darauf, daß der magnetische Kern (das Blechpaket) stark magnetisiert werden muß. Aufgrund des großen Volumens des zu magnetisierenden magnetischen Kerns ist man auch gezwungen, eine Speisespannung mit verhältnismäßig niedriger Frequenz zu verwenden, da bei höheren Frequenzen die Verluste noch größer werden würden. Andererseits ist eine hohe Frequenz der Speisespannung erwünscht, da man dann schnellere Verläufe messen kann und die zu der elektronischen Anordnung gehörenden Schaltungselemente, wie z.B. Kondensatoren, weniger aufwendig sind. Eine Möglichkeit zur Verminderung des Leistungsverbrauches besteht darin,, daß man das Bild des Magnetfeldes im Geber durch Änderung der Lochkonfiguration beeinflußt. Der hierdurch erzielte Einfluß auf den Leistungsverbrauch ist jedoch gering.
[0004] Ein weiterer Nachteil der bekannten Geber besteht darin, daß ihr Leistungsbedarf von der Größe des Gebers abhängt und dieser Größe etwa proportional ist. Bei Gebern zur Kraftmessung z.B. ist die Größe ungefähr proportional der größten meßbaren Kraft oder Last. Große Geber benötigen daher eine große Speiseleistung, was aufwendige Speiseeinrichtungen erfordert. Speiseeinrichtungen und die Signalverarbeitung werden auch um so komplizierter, je größere Variationen des Signalwertes verarbeitet werden müssen.
[0005] Durch Verkleinerung des Volumens des magnetischen Materials kann der Bedarf an elektrischer Leistung vermindert werden. Für die Verringerung des magnetischen Materials gibt es wenigstens zwei Möglichkeiten:
Die eine Möglichkeit besteht darin, einen Teil der Bleche durch solche aus unmagnetischem Material zu ersetzen. Dies ist ohne weiteres möglich, und es hat sich gezeigt, daß bis zu 99,5 % der.Bleche durch unmagnetisches Material ersetzt werden können. SolcheAusführungen sind beispielsweise aus der SE-AS 399 125 bekannt. Unmagnetisches Blech aus beispielsweise 18/8-Stahl o.dgl. hat jedoch einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der sich von dem Ausdehnungskoeffizienten für magnetisches Blech (wie z.B. Siliziumblech) erheblich unterscheidet. Auch ist der E-Modul der beiden Materialien verschieden.Dies bedeutet für Geber, die - wie beispielsweise in der SE-AS 399 125 - ein mechanisch zusammengesetztes Blechpaket haben oder für Geber mit geleimten Blechpaketen eine sehr große Temperaturabhängigkeit ihres Nullpunktes und ihrer Empfindlichkeit. Damit in einem geleimten Paket aus Blechen mit verschiedenen Eigenschaften (E-Modul, Temperaturkoeffizient) keine Risse auftreten, wenn es unterschiedlichen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt wird, ist es allerdings erforderlich, daß E-Modul und Temperaturkoeffizient der Materialien nicht allzu unterschiedlich sind. Man hat festgestellt, daß der E-Modul des Ersatzmaterials höchstens mit + 20 % von dem E-Modul des verwendeten magnetischen Siliziumbleches abweichen darf und daß der Temperaturausdehnungskoeffizient des Ersatzmaterials nicht mehr als + 25 % von dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Siliziumbleches abweichen darf. Aufgrund dieser an das Material zu stellenden Forderungen ist es z.Zt. schwierig, billiges Ersatzmaterial zu finden. Als Beispiel für Material, das sich als anwendbar erwiesen hat, können INCONEL(R) und NIMONIC(R) genannt werden; doch handelt es sich hierbei um sehr teures Material.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Geber der eingangs genannten Art zu entwickeln, der nur relativ wenig magnetisches Material enthält, ohne daß die obengenannten Probleme auftreten.
[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein magnetoelastischer Geber nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
[0009] Das Kompoundblech gemäß der Erfindung besteht vorzugsweise aus einer dünnen Mittelschicht aus Siliziumblech, zu dessen beiden Seiten ein Blech aus beispielsweise dem billigeren 18/8-Stahl angebracht ist. Zwischen den drei Schichten muß eine metallische Verbindung bestehen, die beispielsweise durch Walzen hergestellt werden kann. Die Fe-Si-Schicht ist zweckmäßigerweise dünner als ein Drittel der Blechdicke, welches letztere üblicherweise insgesamt ca. 0,5 mm dick ist. Die untere Grenze für die Dicke der magnetischen Blechschicht wird von der Korngröße des Materials bestimmt, die in den z.Zt. zugänglichen Materialien üblicherweise 100 µm beträgt.
[0010] Der Geber gemäß der Erfindung hat mehrere Vorteile. Durch die metallische Verbindung-zwischen der aktiven, magnetischen Siliziumblechschicht mit den unmagnetischen, passiven Schichten weicht - wenn die Siliziumblechschicht hinreichend dünn ist - der resultierende Temperaturausdehnungskoeffizient des Mischmaterials, also des Kompoundbleches, außerordentlich wenig von dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der vollständig passiven unmagnetischen Bleche ab. Dadurch ist es möglich, das Blechpaket durch herkömmliche Methoden, wie Leimen, aus einem kleineren Teil von nur wenigen Prozent des aktiven Kompoundbleches und einem überwiegenden Teil des unmagnetischen Materials zusammenzusetzen. Im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen mit passivem Füllmaterial besteht der Vorteil darin, daß der überwiegende Teil, also das Füllmaterial, billiges Blech ist, während die aktiven, teuren Bleche nur einen sehr kleinen Teil ausmachen.
[0011] Ein Vorteil, den der Geber nach der Erfindung mit den anfangs beschriebenen Gebern gemeinsam hat, besteht darin, daß man den Anteil der aktiven Bleche so wählen kann, daß kleinere Geber einen größeren relativen Anteil an aktivem Material enthalten. Dadurch kann die Speiseleistung und auch die Größe des maximalen Ausgangssignals des Gebers im wesentlichen von der Größe des Gebers unabhängig gemacht werden, wodurch die erforderliche elektronische Anordnung billiger wird.
[0013] Die Figur zeigt einen Teil eines Blechpaketes mit mehreren Kompoundblechen 1, die einzeln in einem Paket aus Blechen aus unmagnetischem Material 2 verteilt sind. Wenn der nicht gezeigten Erregerwicklung Strom zugeführt wird, wird also nur die magnetisierbare Innenschicht der Kompoundbleche magnetisiert.
[0014] Wie aus der Figur hervorgeht, ist das zu magnetisierende Volumen im Vergleich zu dem Blechpaket eines bekannten Gebers erheblich reduziert, wobei der Leistungsverbrauch etwa im gleichen Verhältnis zurückgeht.
[0015] Die Schichten 10., 11 und 12 der Kompoundbleche.sind aus der Figur ersichtlich. In der Mitte liegt eine Schicht 11 aus magnetischem Material, z.B. aus dem Material, wie es in den z.Zt. hergestellten Gebern verwendet wird, und auf beiden Seiten dieser Materialschicht liegen Schichten 10, 12 aus unmagnetischem Stahl. Die unmagnetischen, passiven Bleche bestehen beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Außenschichten der Kompoundbleche.
[0016] Die Materialprobleme werden in hohem Maße reduziert, was darauf beruht, daß man eine metallische Verbindung zwischen den einzelnen Materialien erhält und es dann nicht so wichtig ist, daß der E-Modul und der Temperaturausdehnungskoeffizient innerhalb der genannten Grenzen liegen. Durch die homogene metallische Verbindung zwischen den einzelnen Materialien werden die Spannungen, die in den Grenzschichten bei Temperaturänderungen auftreten, in allen Richtungen der Grenzschichtebene gleich groß.
[0017] Die hier beschriebene Erfindung ist von der Form der Geber und der Anbringung der Erreger- bzw. Meßwicklungen am Blechkern vollkommen unabhängig, was bedeutet, daß die Erfindung an allen z.Zt. bekannten Gebern magnetoelastischer Art angewendet werden kann.
[0018] Obwohl die beiden Materialien in den Kompoundblechen hinsichtlich E-Modul und Temperaturausdehnungskoeffizient α relativ verschieden sind, liegt das fertige Blech mit seinen Eigenschaften als Einheit den Eigenschaften des passiven Füllmaterials sehr nahe. Dadurch können Kompoundblech und Füllmaterial ohne größere Probleme konventionell zusammengefügt werden.