DE69202939T2

DE69202939T2 - Lineare Messwertgeber für kleine Verschiebungen in magnetischen Kreisen und mit solchen Gebern ausgestattete Kugellager.

Info

Publication number: DE69202939T2
Application number: DE1992602939
Authority: DE
Inventors: Claire Blache; Guy Lemarquand
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 1991-08-26
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2012-08-25
Also published as: ES2073891T3; EP0530093B1; FR2680874B1; JPH05299240A; DE69202939D1; FR2680874A1; JP3105659B2; EP0530093A1

Description

Die Erfindung betrifft lineare Meßwertgeber mit magnetischen Kreisen für geringe Verschiebungen. Derartige Kreise sind geeignet, in einem Spalt ein Magnetfeld zu erzeugen, welches einen konstanten, erheblichen Gradienten entlang eines schmalen Bereiches autweist.
Die herkömmlichen linearen Meßwertgeber mit magnetischen Kreisen für geringe Verschiebungen weisen entweder einen geschlossenen oder einen offenen magnetischen Kreis auf. Die geschlossenen magnetischen Kreise sind mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen und mit wenigstens einem Magnetflußjoch, wobei die Anordnung derart ausgelegt ist, daß in einem relativ engen Spalt, der zwischen zwei entgegengesetzten, sich gegenüberliegenden Polen ausgebildet ist, eine relativ große lnduktion entsteht, deren Amplitude durch eine Sonde gemessen wird. Um dies zu erreichen werden für die hochenergetischen Magnete vorteilhafterweise verwendet: Samarium - Kobalt oder Neodym - Eisen - Bor. Die Meßsonde arbeitet üblicherweise mit dem Hall-Effekt oder der magnetischen Widerstandsanderung.
Das von der Meßsonde eines mit einem geschlossenen magnetischen Kreis versehenen Fühlers abgegebene Signal ist der Relativverschiebung direkt proportional entlang der Meßachse der Sonde und der Pole des magnetischen Kreises. Der Induktionsgradient hängt von der Gestalt und der Art des Magneten sowie vom Abstand zwischen den beiden Polen des magnetischen Kreises ab. Dadurch können zwei Arten von Ergebnissen erhalten werden: Ein Gradient von ungefähr 0,1 Tesla/mm für einen Bereich von einigen Millimetern oder ein Gradient von 1 Tesla/mm für einen Bereich von einigen zehn Millimetern, wobei der Meßbereich in beiden Fallen kleln bezüglich der Lange des Spaltes ist.
Die Empfindlichkeiten eines Fühlers zur Messung von Verschiebungen, der einen offenen magnetischen Kreis aufweist, in dem die positiven und negativen Pole benachbart sind, sind erheblich größer. Im folgenden werden zwei Beispiele von bekannten Fühlern dieser Art beschrieben.
Zum einen beschreibt die US-A-4.966.041 eine magnetische Anordnung zur Messung linearer Verschiebungen mit mittlerer Empfindlichkeit, d.h., daß sie eine Meßlinearitat aufweist, die sich über etwa ein Dutzend Millimetern erstreckt. Zu diesem Zweck weist der Fühler ein bewegliches Teil auf, das mit einem offenen magnetischen Kreis versehen ist, der aus zwei identischen Magneten besteht, die derart nebeneinander angeordnet sind, daß sie eine ebene Flache aufweisen, die zwei entgegengesetzte Pole enthält, welche durch eine Feldlinie Null voneinander getrennt sind. Die beiden Magnete sind in einer Haltung aus einem nichtmagnetischen Material angeordnet. Außerdem weist der Fühler ein feststehendes Teil auf, welches eine Meßsonde enthält, die aus zwei Hall-Effekt-Bauteilen besteht, die beidseits der Feldlinie Null angeordnet sind, wenn sich der Fühler in der Ruhestellung befindet.
Zum anderen beschreibt das französische Patent FR-A-2 506 066 Fühler zur Messung von Verschiebungen mit einem offenen magnetischen Kreis, zur Feststellung der Position eines beweglichen, drehbaren oder verschiebbaren Körpers. Die Anordnung erzeugt ein Signal mit variabler Amplitude zwischen zwei Extremwerten als Funktion der Momentanstellung des beweglichen Körpers bezüglich eines auf ein Magnetfeld reagierenden Bauteils. In einer der beiden Ausführungsformen weist der bewegliche Körper eine Folge von Bereichen auf, die mit abwechselnden entgegengesetzten Polaritäten versehen sind und die durch die Feldlinie Null voneinander getrennt sind. In einer derartigen Anordnung ist die Nutzinformation nicht die Momentanamplitude des Signals, sondern die Anzahl der Variationen zwischen den Amplituden-Extremwerten.
Werden Fühler für die Messung von Verschiebungen verwendet, die geschlossene magnetische Kreise aufweisen, so führt jede Erhöhung der Intensitat des Gradienten des Feldes entlang des linearen Meßbereichs zu einer Verringerung von dessen Länge. Die Erfahrung zeigt, daß mit derartigen Kreisen es unmöglich ist, den Wert des Gradienten im Spalt erheblich zu vergrößern, unter Beibehaltung des linearen Meßbereichs ausreichender Abmessung. Die Verbesserungen derartiger Bedingungen sind jedoch nötig bei der Konstruktion von linearen Fühlern für geringe Verschiebungen und für neuartige Anwendungen in der Industrie.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, lineare Meßwertgeber für geringe Verschiebungen mit sehr hoher Empfindlichkeit zu schaffen, welche mit neuartigen und verbesserten offenen magnetischen Kreisen versehen sind, die in der Lage sind, in einem Spalt einen konstanten Magnetfeldgradienten zu erzeugen mit erheblich größerer Intensität und Ausmaß als es bisher möglich war.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Anwendung eines derartigen neuen Meßwertgebers bei der Konstruktion von Kugellagern, deren feste bzw. bewegliche Teile axiale und/oder gradiale Mikroverschiebungen ausführen, deren Messung wichtig ist.
Der erfindungsgemaße lineare Meßwertgeber für kleine Verschiebungen und von hoher Empfindlichkeit weist einen offenen magnetischen Kreis auf sowie eine Feldmeßsonde, wobei der magnetische Kreis aus zwei im wesentlichen identischen, benachbarten, fest miteinander verbundenen Permanentmagneten besteht, wobei diese eine kontinuierliche Fläche bilden, auf der ein Nordpol und ein Südpol ausgebildet sind, die voneinander durch eine Feldlinie Null getrennt sind, die von der Sonde überlagert wird; er ist dadurch gekennzeichnet, daß
- die beiden Magnete miteinander über ein erstes Magnetflußjoch hoher magnetischer Permeabilität verbunden sind,
- ein zweites Magnetflußjoch gegenüber der kontinuierlichen Fläche angeordnet ist und
- der Raum zwischen dem zweiten Joch und der kontinuierlichen Fläche aus den Magneten einen Spalt geringer Dicke bezüglich seiner Breite und seiner Länge darstellt.
Aufgrund dieser Ausgestaltung weist das im Spalt erzeugte Magnetfeld einen erhöhten konstanten Gradienten beidseits der Feldlinie Null auf, wobei der Bereich der linearen Variation des Feldes relativ groß ist bezüglich der Dicke des Spaltes. Diese beiden Besonderheiten resultieren aus den Relativabmessungen des Spaltes einerseits und der neuartigen Anordnung der beiden Magnete andererseits.
Gemäß einer weiteren Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht das zweite Magnetflußjoch aus einem offenen magnetischen, dem ersten Kreis ähnlichen Kreis, wobei die Polrichtungen der Magnete umgekehrt sind und die beiden Verbindungslinien der Magnete einander gegenüberliegen.
Aufgrund dieser Ausgestaltung erhöht sich der Magnetfeldgradient um ungefähr 30 %.
Gemäß einer Besonderheit der Erfindung weisen die Magnete und die Magnetflußjoche des magnetischen Kreises die Form koaxialer Ringe auf, wobei die Dicke des Spaltes und die Polarisation der Magnete entweder axial oder radial ausgerichtet sind.
Aufgrund dieser Ausgestaltungen ist es möglich, lineare Meßwertgeber für geringe, beispielsweise axiale Verschiebungen (radialer Spalt) oder radiale Verschiebungen (axialer Spalt) zu schaffen zwischen zwei der sich drehenden Teile der Anordnung, beispielsweise eines Kugellagers.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen im einzelnen aus der nachfolgenden Beschreibung eines nicht begrenzend gemeinten Ausführungsbeispieles, im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines asyiumetrischen magnetischen Kreises mit rechtwinkligem Querschnitt;
Fig. 2 die Kurve der Variation des Magnetfeldes in dem Spalt des in Fig. 1 gezeigten Kreises;
Fig. 3 einen Querschnitt eines symmetrischen magnetischen Kreises mit rechtwinkligem Querschnitt;
Fig. 4 und 5 Querschnitte durch zwei asymmetrische bzw. symmetrische magnetische Kreise, welche Magnete mit dreieckigem Querschnitt verwenden;
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen doppelten magnetischen Kreis, welcher Magnete mit rechtwinkligem Querschnitt und solche mit dreieckigem Querschnitt verwendet;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Längsschnittes eines magnetischen Kreises, der Ringe mit axialer Polarisation enthält;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Längsschnittes eines magnetischen Kreises, der Ringe mit radialer Polarisation enthält;
Fig. 9 und 10 Schnitte durch Kugellager, die mit Meßwertfühlern für symmetrische Verschiebungen versehen sind, die axial bzw. radial empfindlich sind und die
Fig. 11 und 12 Schnitte durch Kugellager, welche mit Meßwertfühlern für asymmetrische Verschiebungen versehen sind, mit axialen bzw. radialen Empfindlichkeiten.
Figur 1 zeigt die vereinfachte perspektivische Ansicht eines asymmetrischen magnetischen Kreises 10 mit rechtwinkligen Querschnitten durch zwei parallelepipedförmige Permanentmagnete 12 und 14, deren schmale Flächen benachbart sind und deren breite Flächen 13,15 in Verlängerung zueinander angeordnet sind. Das Verhältnis der Abmessungen zwischen großer und kleiner Seite des Vierecks des Querschnitts der Magnete liegt in der Nähe von zwei. Die Längsabmessung der Magnete 12,14 ist wenigstens gleich der großen Seite des Rechtecks ihres Querschnitts. Die beiden Magnete 12,14 sind fest miteinander über ein erstes Magnetflußjoch 16 miteinander verbunden. Gegenüber den breiten Flächen der Magnete 12,14 ist ein zweites Magnetflußjoch 18 angeordnet, das zum ersten identisch ist. Die Polarisationsrichtungen 20,22 der Magnete sind einander entgegengesetzt und verlaufen senkrecht zu den breiten Flächen 13,15. Der enge Raum zwischen diesen breiten Flächen 13,15 und dem zweiten Joch 18 bildet einen Spalt 24, dessen Dicke gering bezüglich seiner Breite ist. Eine Feldlinie Null erscheint auf der Verbindungslinie 26 der Magnete 12,14. Nichtdargestellte Anordnungen (z.B. nichtmagnetische Keile) gewährleisten die Halterung des Jochs 14 gegenüber den Magneten 12,14, welche hochenergetisch sind und beispielsweise aus einer Neodym-Eisen- Bor-Keramik bestehen, wohingegen die Joche 16,18 aus einem weichen ferromagnetischen Material bestehen mit hoher Permeabilität, beispielsweise aus reinem Eisen.
Figur 2 zeigt die Kurve der Variationen des Magnetfeldes in einem Spalt 24, dessen Dicke 2 mm beträgt und dessen Breite 20 mm beträgt. In der Mitte des Spaltes 24, in Verlängerung der Verbindungslinie 26 der Magnete 12,14, wie es durch den Ursprung Null in Fig. 2 dargestellt ist, beträgt das Magnetfeld Null. In einem zentralen Bereich von 0,8 mm Gesamtbreite beidseits dieses Ursprungs variiert das Magnetfeld ungefähr linear von -L bis +L. In dem asymmetrischen magnetischen Kreis von Fig. 1 ist der Feldgradient (oder die Neigung der Geraden) gleich 0,85 J/d, wobei J der Wert der Remanenz des Magnetmaterials in Tesla ist und d der Wert der Dicke des Spaltes in Millimetern. Der Maximalwert von L (oder Grenzwert) ist gleich J.a/(a+d), wobei a die Dicke des Magneten und d die Dicke des Spaltes ist. Nachdem das Magnetfeld den positiven oder negativen Grenzwert entlang der Achse x des Spaltes erreicht hat, bleibt dieses im wesentlichen konstant, ausgehend von den positiven und negativen Abszissen bis zu einem Absolutwert von ungefähr 0,4 mm bis 9 mm. Im Bereich von 9 mm bis 10 mm fällt dieser Wert auf Null. Die Untersuchung dieser Kurve zeigt, daß eine erhebliche Verkleinerung des Verhältnisses zwischen Breite und Dicke des Spaltes akzeptierbar ist, daß jedoch zur Verhinderung der Verkleinerung des linearen Meßbereichs ein Sicherheitsbereich zu diesem Zweck vorzusehen ist, in dem das oben genannte Verhältnis nicht kleiner als fünf sein darf.
Als Beispiel sei genannt das mit zwei kleinen identischen hochenergetischen Magneten (J = 1,25T), wie sie mit 12 und 14 bezeichnet sind, und einem quadratischen Grundriß von 1 cm Seitenlänge und einer Dicke von 1/2 cm, wobei das zweite Magnetfeldjoch mit hoher Permeabilität einen Spalt von entweder 1 mm oder 2 mm bildet, der gemessene Magnetfeldgradient im linearen Bereich im ersten Fall bei 1 Tesla/mm über einen linearen Längsbereich von 0,4 mm im Spalt von 1 mm Dicke liegt, und im zweiten Fall bei 0,5 Tesla/mm in einem linearen Längsbereich von 0,8 mm in einem Spalt von 2 mm Dicke liegt. Dies liegt erheblich über den Werten sämtlicher bisher erzielbarer Resultate mit magnetischen Kreisen, welche die gleichen Abmessungen aufweisen.
Es sei weiter betont, daß das Magnetfeld insbesondere entlang einer Achse Y variiert, die senkrecht zu den Flächen 13,15 der Magnete verläuft, und daß es entlang der Achse Z, die senkrecht zu den Achsen X und Y verläuft, im wesentlichen konstant ist.
Die Variationen des Magnetfeldgradienten entlang der Achse Y stellen etwa 1,5% des Wertes des Feldgradienten pro Einheitsverschiebung der Sonde dar, entsprechend einem Prozent der Spaltdicke im zentralen Bereich dieser Dicke. Eine derartige Variation ermöglicht es mit Präzision und Stabilität die Meßsonde im Spalt zu befestigen.
Figur 3 zeigt in einem Querschnitt eines symmetrischen magnetischen Kreises 30 zwei Paar Magnete 12,14 und 12',14', die den entsprechenden Magnetflußjochen 16 und 16' zugeordnet sind. Die Feldlinien Null 26 und 26' eines jeden Magnetpaares liegen einander gegenüber. Der Spalt 24' hat die gleichen Abmessungen wie der Spalt 24 in Fig. 1. Das Resultat verdoppelt sich dabei: Eine Erhöhung von ungefähr 30% in der Intensität des Gradienten des Magnetfeldes im linearen Bereich beidseits der Ebene, welche die Feldlinien Null 26,26' verbindet, sowie eine Verringerung um ungefähr drei der Variationen des Feldgradienten entlang der Achse Y.
Figur 4 zeigt den Querschnitt eines asymmetrischen magnetischen Kreises 32 mit drei Magneten mit dreieckigen, gleichschenkligen, identischen Querschnitten 34,36,38, dergestalt, daß der Winkel zwischen der Grundlinie und jeder der gleichen Seiten ungefähr gleich 67,50 beträgt. Diese Magnete sind derart angeordnet&sub1; daß sie ein gleichschenkliges Trapez bilden, deren große Seite doppelt so lang ist wie die kleine. Die Polarisationsrichtungen 35,39 der Endmagnete 34,38 sind einander entgegengesetzt und liegen senkrecht zur großen Seite, wohingegen die Polarisationsrichtung 37 des mittleren Magneten 36 parallel zur kleinen Seite des Trapezes liegt, sowie in kontinuierlicher Flußrichtung mit den beiden anderen 34,38. Gegenüber der großen Seite des Trapezes ist ein Magnetflußjoch 40 derart angeordnet, daß ein Spalt 42 entsteht, in dem eine Feldlinie Null entlang der Verbindungslinie 41 der Magneten 34,38 besteht. Wenn Materialien gewählt werden, welche für die Magnete 34,36,38 bzw. das Joch 40 identisch mit denjenigen der Magnete 12,14 bzw. dem Joch 18 von Fig. 1 sind, und mit Abmessungen, die identisch für die Joche 40 und 18 sind, ist die erhaltene Intensität des Gradienten des magnetischen Feldes um 20% ungefähr größer als diejenige für den asymmetrischen magnetischen Kreis von Fig. 1, wobei die Länge des linearen Bereichs unverändert ist. Dieses verbesserte Resultat ist die Konsequenz der Anwesenheit des Zwischenmagneten 36 anstelle und statt eines Joches aus weichem Eisen 16.
Figur 5 zeigt den Querschnitt eines symmetrischen magnetischen Kreises 44 mit zwei Gruppen von drei Magneten 34,36,38 und 34',36',38', welche voneinander durch einen schmalen Spalt 42' getrennt sind, wobei die Richtungen der Polarisationen der Magnete durch die Pfeile 35,37,39 und 35',37' und 39' angegeben sind. Die Verbindungslinien der Magnete liegen einander gegenüber. Aufgrund dieser Anordnung ist die Intensität des Gradienten des magnetischen Feldes im linearen Bereich um 43% größer bezüglich derjenigen eines asymmetrischen magnetischen Kreises 10, wie er in Fig.1 dargestellt ist und um 16% größer bezüglich derjenigen des symmetrischen magnetischen Kreises 30 gemäß Fig. 3.
Figur 6 zeigt den Querschnitt eines doppelten magnetischen Kreises 46 mit zwei aktiven Unteranordnungen, die aus drei Magneten 34,36,38 für die eine und zwei Magneten 12' und 14' sowie ein Magnetflußjoch 16' für die andere bestehen. Die mit einer derartigen Anordnung erhaltenen Resultate liegen zwischen denjenigen, welche für die magnetischen Kreise 30 und 44 gemäß den Fig. 3 und 5 erhalten werden. In diesem Zusammenhang sei betont, daß die Formen der Querschnitte der Hauptmagnete 12,14 oder 34,38 und diejenigen der Joche 16,18,40 unterschiedlich sein können bezüglich derjenigen, welche dargestellt sind, und insbesondere gleichschenklige Trapeze sein können.
Figur 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längsschnittes eines symmetrischen ringförmigen magnetischen Kreises 50 mit einem sich in Axialrichtung erstreckenden Spalt 52. Er weist zwei Paar ringförmige Magnete 54,56 auf, welche durch ein kranzförmiges Joch miteinander verbunden sind, wobei ihre Querschnitte in Fig. 3 dargestellt sind. Dieser Kreis 50 weist eine radiale Empfindlichkeit auf.
Figur 8 zeige eine perspektivische Ansicht eines Längsschnittes eines symmetrischen ringförmigen magnetischen Kreises 60 mit einem sich in Radialrichtung erstreckenden Spalt 62. Er weist zwei Paar ringförmige Magnete 64,66 auf, welche durch ein kranzförmiges Joch miteinander verbunden sind, wobei ihre Querschnitte in Fig. 3 dargestellt sind. Dieser Kreis 60 weist eine axiale Empfindlichkeit auf.
Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch ein Kugellager 70, welches mit einem linearen Meßwertgeber 72 für geringe axiale Verschiebungen versehen ist. Das Kugellager 70 weist einen Innenring 74 auf, welcher fest mit einer Drehwelle 76 verbunden ist, einen ringförmigen Käfig 78, welcher die Kugeln 80 des Lagers aufnimmt sowie einen Außenring 82, der mit einer nicht dargestellten, feststehenden Halterung verbunden ist. Am Innenring 74 ist durch Klebung ein ringförmiger symmetrischer magnetischer Kreis mit radialen Polarisationen befestigt, die einander gegenüberliegen, ähnlich, wie es in Fig. 8 dargestellt ist und der einen doppelten inneren Ring 84,86 und einen doppelten äußeren Ring 85,87 aufweist. Bezüglich des Querschnittes des magnetischen Kreises von Fig. 8 sei zuerst festgestellt, daß der innere doppelte Ring 84,86 kein Magnetflußjoch aufweist: dieses Bauteil wird weggelassen um Platz zu sparen und durch den Innenring 74 des Lagers 70 ersetzt, welcher aus einem Stahl mit hoher magnetischer Permeabilität besteht. Die beiden Ringpaare 84,86 und 85,87 sind fest miteinander über einen Kranz 88 aus einem nicht magnetischen Material derart verbunden, daß ein ringförmiger Spalt 90 entsteht, der sich in Radialrichtung erstreckt. Am Außenring 82 des Kugellagers 70 ist die Halterung 92 einer Meßsonde 94 befestigt, welche zwischen den Ringen 84,86 und 85,87 in der Mitte des Spaltes 90 angeordnet ist. Der Querschnitt der Halterung 92 weist die Form eines F auf. Die Meßsonde 94 ist über ein Verbindungskabel 96 mit einer nicht dargestellten Verarbeitungsschaltung verbunden. Aufgrund des erhöhten Gradienten des Magnetfeldes, welcher im ringförmigen Spalt 90 erzeugt wird, wenn sich die Welle 76 dreht, erzeugt die Meßsonde 94 (welche aus einem Hall-Element bestehen kann, wie es von der Fa. Siemens unter der Bezeichnung KSY14 vertrieben wird) ein relativ großes Analogsignal, welches die geringen axialen Relativverschiebungen (in der Größenordnung von 10 bis 100 Mikron in der Amplitude) der Ringe 74 und 82 des Lagers 70 darstellt. Derartige Verschiebungen sind die Folge von elastischen Verformungen, welche die Ringe 74 und 82 sowie die Kugeln 80 unter der Einwirkung von Axialkräften auf die Welle 76 und/oder die (nicht dargestellte) Halterung des Außenringes 82 des Lagers erleiden.
Figur 10 zeigt einen Querschnitt durch ein Kugellager 100, welches mit einem linearen Meßwertgeber 102 für geringe radiale Verschiebungen versehen ist. Das Kugellager 10 weist einen Innenring 104 auf, der fest an einer Drehwelle 106 befestigt ist, einen ringförmigen Käfig 108 zur Aufnahme der Kugeln 110 des Lagers und einen Außenring 112, der fest mit einer nicht dargestellten Halterung verbunden ist. Am Innenring 104 ist durch Klebung eine Zwischenplatte 114 aus einem nicht magnetischen Material befestigt, an der wiederum durch Klebung zwei Paar ringförmiger Magnete befestigt sind, deren axiale Polarisationen 116,117 und 118,119 zueinander entgegengesetzt sind und die mit entsprechenden kranzförmigen Magnetflußjochen 115 und 121 verbunden sind, ähnlich den Ringen 54 und 56 in Fig. 7, und die durch einen sich in axialer Richtung erstreckenden Spalt 120 voneinander getrennt sind. Am Außenring 112 des Lagers 100 ist die Halterung 123 mit einem T-förmigen Querschnitt für eine Meßsonde 122 befestigt, welche zwischen den zwei Ringpaaren 116,117 und 118,119 in der Mitte des Spaltes 120 angeordnet ist. Die Meßsonde 122 ist über ein Verbindungskabel 124 mit einer nicht dargestellten Verarbeitungsschaltung verbunden. Aufgrund der großen Empfindlichkeit dieser Anordnung erzeugt bei drehender Welle 108 die Meßsonde 122 ein relativ großes Analogsignal, welches die geringen radialen Relativverschiebungen (10 bis 100 Mikron in der Amplitude) die Ringe 104 und 112 des Lagers 110 darstellt, welche aus den Radialkräften resultieren, denen die Welle 106 und/oder die (nicht dargestellte) Halterung des Außenringes 112 des Lagers ausgesetzt sind.
Figur 11 zeigt ein Kugellager 130, welches mit einem linearen Meßwertgeber 132 für geringe axiale Verschiebungen versehen ist, welcher einen asymmetrischen ringförmigen magnetischen Kreis aufweist. Das Lager 130 weist einen Innenring 134 auf, der fest mit einer Drehwelle 136 verbunden ist, einen ringförmigen Käfig 138 zur Aufnahme der Kugeln 140 des Lagers und einen Außenring 142, der fest mit einer nicht dargestellten Halterung verbunden ist. Am Innenring 134, welcher aus einem Stahl mit hoher Permeabilität besteht, sind zwei benachbarte Ringe der gleichen Gestalt 144,146 angeklebt, welche radial in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind, wobei der Innenring 134 die Rolle des ersten Magnetflußjoches 16 von Fig. 1 übernimmt. Am Außenring 142 ist eine Halterung 148 aus einem nicht magnetischen Material mit praktisch quadratischem Querschnitt befestigt, in dem ein kleiner Block 150 in Form eines Kranzes (oder mit kranzförmigem Querschnitt) eingelassen ist, der aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität besteht, sowie eine Meßsonde 152. Die Querabmessung des Blocks 150 ist gleich derjenigen des doppelten Ringes 144,146.
Der konstante Abstand zwischen dem Block 150 und den Ringen 144,146 bildet einen Spalt 154. Der Block 150 mit der hohen magnetischen Permeabilität bildet ein Äquivalent für das zweite Magnetflußjoch 18 des asymmetrischen magnetischen Kreises 10 von Fig. 1.
Vergleicht man den linearen Meßwertfühler 72 mit axialer Meßempfindlichkeit von Fig. 9 mit dem Meßwertgeber 132 von Fig. 11 unter der Annahme, daß die Paare ringförmiger Magnete 144,146 und 84,86 identisch sind, ebenso wie die Spalte 154 und 90 sowie die Meßsonden 152 und 94, so sieht man im Zusammenhang mit den obigen Ausführungen, daß die Empfindlichkeit des Meßwertgebers 132 um etwa 30% geringer ist als diejenige des Meßwertgebers 72. Eine derartige verringerte Empfindlichkeit wird jedoch durch eine erhebliche Vereinfachung im Aufbau und eine größere Robustheit des Meßwertgebers 132 bezüglich des Meßwertgebers 72 kompensiert.
Figur 12 zeigt ein Kugellager 160, welches mit einem linearen Meßwertgeber 162 für geringe radiale Verschiebungen versehen ist und der einen asymmetrischen ringförmigen magnetischen Kreis aufweist. Das Lager 160 weist eineninnenring 164 auf, der fest mit einer Drehwelle 166 verbunden ist, einen ringförmigen Käfig 168 zur Aufnahme der Kugel 170 des Lagers und einen Außenring 172, der fest mit einer nicht dargestellten Halterung verbunden ist. Der Innenring 164 besteht vorteilhafterweise aus Stahl mit geringer magnetischer Permeabilität, wobei an diesem Ring 164 durch Klebung eine Zwischenplatte 174 aus nicht magnetischem Material befestigt ist, an welcher wiederum zwei ringförmige, benachbarte Magnete 176,177 mit entgegengesetzten axialen Polarisationsrichtungen angeklebt sind, wobei die Anordnung fest durch ein ebenes, plattenförmiges Magnetflußjoch 178 zusammengehalten wird und die Gesamtanordnung ähnlich dem Ringpaar 54 von Fig. 7 ist. Am Außenring 172 ist eine Halterung 180 aus nicht magnetischem Material angeklebt, in welche ein kleiner Block 182 in Form einer Platte oder mit plattenförmigem Querschnitt eingelassen ist, der aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität besteht und an den eine Meßsonde 184 angeklebt ist. Die Querabmessung des Blocks 182 ist gleich derjenigen des Paares ringförmiger Magnete 176,177. Der konstante Abstand zwischen dem Block 182 und dem Abschnitt der ringförmigen Magnete 176,177, welcher zu einem gegebenen Zeitpunkt diesem gegenüberliegt, bildet einen Spalt 186, in dessen Mitte die Meßsonde 184 angeordnet ist. Der Block 182 stellt das zweite Magnetflußjoch des offenen magnetischen Kreises dar, bestehend aus den beiden Magneten 176,177 und der Platte 178. Alle oben gemachten Ausführungen für die Meßwertgeber 72 und 132 für die axialen Verschiebungen gelten mutatis mutandis auch für die Meßwertgeber 102 und 162 für die radialen Verschiebungen gemäß den Figuren 10 und 12.
Die Erfindung ist nicht auf die einzige dargestellte Anwendung beschränkt, d.h., auf die Messung von axialen und/oder radialen Mikroverschiebungen der Ringe von Kugellagern. Sie eignet sich auch zur Messung sämtlicher anderer Mikroverschiebungen und insbesondere solcher, welche in Membran-Druckfühlern, Lastfühlern, Beschleunigungsmessern oder Gyrometern auftreten.
Auch die erfindungsgemäß ausgestalteten magnetischen Kreise fallen selbstverständlich in den Schutzbereich, sofern sie zur Konstruktion von beliebigen linearen Meßwertgebern zur Messung von Mikroverschiebungen geeignet sind.
Auch die rechtwinklige Gestalt der Querschnitte der ringförmigen Magnete der Figuren 7 bis 12 ist nicht als Einschränkung dargestellt, wobei auch die in den Figuren 4,5 und 6 dargestellten dreieckigen Querschnitte jederzeit einsetzbar sind.

Claims

1. Linearer Meßwertgeber (72-102) für kleine Verschiebungen, die zwischen zwei Teilen einer Anordnung auftreten, welche mit einem offenen magnetischen Kreis (10-32) bzw. einer Feldmeßsonde (94-122) verbunden sind, wobei der magnetische Kreis zwei im wesentlichen identische, benachbarte, fest miteinander verbundene Permanentmagnete (12-14 oder 34-38) derart aufweist, daß sie eine kontinuierliche Fläche bilden, auf der ein Nordpol (20 oder 35) und ein Südpol (22 oder 39) ausgebildet sind, die voneinander durch eine Feldlinie Null (26 oder 41) getrennt sind, die von der Sonde überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die beiden Magnete (12-14 oder 34-38) miteinander über ein erstes Magnetflußjoch (16 oder 34) hoher magnetischer Permeabilität verbunden sind;

- ein zweites Magnetflußjoch (18 oder 40) gegenüber der kontinuierlichen Fläche aus den Magneten (12-14 oder 34-38) angeordnet ist;

- der Raum zwischen dem zweiten Joch (18 oder 40) und der kontinuierlichen Fläche aus den Magneten einen Spalt (24 oder 42) geringer Dicke bezüglich seiner Breite und seiner Länge darstellt.

2. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis der Querschnitte der Magneten (24-38) aus gleichschenkligen Dreiecken besteht, und daß das erste Magnetflußjoch ein dritter Magnet (37) ist, dessen Grundlinie parallel zu denjenigen der beiden anderen verläuft und dessen Feldrichtung (37) parallel zu seiner Grundlinie ausgerichtet ist, um einen kontinuierlichen Fluß mit den anderen (35-39) zu gewährleisten.

3. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Magnetflußjoch durch einen anderen offenen magnetischen Kreis (12'-14'-16' oder 34'-36'-38') gebildet wird, welcher dem vorhergehenden (12-14-16 oder 34-36-38) ähnlich ist, wobei die Polrichtungen der Magnete umgekehrt sind, und die beiden Verbindungslinien (26-26') der Magnete einander gegenüberliegen.

4. Meßwertgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete und die Magnetflußjoche koaxiale Ringe (54-56 oder 64-66) sind, wobei die Magnete entweder radial oder axial magnetisiert sind.

5. Kugellager (70) mit einem Innenring (74), einem ringförmigen Käfig (78), Kugeln (80), einem Außenring (82), wobei sich einer der Ringe dreht und der andere drehfest ist, und mit einem Meßwertgeber (72) zur Messung der axialen Relativverschiebungen der beiden Ringe, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (72) ein magnetischer Meßwertgeber nach dem Anspruch 3 ist und aufweist:

- ein erstes Paar ringförmiger, im wesentlichen identischer Magnete (84-86) mit radialen, entgegengesetzten Magnetisierungen, wobei diese Magnete einander benachbart sind und fest im sich drehenden Ring (74) angeordnet sind, welcher eine hohe magnetische Permeabilität besitzt;

- ein zweites Paar ringförmmiger, im wesentlichen identischer Magnete (85-87) mit radialen, einander entgegengesetzten Magnetisierungen, wobei diese Magnete benachbart sind und fest in einem ringförmigen Magnetflußjoch derart angeordnet sind, daß sie entgegengesetzte Pole aufweisen sowie eine Verbindungslinie, die gegenüber derjenigen des ersten Paares Magnete liegt;

- eine ringförmige Halterung aus einem nicht magnetischen Material, die so ausgestaltet ist, daß sie einen Spalt (90) konstanter Dicke aufweist, die klein gegenüber den beiden anderen Abmessungen ist und zwischen den Flächen der beiden Magnetpaare (84-86 und 85-87) ausgebildet ist; - eine Meßsonde (94), die in der Mitte des Spaltes (90) in Verlängerung der Verbindungslinien der Magnete eines jeden Paares angeordnet ist, wobei die Sonde fest mit einer Halterung (92) aus einem nicht magnetischen Material verbunden ist, welche mit dem feststehenden Ring (82) des Lagers verbunden ist.

6. Kugellager (100) mit einem Innenring (104), einem ringförmigen Käfig (108), Kugeln (110), einem Außenring (112), wobei einer der beiden Ringe sich dreht und der andere drehfest ist, und mit einem Meßwertgeber (102), zur Messung der radialen Relativverschiebungen der beiden Ringe, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (102) gemäß dem Anspruch 3 magnetisch ist und aufweist:

- zwei im wesentlichen identische, ringförmige Magnetpaare (116-117 und 118-119), mit axial ausgerichteten, entgegengesetzten Magnetisierungen, wobei die Magnete eines Paares benachbart und fest miteinander verbunden sind, mittels eines Magnetflußjoches (115-121), aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität in Form einer ebenen Platte, wobei die beiden Paare fest an einer dazwischen angeordneten Platte (114) aus nicht magnetischem Material befestigt sind, welche an dem sich drehenden Ring (104) befestigt ist, und wobei die ringförmigen Magnetpaare einander gegenüberliegen, wobei die Verbindungslinien der Magnete der beiden Paare einander gegenüberliegen unter Ausbildung eines Spaltes (120) konstanter Dicke, welche klein ist gegenüber den beiden anderen Abmessungen, und der zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen der beiden ringförmigen Magnetpaare (116-117 und 118-119) ausgebildet ist;

- eine Meßsonde (122) in der Mitte des Spaltes (120) in Verlängerung der Verbindungslinien der Magnete eines jeden Paares, wobei die Sonde fest mit einer Halterung (123) aus einem nicht magnetischen Material verbunden ist, welche am feststehenden Ring (112) des Lagers befestigt ist.

7. Kugellager (130) mit einem Innenring (134), einem Käfig (138), Kugeln (140), einem Außenring (142), wobei einer der Ringe feststeht und der andere sich dreht, und mit einem Meßwertgeber (132) zur Messung der axialen Relativverschiebungen der beiden Ringe, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (132) magnetisch ist gemäß dem Anspruch 1 und aufweist:

- ein Paar im wesentlichen identischer, ringförmiger Magnete (144-146) mit radial ausgerichteten, entgegengesetzten Magnetisierungen, die zueinander benachbart und fest am sich drehenden Ring (136) angeordnet sind, welcher eine hohe magnetische Permeabilität aufweist, und das erste Magnetflußjoch darstellt;

- eine Halterung (148) aus nicht magnetischem Material, welche am feststehenden Ring (142) befestigt ist;

- ein zweites Magnetflußjoch, bestehend aus einem Block (150) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität in Form einer Platte oder eines Plattenabschnitts, mit einer axialen Breite des Querschnitts, die im wesentlichen gleich derjenigen des Magnetpaars ist, wobei der Block (150) dergestalt bezüglich desjenigen Abschnitts der ringförmigen Magnete (144-146), der ihm gegenüberliegt, angeordnet ist, daß ein Spalt (154) mit im wesentlichen konstanter Dicke ausgebildet ist, welche klein gegenüber ihrer Breite ist;

- eine Meßsonde (152) für das Magnetfeld, welche mit dem Block (150) an der Halterung (148) derart angeklebt ist, daß sie im wesentlichen in der Mitte des Spaltes (154) angeordnet ist.

8. Kugellager (160) mit einem Innenring (164), einem ringförmigen Käfig (168), Kugeln (170) einem Außenring (172), wobei einer der Ringe drehfest ist und der andere sich dreht, und mit einem Meßwertgeber (162), zur Messung der radialen Relativverschiebungen dieser beiden Ringe, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (172) magnetisch ist gemäß dem Anspruch 1 und aufweist:

- ein Paar ringförmiger Magnete (176-177) mit axial ausgerichteten, entgegengesetzten Magnetisierungen, wobei die Magnete zueinander benachbart und fest miteinander verbunden sind mittels eines ersten Magnetflußjoches in Form einer ebenen Platte (178) aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität und mit einer Zwischenplatte (174) aus einem nicht magnetischen Material verklebt sind, welche mit dem sich drehenden Ring (164) verbunden ist:

- eine Halterung (180) aus einem nicht magnetischen Material, welche am feststehenden Ring (172) befestigt ist;

- ein zweites Magnetflußjoch, bestehend aus einem Block (182), dessen Form einem Plattenabschnitt entspricht, der die gleiche radiale Abmessung wie das Magnetpaar aufweist, wobei der Block (182) aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität besteht, und im Klemmsitz in der Halterung (180) derart sitzt, daß ein Spalt (186) mit im wesentlichen konstanter Dicke ausgebildet wird, welche klein gegenüber ihren anderen Abmessungen ist, und zwar zwischen dem Block (182) und demjenigen Abschnitt der ringförmigen Magnete (176-177), der ihm zu einem gegebenen Zeitpunkt gegenüberliegt;

- eine Meßsonde (184) für das Magnetfeld, welche am Block (182) an der Halterung (180) angeklebt ist, um so im wesentlichen in der Mitte des Spaltes (186) angeordnet zu sein.