EP2946174A1 - Spulenanordnung mit zwei spulen - Google Patents
Spulenanordnung mit zwei spulenInfo
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- EP2946174A1 EP2946174A1 EP13814498.5A EP13814498A EP2946174A1 EP 2946174 A1 EP2946174 A1 EP 2946174A1 EP 13814498 A EP13814498 A EP 13814498A EP 2946174 A1 EP2946174 A1 EP 2946174A1
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- EP
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- coil
- coils
- longitudinal direction
- position sensor
- winding
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- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
- G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H—ELECTRICITY
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- Y10T29/4902—Electromagnet, transformer or inductor
- Y10T29/49073—Electromagnet, transformer or inductor by assembling coil and core
Definitions
- the invention relates to a coil arrangement having a first coil and a second coil, which are electrically connected to one another and are arranged substantially coaxially to each other, wherein the first coil has a winding density increasing in the longitudinal direction of the coil arrangement. Furthermore, the invention relates to a position sensor, as well as to a manufacturing method of the coil arrangement.
- non-contact linear position sensors are known.
- the main representatives use magnetic fields for sensing. These include sensors that use the Hall effect or the law of induction.
- the latter in turn, can be divided into two groups according to their mode of action. Common to both is an arrangement of coil and donor element, which must be electrically conductive in the first group and in the second group must be a soft magnetic material.
- the first group uses the induction to build up an opposing field in an electrically conductive material which attenuates the excitation field.
- the encoder element is used to change the degree of damping proportionally to the path.
- the energy needed to sustain the excitation field can be used as a measure.
- the path-giving element does not enter the coil.
- the second group differs from this in that the magnetic field in the coil is directly influenced by the soft-magnetic sensor element.
- the inductance of the coil is measured, whereby there are different methods.
- position sensing relies on the utilization of the relative permeability of soft magnetic iron and the associated fact that the inductance of a coil is proportional to the relative permeability of the spool core.
- the coil core is used as an element giving away, which leads to a change in the inductance and thus to a path proportional to the measured variable. For this simple linear coils are used or simple coils in several chambers to influence the sensitivity.
- LVDT Linear Variable Differential Transformer
- PLCD Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement
- a primary coil and two secondary coils are used, these being arranged along the path to be sensed.
- the long primary coil sits midway between the short secondary coils at both ends of the sensor. All three coils sit on a soft magnetic rod, which is arranged parallel to the measuring path.
- a magnet which serves as a donor element, the field distribution of the primary to the secondary coils can be influenced.
- a disadvantage of these known sensors is that they are constructed very expensive.
- the position sensor described in the document DE 38 01 779 C2 or the coil assembly underlying the sensor is simple and essentially requires only two coaxial coil, with a movable magnetically conductive element inside the coil. In this case, one of the coils has a variable winding density in the longitudinal direction.
- the object of the invention is therefore to provide a coil arrangement by means of which a high-precision position sensor can be realized.
- the object is achieved by a coil arrangement with the features of claim 1 and by a position sensor having the features of claim 9 and by a manufacturing method having the features of claim 12. Particularly preferred embodiments thereof are the respective dependent claims.
- the invention relates to a coil assembly, in particular for a position sensor.
- the coil arrangement has a first coil and an ne second coil, which are electrically connected to each other and which are arranged substantially coaxially to each other, wherein the first coil has an increasing in the longitudinal direction of the coil assembly winding density.
- the second coil has a winding density decreasing in the longitudinal direction of the coil arrangement.
- the winding density of the first winding increases in the longitudinal direction of the coil assembly, while at the same time the winding density of the second winding decreases in this longitudinal direction.
- the winding densities of the coils thus develop in opposite directions along the coil longitudinal direction.
- the second coil no longer serves only as a reference coil for the first coil, but now also the inductance of the second coil is dependent on the position of a magnetically conductive donor element when the coil assembly is used in a position sensor with such a donor element.
- the winding density is in particular the number of windings per unit length in the longitudinal direction of the coil arrangement.
- a change in the winding density is caused by an increase or decrease in the radial number of winding layers.
- the fill factor of the coils in the longitudinal direction of the coil assembly remains constant, whereby a constant good measurement resolution of the position sensor or the coil assembly is effected in the longitudinal direction.
- the coils are each wound in particular orthocyclic, which also a particularly good filling factor can be achieved.
- the coils particularly preferably have an opposite sense of winding. They thus build up a mutually influencing magnetic field when electrical current is applied.
- the distribution of the electrical voltage within the coil arrangement during electrical energization of the same is dependent on the ohmic and inductive portion of the coils.
- a coil-associated, magnetically conductive donor element thereby significantly influences the inductance of the individual coils, wherein this influence is dependent on the position of the gerber element due to the changing winding density along the coil longitudinal direction.
- the winding density of the first coil in the longitudinal direction of the coil arrangement increases substantially as the winding density of the second coil decreases.
- the winding density of the first and second coil changes linearly.
- the linear change may in this case only be present within a longitudinal section of the coil arrangement in the longitudinal direction or extend over the entire length of the coil arrangement in the longitudinal direction.
- the inductance depends essentially linearly on the position of a magnetically conductive transmitter element with respect to the coil arrangement, whereby the inductance of the coil arrangement can then be used to close the position of the transmitter element with respect to the coil arrangement in a particularly simple manner.
- the winding density of the first and second coil changes in sections by leaps and bounds.
- the coil arrangement has at least two longitudinal sections in the coil longitudinal direction, which have different winding densities at the directly adjoining sides.
- the inductance of the coil arrangement changes abruptly when a magnetically conductive donor element is moved relative to the coil arrangement from one of the longitudinal sections into the other of the longitudinal sections. This sudden change in the inductance is very clearly detected, whereby the position of the donor element when passing the density change, ie the transition between the longitudinal sections, very clearly and accurately determined is.
- one or more reference points along the coil longitudinal direction can be marked by one or more transitions between two directly consecutive longitudinal sections, having different winding densities.
- several or a plurality of longitudinal sections may be provided with mutually different winding densities, which cause an incremental change in the winding density in the coil longitudinal direction.
- the position of the magnetically conductive donor element with respect to the coil arrangement is clearly recognizable incrementally. The more such lengths are present, the more accurate the position of the donor element in the longitudinal direction can then be determined incrementally.
- the winding density of the first and second coil changes in a first longitudinal section of the coil arrangement, wherein this change is in particular linear.
- the winding density of the first and second coils is constant.
- the winding density of the first and second coils changes, and this change is also particularly linear. This results in a high measuring sensitivity and easy evaluability of the coil arrangement in the first and third longitudinal section, while a relatively low measuring sensitivity is effected in the second longitudinal section. In particular, this is a section of length within which no accurate measurement is required.
- Such a design of the coil arrangement can also be used to linearize the sensor characteristic curve when using the coil arrangement in a position sensor.
- the two coils are electrically connected in series directly one behind the other, with a Meßabgriff between the coils.
- the structure of the coil assembly is particularly simple.
- the coils in this case form a voltage divider.
- the two coils are each electrically connected in series with a comparison resistor, wherein each of the coils forms a branch of a Wheatstone measuring bridge circuit together with the comparison resistor connected in series.
- a measuring tap is provided between each of the coils and the comparison resistor connected in series with the coil.
- the two coils are thus electrically connected in parallel with each other, wherein each of the coils is electrically connected in series with the respective comparison resistor.
- a magnetically conductive housing is provided, for example made of a ferromagnetic material, within which the coils are arranged, for magnetically influencing the magnetic flux within the coil arrangement.
- the position sensor according to the invention has a coil arrangement according to the invention as described above, as well as a magnetically conductive transmitter element, which is arranged to be movable along the longitudinal direction of the coil arrangement as a position sensor.
- the transmitter element can thus be arranged either movably in an interior of the coil arrangement along the coil longitudinal direction, in particular coaxially to the coil arrangement, or alternatively movably arranged around an exterior of the coil arrangement along the coil longitudinal direction, in particular coaxially with the coil arrangement, thus enclosing the coil arrangement in an annular manner.
- the position sensor can also be used as an actuator and thus can be referred to as such alternative.
- This force can be tapped on the encoder element and can be manipulated of devices, such as switching elements of a vehicle transmission or valves, are used.
- the generated force can be increased and influenced by providing a magnet yoke.
- the shape of the magnetic yoke can be such that the position sensor forms a so-called proportional magnet.
- the coil arrangement is designed in the longitudinal direction at least circular segment-shaped, wherein the encoder element is at least circular segment-shaped movable as angular position encoder along the longitudinal direction of the coil assembly, so that the position sensor forms an angular position sensor.
- the coil assembly is straight in the longitudinal direction, wherein the encoder element is linearly movable as a linear position encoder along the longitudinal direction of the coil assembly, so that the position sensor forms a linear position sensor.
- the coil arrangement is particularly preferably first energized with one or more voltage jumps. Subsequently, the step response of the coil arrangement (current and / or voltage curve) is evaluated and finally determines the position of the encoder element.
- the step response of the coil arrangement is dependent on the position of the encoder element, since this affects the inductance of both coils. Since, in the embodiment of the coil arrangement according to the invention, both coils have a winding density which varies in opposite directions, the step response changes particularly strongly as a function of the position of the transmitter element, as a result of which the position of the transmitter element with respect to the coil arrangement can be evaluated particularly accurately.
- the method disclosed in DE DE 1 0200501 8012 A1 and DE 102008043340 A1 and DE 1 0201 1 083007 A1 have proved the Applicant.
- the manufacturing method according to the invention for the above-mentioned coil arrangement according to the invention is characterized by a first manufacturing step, in which the first radially inner coil is wound, and by a second manufacturing step, in which the second, radially outer coil is wound, and by a third manufacturing step, wherein the first coil is electrically connected to the second coil.
- the manufacturing steps are preferably carried out in this time staggering. This production method results in a particularly simple and cost-effective production of the coil arrangement.
- the winding of the second coil preferably takes place in such a way that the mutually opposite ends of the winding layers of the first and second coils lie directly against one another.
- voids in the coil assembly are avoided and the fill factor of the entire coil assembly is optimized.
- Fig. 1 a first preferred embodiment of the coil assembly
- Fig. 2 a second preferred embodiment of the coil assembly
- Fig. 3 a third preferred embodiment of the coil assembly
- Fig. 4 a preferred embodiment of the coil assembly with a
- FIG. 5 shows a first preferred electrical connection of the coil arrangement
- Fig. 6 a second preferred electrical interconnection of the coil assembly
- Fig. 7a-c preferred driving method of the coil assembly
- Fig. 8a-c preferred manufacturing steps for producing a coil assembly.
- each show a coil arrangement with a first coil 1 and a second coil 2 in a longitudinal section along the coil longitudinal direction X.
- a lower half of the coils 1, 2 is not shown for the sake of clarity.
- the coil longitudinal direction X preferably simultaneously forms an axis of symmetry of the coil arrangement.
- the coils 1, 2 thus form a common hollow cylinder around the coil longitudinal direction X.
- the first coil 1 forms a radially inner coil
- the second coil 2 forms a radially externa ßere coil.
- the coils 1, 2 are thus arranged substantially coaxially to the coil longitudinal direction X into each other.
- the individual windings of the coil 2 are shown by way of example. They are orthogonal to the plane of the figures. As shown, the windings of the coils 1, 2 are preferably arranged orthocyclically with respect to one another in order to maximize the fill factor of the coils 1, 2. It can also be seen that the coils 1, 2 consist of several radial layers of windings. The steps for preferred manufacture of the coil assembly are shown in Figures 8a-c and the associated description.
- a coil 1, 2 associated magnetic conducting element is indicated by the reference numeral 3.
- the encoder element 3 is designed to be movable along the coil longitudinal direction X. Since it is designed to be magnetically conductive, it influences the inductance of the two coils 1, 2.
- the tanning element 3 is made, for example, of soft or other ferromagnetic material. Together with the coil arrangement thus results in a position sensor, by means of which a position of the encoder element 3 with respect to the coil assembly, in particular a position along the coil longitudinal direction X, can be determined.
- the transmitter element 3 is arranged in an inner space of the coils 1, 2 substantially coaxially with these. Alternatively, it may be arranged annularly around an outer surface of the coils 1, 2 substantially coaxially therewith.
- the first coil 1 has an increasing coil in the longitudinal direction X winding density (seen from left to right).
- the second coil 2 has a winding density decreasing in the coil longitudinal direction X in this coil longitudinal direction X (seen from left to right).
- the number of windings per unit length in the coil longitudinal direction X is to be understood as the winding density. hen.
- the winding densities of the coils 1, 2 change in opposite directions along the coil longitudinal axis X.
- a winding density (windings per coil volume) related to the coil volume can therefore remain constant in the coil longitudinal direction X, which can be seen from the windings of the second coil 2 shown by way of example.
- the overall winding density of the coil arrangement - ie both coils 1, 2 together - (windings per unit length in the coil longitudinal direction X) remain constant by the coils 1, 2 are wound so that the winding density of the first coil 1 in the coil longitudinal direction X increases as the winding density of the second coil 2 decreases.
- the winding density of the first and second coils 1, 2 changes linearly in the coil longitudinal direction X.
- the inductance of the first and second coils 1, 2 changes substantially in proportion to the position of the transmitter element 3 along the Coil longitudinal direction X. This allows a simple evaluation of the position.
- the first coil 1 in this case has a substantially conical outer surface, while the second coil 2 has a substantially conical inner surface, which bears directly against the conical outer surface of the second coil 2.
- the winding density of the first and second coils 1, 2 changes abruptly.
- the coils 1, 2 each have different longitudinal sections 4 (in FIG. 2 in each case a total of 4 longitudinal sections), within which the winding density in the coil longitudinal direction X remains constant.
- Each longitudinal section 4 has a different winding density compared to the directly adjacent longitudinal section 4. If the transmitter element 3 passes through a transition Ü from one longitudinal section to a directly adjoining another longitudinal section 4, the inductance of the coils 1, 2 suddenly changes, which is easily and clearly ascertainable. Thus, it can be very robust to determine at which transition Ü of the longitudinal sections 4, the donor element 3 is currently.
- a sudden change in the winding density in the coil longitudinal direction X can also serve to represent reference points.
- a sudden change in the winding density in the axial center of the coils 1, 2 may be provided to mark a center position of the donor element 3 and to make the achievement of this center position easily detectable. This means that defined end positions or other defined reference positions can be created as desired.
- the coils 1, 2 each have three longitudinal sections 4a, 4b, 4c, wherein the winding density in the first and third longitudinal section 4a, 4c changes linearly, while it remains constant in the second longitudinal section 4b.
- the winding density is the same in each case.
- the winding density at the transition Ü does not change abruptly in the case shown.
- the winding density at one or more of the transitions Ü changes abruptly.
- the inductance in the second longitudinal section 4b is constant, the inductance barely changes when the transmitter element 3 is moved within the second longitudinal section 4b; the detection of the position of the transmitter element 3 in this longitudinal section 4b is correspondingly more difficult.
- a linearization of the sensor characteristic is possible. This means that the inductance of the coil arrangement of the position sensor is linearly dependent on the position of the transmitter element 3 with respect to the coil arrangement along the coil longitudinal direction X.
- the coil arrangement according to FIG. 4 has a coil housing 5 which is magnetically conductive. As a result, the magnetic flux in the interior of the coil arrangement in the region of the encoder element 3 is significantly improved.
- the coils 1, 2 in Fig. 4 correspond to those from Fig. 1.
- the housing 5 can of course be used in any type of coil arrangement according to the invention, as for example in the embodiments of FIG. 2 or 3.
- the housing 5 can also be designed specifically as a magnetic yoke.
- a force generated by the magnetic field of the coils 1, 2 force can be amplified or caused on the donor element 3, when the coil assembly is electrically energized accordingly.
- the position sensor formed from the coil assembly and the encoder element 3 can then serve as an actuator by the magnetic force acting on the donor element 3 is used for actuating a device, such as a valve or affygetriebeschalt- element.
- the two coils 1, 2 are connected electrically in series directly one behind the other, wherein a measuring tap 6, that is to say an electrical measuring connection, is provided between the coils.
- the series-connected coils 1, 2 are in this case connected between two electrical potentials, in detail a voltage source Ub and a ground or ground Gnd.
- One of the coils 1, 2 is thus located between the measuring tap 6 and the voltage source Ub and the other of the coils 1, 2 is located between the measuring tap 6 and the ground or ground Gnd.
- An electric current flowing through the coils 1, 2 is indicated by i.
- the coil arrangement forms a voltage divider through the series connection.
- the total voltage between Ub and Gnd divides on the coils 1, 2, depending on the electrical resistance of the coils.
- the coils 1, 2 are energized with a voltage jump or with an alternating voltage, it is in turn dependent on the inductance of the respective coil 1, 2, which on the other hand depends on the position of the encoder element 3 with respect to the coil arrangement.
- the position of the transmitter element 3 can be determined on the basis of the voltage potential at the measuring tap 6.
- the coils 1, 2 are each connected electrically in series with a comparison resistor 7.
- One or both of the comparison resistors 7 can have a variable electrical resistance (ohmic resistance) have, for example, these are potentiometers.
- the series circuits of comparison resistor 7 and coil 1, 2 are connected in parallel to each other between two electrical potentials, in detail a voltage source Ub and a ground or ground Gnd.
- each series circuit of comparison resistor 7 and coil 1, 2 form a separate branch of a so-called Wheatstone measuring bridge circuit, wherein in each case a Meßabgriff 6 between each of the coils 1, 2 and the series resistance comparison 7 is provided.
- the total electric current i flowing through the coil arrangement divides onto the two branches.
- a voltage divider is formed by the respective coil 1, 2 and the comparison resistor 7.
- a specific voltage potential is formed at each measuring tap 6 as a function of the inductance of the coil 1, 2.
- the resulting voltage potential between the two Meßabgriffen 6 is denoted by dU. Based on dU then the position of the donor element 3 can be determined with respect to the coil assembly.
- FIGS. 7a to 7c each show possibilities for electrical energization (activation) of the coil arrangement, for example the electrically interconnected coil arrangement according to FIG. 5 or 6.
- the ordinate axis plots the electrical voltage U, the time ti is plotted on the abscissa axis.
- the duty cycle of the voltage oscillations ie the ratio between pulse duration t and period T can be suitably selected.
- the duty cycle is about 50%, which is only an example.
- FIGS. 8a to 8c show preferred production steps for producing a coil arrangement according to the invention.
- a first production step (FIG. 8a) the first coil 1 is wound, which forms the radially inner coil of the coil arrangement.
- first an innermost layer of the windings is helically wound along the coil longitudinal direction X, for example on a cylindrical carrier element (not shown) which remains in the coil arrangement or is removed after its production.
- the first six rows of the first winding layer are shown by way of example in cross section in FIG. 8a.
- the second layer of the windings in the opposite direction to the first layer is helically wound along the coil longitudinal direction X, radially spaced from the first layer.
- each layer is wound in the opposite direction to the directly preceding winding layer helically along the coil longitudinal axis X.
- the windings are arranged orthocyclically.
- the winding layers are designed to have different lengths in the coil longitudinal direction X.
- the length l of the winding layers of the first coil 1 decreases continuously, ie each winding layer is shorter by a predetermined amount than the directly preceding winding layer.
- the winding density of the first coil 1 increases substantially linearly.
- the length I of each individual winding layer with respect to the immediately preceding layer is shortened continuously until the desired number of windings or the desired outer diameter is reached.
- the second coil 2 is wound, which forms the radially outer coil of the coil arrangement.
- an innermost layer of the windings is also initially helically wound along the coil longitudinal direction X.
- the second layer is helically wound in the opposite direction along the coil longitudinal direction X, radially spaced from the first layer.
- the production of the other winding layers is done analogously, ie each layer is wound in the opposite direction to the directly preceding winding layer helically along the coil longitudinal axis X. In order to achieve the largest possible fill factor, the windings are arranged orthocyclically.
- the winding length l of the second coil increases, and preferably to the extent to which the winding length of the first coil 1 decreases.
- the winding of the layers of the second coil 2 preferably takes place in such a way that the mutually assigned turned ends of the winding layers of the first and second coil 1, 2 abut directly against each other. This avoids gaps in the coil assembly and optimizes the fill factor.
- the wires of the coils 1, 2 are basically made as thick as possible.
- a third production step (FIG. 8c) the two finished wound coils 1, 2 are electrically connected to one another.
- This can, as shown in Fig. 8c, by electrical contacting two adjacent free ends of the wires of the coils 1, 2 take place directly on the coil assembly (by means of the connecting conductor 8) or alternatively such that the free ends of the wires 1, 2 electrically into a directly adjacent or remotely spaced electronics, where they are electrically connected according to the desired interconnection (see Fig. 5 and 6), optionally together with other electrical and / or electronic components.
- the electrical connection of the coils 1, 2 shown in FIG. 8c results in the series connection of the coils 1, 2 illustrated in FIG. 5 by means of the connecting conductor 8.
- the connecting conductor 8 is accordingly designed to be electrically contactable to form the measuring tap 6 (indicated by the right-hand arrow), while the remaining ends of the coil wires are each made electrically contactable with an electrical potential (indicated by the two left-hand arrows).
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung, insbesondere für einen Positionssensor, mit einer ersten Spule (1) und einer zweiten Spule (2), die miteinander elektrisch verbunden sind und im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule (1) eine in Längsrichtung (X) der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte aufweist, wohingegen die zweite Spule (2) eine in die Längsrichtung (X) der Spulenanordnung abnehmende Wicklungsdichte aufweist. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Positionssensor mit einer solchen Spulenanordnung und auf ein Herstellungsverfahren für eine solche Spulenanordnung.
Description
Spulenanordnunq mit zwei Spulen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung mit einer ersten Spule und einer zweiten Spule, die miteinander elektrisch verbunden sind und im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule eine in Längsrichtung der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte aufweist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Positionssensor, sowie auf ein Herstellungsver- fahre der Spulenanordnung.
Es sind unterschiedliche Ausführungsformen berührungsloser linearer Positionssensoren bekannt. Die wichtigsten Vertreter nutzen Magnetfelder zur Sensierung. Darunter fallen Sensoren welche den Halleffekt oder das Induktionsgesetz nutzen. Letztere lassen sich wiederum entsprechend ihres Wirkprinzips in zwei Gruppen einteilen. Beiden gemein ist eine Anordnung aus Spule und Geberelement, welches in der ersten Gruppe elektrisch leitend sein muss und in der zweiten Gruppe ein weichmagnetisches Material sein muss.
Die erste Gruppe, Wirbelstromsensoren, nutzt die Induktion um ein Gegenfeld in einem elektrisch leitenden Material aufzubauen welches das Anregungsfeld dämpft. Das Geberelement wird genutzt um den Dämpfungsgrad proportional zum Weg zu verändern. Die benötigte Energie, um das Anregungsfeld dennoch aufrecht zu erhalten, kann als Messgröße genutzt werden. Hierbei tritt das den Weg gebende Element (Geberelement) nicht in die Spule ein.
Die zweite Gruppe unterscheidet sich hiervon dadurch, dass das Magnetfeld in der Spule direkt durch das weichmagnetische Geberelement beeinflusst wird. Gemessen wird hierbei die Induktivität der Spule, wobei es unterschiedliche Methoden gibt. Bei einem Tauchspulensensor beruht die Positionssensierung auf der Ausnutzung der relativen Permeabiliät weichmagnetischen Eisens und der damit verknüpften Tatsache, dass sich die Induktivität einer Spule proportional zur relativen Permeabilität des Spulenkerns verhält. Der Spulenkern wird dabei als weggebendes Element genutzt, was zu einer Veränderung der Induktivität und damit zu einer dem Weg proportionalen Messgröße führt. Genutzt werden hierfür einfache lineare Spulen
oder einfache Spulen in mehreren Kammern zur Beeinflussung der Sensitivität. Sensoren nach dem LVDT- (Linear Variable Differential Transformer) oder PLCD- (Per- manentmagnetic Linear Contactless Displacement) Prinzip können als ein Differentialtransformator beschrieben werden. Es werden hierbei eine Primärspule und zwei Sekundärspulen verwendet, wobei diese längs des zu sensierenden Weges angeordnet sind. Die lange Primärspule sitzt in der Mitte zwischen den kurzen Sekundärspulen an den beiden Enden des Sensors. Alle drei Spulen sitzen auf einem weichmagnetischen Stab, welcher parallel zum Messweg angeordnet ist. Mit Hilfe eines Magneten, der als Geberelement dient, kann die Feldverteilung der Primär- auf die Sekundärspulen beeinflusst werden.
Nachteilig an diesen bekannten Sensoren ist, dass sie sehr aufwendig aufgebaut sind. Demgegenüber ist der in der Schrift DE 38 01 779 C2 beschriebene Positionssensor bzw. die dem Sensor zu Grunde liegende Spulenanordnung einfach aufgebaut und benötigt im Wesentlichen lediglich zwei koaxiale Spule, mit einem innerhalb der Spulen bewegbaren, magnetisch leitenden Geberelement. Hierbei weist eine der Spulen in Längsrichtung eine veränderliche Wicklungsdichte auf.
Es hat sich herausgestellt, dass ein derartig aufgebauter Positionssensor für präzise Anwendungen wenig geeignet ist, da er eine zu geringe Messgenauigkeit aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Spulenanordnung bereitzustellen, mittels welcher ein hochgenauer Positionssensor realisierbar ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, einen solchen Sensor bereitzustellen, sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Spulenanordnung. Die Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und durch einen Positionssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Besonders bevorzugte Ausführungen hiervon sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Spulenanordnung, insbesondere für einen Positionssensor. Die Spulenanordnung weist eine erste Spule und ei-
ne zweite Spule auf, welche miteinander elektrisch verbunden sind und welche im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule über eine in Längsrichtung der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte verfügt. Hinzu kommt nun, dass die zweite Spule über eine in Längsrichtung der Spulenanordnung abnehmende Wicklungsdichte auf.
Demgemäß nimmt die Wicklungsdichte der ersten Wicklung in Längsrichtung der Spulenanordnung zu, während gleichzeitig die Wicklungsdichte der zweiten Wicklung in diese Längsrichtung abnimmt. Die Wicklungsdichten der Spulen entwickeln sich entlang der Spulenlängsrichtung somit gegensinnig. Hierdurch dient die zweite Spule nicht mehr nur als Referenzspule für die erste Spule, stattdessen ist nun auch die Induktivität der zweiten Spule von der Position eines magnetisch leitenden Geberelementes abhängig, wenn die Spulenanordnung in einem Positionssensor mit einem solchen Geberelement eingesetzt wird. Somit ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Messauflösung des Positionssensors bzw. der Spulenanordnung und ein hochgenauer Positionssensor ist mittels dieser Spulenanordnung realisierbar. Unter der Wicklungsdichte ist hierbei insbesondere die Anzahl der Wicklungen pro Längeneinheit in Längsrichtung der Spulenanordnung zu verstehen.
Insbesondere wird eine Änderung der Wicklungsdichte durch eine Zu- bzw. Abnahme der radialen Anzahl der Wicklungslagen bewirkt. Somit bleibt der Füllfaktor der Spulen in Längsrichtung der Spulenanordnung konstant, wodurch eine konstant gute Messauflösung des Positionssensors bzw. der Spulenanordnung in Längsrichtung bewirkt wird. Die Spulen sind jeweils insbesondere orthozyklisch gewickelt, wodurch ebenfalls ein besonders guter Füllfaktor erreichbar ist. Außerdem weisen die Spulen besonders bevorzugt einen gegenläufigen Wicklungssinn auf. Sie bauen damit bei elektrischer Bestromung ein sich gegenseitig beeinflussendes Magnetfeld auf.
Die Verteilung der elektrischen Spannung innerhalb der Spulenanordnung bei elektrischer Bestromung derselben ist abhängig vom ohmschen und induktiven Anteil der Spulen. Ein den Spulen zugeordnetes, magnetisch leitendes Geberelement nimmt dabei wesentlichen Einfluss auf die Induktivität der einzelnen Spulen, wobei
dieser Einfluss durch die sich ändernde Wicklungsdichte entlang der Spulenlängsrichtung von der Position des Gerberelementes abhängig ist. Somit kann durch eine Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Spulen der Spulenanordnung auf die Position des Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführung nimmt die Wicklungsdichte der ersten Spule in Längsrichtung der Spulenanordnung im Wesentlichen in dem Maße zu, wie die Wicklungsdichte der zweiten Spule abnimmt. Somit ändern sich zwar die Wicklungsdichte jeder einzelnen Spule, die Gesamtwicklungsdichte bleibt jedoch konstant. Die Spulenanordnung kann hierdurch äußerst kompakt ausgeführt sein, mit einem in Längsrichtung konstanten Au ßendurchmesser.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule linear. Die lineare Änderung kann hierbei lediglich innerhalb eines Längsabschnittes der Spulenanordnung in Längsrichtung vorhanden sein oder sich über die gesamte Länge der Spulenanordnung in Längsrichtung erstrecken. Bei einer linearen Änderung der Wicklungsdichte hängt die Induktivität im Wesentlichen linear von der Position eines magnetisch leitenden Geberelements bezüglich der Spulenanordnung ab, wodurch dann besonders einfach von der Induktivität der Spulenanordnung auf die Position des Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung geschlossen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule abschnittsweise sprunghaft. Mit anderen Worten verfügt die Spulenanordnung über mindestens zwei Längsabschnitte in Spulenlängsrichtung, welche an den unmittelbar aneinander angrenzenden Seiten unterschiedliche Wicklungsdichten aufweisen. Hierdurch ändert sich die Induktivität der Spulenanordnung sprunghaft, wenn ein magnetisch leitendes Geberelement bezüglich der Spulenanordnung vom einem der Längsabschnitte in den anderen der Längsabschnitte bewegt wird. Diese sprunghafte Änderung der Induktivität ist sehr deutlich erfassbar, wodurch die Position des Geberelementes beim Passieren der Dichtenänderung, d.h. des Übergangs zwischen den Längsabschnitten, sehr deutlich und genau feststellbar
ist. Somit können insbesondere ein oder mehrere Referenzpunkte entlang der Spulenlängsrichtung durch einen oder mehrere Übergänge zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Längsabschnitte, aufweisend unterschiedliche Wicklungsdichten, markiert werden. Außerdem können mehrere bzw. eine Vielzahl Längsabschnitte mit zueinander unterschiedlichen Wicklungsdichten vorgesehen sein, die in Spulenlängsrichtung eine inkrementelle Änderung der Wicklungsdichte bewirken. Hierdurch ist die Lage des magnetisch leitenden Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung deutlich inkrementell erkennbar. Je mehr derartige Längenabschnitte vorhanden sind, desto genauer kann die Lage des Geberelementes in Längsrichtung dann inkrementell ermittelt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule in einem ersten Längsabschnitt der Spulenanordnung, wobei diese Änderung insbesondere linear ist. In einem an den ersten Abschnitt unmittelbar anschließenden zweiten Längsabschnitt ist die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule konstant. Und in einem an den zweiten Abschnitt unmittelbar anschließenden dritten Abschnitt ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule, wobei diese Änderung ebenfalls insbesondere linear ist. Hierdurch wird eine hohe Messempfindlichkeit und einfache Auswertbarkeit der Spulenanordnung in dem ersten und dritten Längenabschnitt bewirkt, während eine relativ geringe Messempfindlichkeit in dem zweiten Längenabschnitt bewirkt wird. Dies ist dann insbesondere ein Längenabschnitt, innerhalb dessen keine genaue Messung erforderlich ist. Durch eine derartige Ausführung der Spulenanordnung kann auch eine Linearisierung der Sensorkennlinie bewirkt werden, beim Einsatz der Spulenanordnung in einem Positionssensor.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die beiden Spulen elektrisch in Reihe direkt hintereinander geschaltet, mit einem Messabgriff zwischen den Spulen. Somit ist der Aufbau der Spulenanordnung besonders einfach. Die Spulen bilden hierbei einen Spannungsteiler.
In einer hierzu alternativen weiteren bevorzugten Ausführung sind die beiden Spulen jeweils elektrisch in Reihe mit einem Vergleichswiderstand geschaltet, wobei
jede der Spulen zusammen mit dem jeweils in Reihe geschalteten Vergleichswiderstand einen Zweig einer Wheatstoneschen Messbrückenschaltung bildet. Dabei ist ein Messabgriff zwischen jeder der Spulen und dem zur Spule in Reihe geschalteten Vergleichswiderstand vorgesehen. Die beiden Spulen sind somit elektrisch parallel zueinander geschaltet, wobei jede der Spulen elektrisch in Reihe mit dem jeweiligen Vergleichswiderstand geschaltet ist. Hierdurch ist eine besonders genaue Auswertung der Position eines der Spulenanordnung zugeordneten magnetisch leitenden Geberelements möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ein magnetisch leitendes Gehäuse vorgesehen, beispielsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff, innerhalb dessen die Spulen angeordnet sind, zur magnetischen Beeinflussung des magnetischen Flusses innerhalb der Spulenanordnung. Hierdurch wird ein Transformatoreffekt innerhalb der Spulenanordnung durch die magnetische Beeinflussung des Gehäuses (erhöhter magnetischer Fluss innerhalb der Spulenanordnung) verstärkt und daher die Empfindlichkeit der Spulenanordnung bei einer Verwendung in einem Positionssensor erhöht.
Der erfindungsgemäße Positionssensor weist eine wie obig beschriebene erfindungsgemäße Spulenanordnung auf, sowie ein magnetisch leitendes Geberelement, welches entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung als Positionsgeber beweglich angeordnet ist. Das Geberelement kann somit entweder in einem Innenraum der Spulenanordnung entlang der Spulenlängsrichtung beweglich angeordnet sein, insbesondere koaxial zu der Spulenanordnung, oder alternativ um ein Äußeres der Spulenanordnung entlang der Spulenlängsrichtung beweglich angeordnet sein, insbesondere koaxial zu der Spulenanordnung, also die Spulenanordnung ringförmig umschließend.
Durch entsprechende elektrische Bestromung zumindest einer der Spulen der Spulenanordnung kann auch eine magnetische Kraft auf das Geberelement in Längsrichtung der Spulenanordnung erzeugt werden, wodurch der Positionssensor auch als Aktor einsetzbar ist und somit als solcher alternativ bezeichnet werden kann. Diese Kraft ist an dem Geberelement abgreifbar und kann zur Manipulation
von Vorrichtungen, beispielsweise Schaltelementen eines Fahrzeuggetriebes oder Ventilen, eingesetzt werden. Die erzeugte Kraft kann durch Vorsehen eines Mag- netjoches erhöht und beeinflusst werden. Insbesondere kann die Formgebung des Magnetjoches so sein, dass der Positionssensor einen so genannter Proportionalmagneten bildet.
In einer bevorzugten Ausführung des Positionssensors ist die Spulenanordnung in Längsrichtung zumindest kreissegmentförmig ausgeführt, wobei das Geberelement als Winkelpositionsgeber entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung zumindest kreissegmentförmig beweglich ist, sodass der Positionssensor einen Winkelpositionssensor bildet. Alternativ dazu ist die Spulenanordnung in Längsrichtung gerade ausgeführt, wobei das Geberelement als Linearpositionsgeber linear entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung beweglich ist, sodass der Positionssensor einen Linearpositionssensor bildet.
Zur Erfassung der Position des Geberelements wird die Spulenanordnung besonders bevorzugt zunächst mit einem oder mehreren Spannungssprüngen bestromt. Anschließend wird dann die Sprungantwort der Spulenanordnung (Strom- und/oder Spannungsverlauf) ausgewertet und schließlich hieraus die Position des Geberelements ermittelt. Die Sprungantwort der Spulenanordnung ist von der Position des Geberelements abhängig, da dieses die Induktivität beider Spulen beeinflusst. Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Spulenanordnung beide Spulen eine sich gegenläufig verändernde Wicklungsdichte aufweisen, ändert sich die Sprungantwort besonders stark in Abhängigkeit der Position des Geberelementes, wodurch die Position des Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung besonders genau auswertbar ist.
Als besonders bevorzugte Verfahren zur Ansteuerung des Positionssensors bzw. Erfassung der Position des Geberelementes in dem Positionssensor haben sich die in den Schriften DE 1 0200501 8012 A1 und DE 102008043340 A1 und DE 1 0201 1 083007 A1 der Anmelderin offenbarte Verfahren erwiesen.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für die obig genannte erfindungsgemäße Spulenanordnung ist gekennzeichnet durch einen ersten Herstellungsschritt, bei welchem die erste, radial innenliegende Spule gewickelt wird, und durch einen zweiten Herstellungsschritt, bei welchem die zweite, radial außenliegende Spule gewickelt wird, und durch einen dritten Herstellungsschritt, bei welchem die erste Spule mit der zweiten Spule elektrisch verbunden wird. Die Herstellungsschritte erfolgen bevorzugt in dieser zeitlichen Staffelung. Durch dieses Herstellungsverfahren ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Spulenanordnung. In dem zweiten Herstellungsschritt erfolgt die Wicklung der zweiten Spule bevorzugt derart, dass die einander gegenüberliegenden Enden der Wicklungslagen der ersten und zweiten Spule direkt aneinander anliegen. Somit werden Leerstellen in der Spulenanordnung vermieden und der Füllfaktor der gesamten Spulenanordnung optimiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus denen weitere bevorzugte Ausbildungen der Erfindung entnehmbar sind. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 , eine erste bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung;
Fig. 2, eine zweite bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung;
Fig. 3, eine dritte bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung;
Fig. 4, eine bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung mit einem
Gehäuse;
Fig. 5, eine erste bevorzugte elektrische Verschaltung der Spulenanordnung;
Fig. 6, eine zweite bevorzugte elektrische Verschaltung der Spulenanordnung;
Fig. 7a-c, bevorzugte Ansteuerverfahren der Spulenanordnung;
Fig. 8a-c, bevorzugte Herstellungsschritte zur Herstellung einer Spulenanordnung.
In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 , 2 und 3 zeigen jeweils eine Spulenanordnung mit einer ersten Spule 1 und einer zweiten Spule 2 in einem Längsschnitt entlang der Spulenlängsrichtung X. Eine untere Hälfte der Spulen 1 , 2 ist der Übersicht halber nicht dargestellt. Die Spulenlängsrichtung X bildet bevorzugt gleichzeitig eine Symmetrieachse der Spulenanordnung. Die Spulen 1 , 2 bilden somit einen gemeinsamen Hohlzylinder um die Spulenlängsrichtung X. Die erste Spule 1 bildet eine radial innere Spule, während die zweite Spule 2 eine radial äu ßere Spule bildet. Die Spulen 1 , 2 sind somit im Wesentlichen koaxial zu der Spulenlängsrichtung X ineinander angeordnet. In der zweiten Spule 2 sind beispielhaft die einzelnen Wicklungen der Spule 2 dargestellt. Sie verlaufen orthogonal zur Zeichnungsebene der Figuren. Die Wicklungen der Spulen 1 , 2 sind, wie gezeigt, bevorzugt orthozyklisch zueinander angeordnet, um den Füllfaktor der Spulen 1 , 2 zu maximieren. Hieraus ist auch ersichtlich, dass die Spulen 1 , 2 aus mehreren radialen Lagen von Wicklungen bestehen. Die Schritte zu bevorzugten Herstellung der Spulenanordnung sind Fig. 8a-c und der zugehörigen Beschreibung entnehmbar.
Ein den Spulen 1 , 2 zugeordnetes magnetisch leitendes Geberelement ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Das Geberelement 3 ist entlang der Spulenlängsrichtung X beweglich ausgeführt. Da es magnetisch leitend ausgeführt ist, be- einflusst es die Induktivität der beiden Spulen 1 , 2. Hierzu besteht das Gerberelement 3 beispielsweise aus Weicheinsen oder sonstigem ferromagnetischem Material. Zusammen mit der Spulenanordnung ergibt sich somit ein Positionssensor, mittels dessen eine Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung, insbesondere eine Position entlang der Spulenlängsrichtung X, ermittelbar ist. Im gezeigten Fall ist das Geberelement 3 in einem Innenraum der Spulen 1 , 2 im Wesentlichen koaxial zu diesen angeordnet. Alternativ dazu kann es ringförmig um ein Äu ßeres der Spulen 1 , 2 im Wesentlichen koaxial zu diesen angeordnet sein.
Die erste Spule 1 weist eine in Spulenlängsrichtung X zunehmende Wicklungsdichte auf (von links nach rechts gesehen). Die zweite Spule 2 weist in diese Spulenlängsrichtung X hingegen eine in Spulenlängsrichtung X abnehmende Wicklungsdichte auf (von links nach rechts gesehen). Hierbei ist unter der Wicklungsdichte die Anzahl der Wicklungen pro Längeneinheit in Spulenlängsrichtung X zu verste-
hen. Somit ändern sich die Wicklungsdichten der Spulen 1 , 2 entlang der Spulenlängsachse X gegenläufig. Eine auf das Spulenvolumen bezogene Wicklungsdichte (Wicklungen pro Spulenvolumen) kann in einer bevorzugten Ausbildung daher in Spulenlängsrichtung X weiterhin konstant bleiben, was anhand der beispielhaft gezeigten Wicklungen der zweiten Spule 2 ersichtlich ist. Außerdem kann in einer weiteren bevorzugten Ausführung die Gesamtwicklungsdichte der Spulenanordnung - also beider Spulen 1 , 2 zusammen - (Wicklungen pro Längeneinheit in Spulenlängsrichtung X) konstant bleiben, indem die Spulen 1 , 2 so gewickelt sind, dass die Wicklungsdichte der ersten Spule 1 in Spulenlängsrichtung X in dem Maße zunimmt, wie die Wicklungsdichte der zweiten Spule 2 abnimmt.
Im Falle der Ausführung nach Fig. 1 ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule 1 , 2 jeweils linear in Spulenlängsrichtung X. Somit ändert sich die Induktivität der ersten und der zweiten Spule 1 , 2 im Wesentlich proportional zur Position des Geberelementes 3 entlang der Spulenlängsrichtung X. Hierdurch ist eine einfache Auswertung der Position möglich. Die erste Spule 1 weist dabei eine im Wesentlichen konusförmige Außenfläche auf, während die zweite Spule 2 eine im Wesentlichen konusförmige Innenfläche aufweist, welche an der konusförmigen Außenfläche der zweiten Spule 2 direkt anliegt.
Im Falle der Ausführung nach Fig. 2 ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule 1 , 2 jeweils sprunghaft. Die Spulen 1 , 2 weisen jeweils unterschiedliche Längsabschnitte 4 auf (in Fig. 2 jeweils insgesamt 4 Längsabschnitte), innerhalb deren die Wicklungsdichte in Spulenlängsrichtung X konstant bleibt. Jeder Längsabschnitt 4 weist im Vergleich zum direkt benachbarten Längsabschnitt 4 eine andere Wicklungsdichte auf. Wenn das Geberelement 3 einen Übergang Ü von einem Längsabschnitt zu einem direkt anschließenden anderen Längsabschnitt 4 passiert, ändert sich hierdurch sprunghaft die Induktivität der Spulen 1 , 2, was einfach und eindeutig feststellbar ist. Somit kann sehr robust festgestellt werden, an welchem Übergang Ü der Längsabschnitte 4 sich das Geberelement 3 gerade befindet. Um eine feinere Erkennung der Position des Geberelementes 3 zu bewirken, werden eine Vielzahl an Längsabschnitten 4 und damit Übergängen Ü bereitgestellt.
Eine sprunghafte Änderung der Wicklungsdichte in Spulenlängsrichtung X kann auch zur Darstellung von Referenzpunkten dienen. Beispielsweise kann bei der Ausführung der Spulenanordnung nach Fig. 1 eine sprunghafte Änderung der Wicklungsdichte in der axialen Mitte der Spulen 1 , 2 vorgesehen sein, um eine Mittelposition des Geberelementes 3 zu kennzeichnen und das Erreichen dieser Mittelposition leicht erfassbar zu machen. Somit können auch definierte Endposition oder andere definierte Referenzpositionen beliebig erzeugt werden.
Im Falle der Ausführung nach Fig. 3 weisen die Spulen 1 , 2 jeweils drei Längsabschnitte 4a, 4b, 4c auf, wobei sich die Wicklungsdichte im ersten und dritten Längsabschnitt 4a, 4c linear ändert, während sie im zweiten Längsabschnitt 4b konstant bleibt. Am Übergang Ü zwischen den Längsabschnitten 4a, 4b, 4c ist die Wicklungsdichte jeweils gleich. Somit ändert sich die Wicklungsdichte beim Übergang Ü im gezeigten Fall nicht sprunghaft. Es kann allerdings auch hier vorgesehen sein, dass sich die Wicklungsdichte an einem oder mehreren der Übergange Ü sprunghaft ändert. Da die Wicklungsdichte im zweiten Längenabschnitt 4b konstant ist, ändert sich die Induktivität kaum, wenn das Geberelement 3 innerhalb des zweiten Längenabschnittes 4b bewegt wird, entsprechend erschwert ist die Erkennung der Position des Geberelements 3 in diesem Längenabschnitt 4b. Somit können durch gezielt Verteilung von Längenabschnitten mit konstanter Wicklungsdichte und Längenabschnitten mit sich ändernder Wicklungsdichte Bereiche erzeugt, innerhalb welchen die Erfassung der Position des Geberelementes 3 sehr genau erfolgt und Bereiche erzeugt werden, innerhalb welchen die Erfassung der Position des Geberelementes 3 weniger genau erfolgt. Außerdem ist hierdurch eine Linearisierung der Sensorkennlinie möglich. Das bedeutet, dass die Induktivität der Spulenanordnung des Positionssensors linear von der Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung entlang der Spulenlängsrichtung X abhängig ist.
Die Spulenanordnung gemäß Fig. 4 verfügt über ein Spulengehäuse 5, welches magnetische leitend ist. Hierdurch wird der magnetische Fluss im Inneren der Spulenanordnung im Bereich des Geberelementes 3 deutlich verbessert. Die
Genauigkeit der Spulenanordnung zur Erfassung der Position des Geberelementes 3 ist hierdurch deutlich gesteigert. Die Spulen 1 , 2 in Fig. 4 entsprechen denjenigen
aus Fig. 1 . Das Gehäuse 5 kann jedoch selbstverständlich bei jeder Art von erfindungsgemäßer Spulenanordnung eingesetzt werden, so auch beispielsweise bei den Ausführungen nach Fig. 2 oder 3. Das Gehäuse 5 kann auch gezielt als Magnetjoch ausgeführt sein. Somit kann eine durch das magnetische Feld der Spulen 1 , 2 erzeugte Kraft auf das Geberelement 3 verstärkt bzw. hervorgerufen werden, wenn die Spulenanordnung entsprechend elektrisch bestromt wird. Der aus der Spulenanordnung und dem Geberelement 3 gebildete Positionssensor kann dann als Aktor dienen, indem die auf das Geberelement 3 wirkende Magnetkraft zur Betätigung einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Ventil oder einem Fahrzeuggetriebeschalt- element, genutzt wird.
Fig. 5 und 6 zeigen jeweils eine bevorzugt elektrisch geschaltete Ausführungen der Spulenanordnung bzw. des Positionssensors. Bei der Ausführung nach Fig. 5 sind die beiden Spulen 1 , 2 elektrisch direkt hintereinander in Reihe geschaltet, wobei zwischen den Spulen ein Messabgriff 6, also ein elektrischer Messan- schluss, vorgesehen ist. Die in Reihe geschalteten Spulen 1 , 2 sind hierbei zwischen zwei elektrischen Potentialen geschaltet, im Detail einer Spannungsquelle Ub und einer Erdung oder Masse Gnd. Eine der Spulen 1 , 2 befindet sich also zwischen dem Messabgriff 6 und der Spannungsquelle Ub und die andere der Spulen 1 , 2 befindet sich zwischen dem Messabgriff 6 und der Erdung oder Masse Gnd. Ein durch die Spulen 1 , 2 fließender elektrischer Strom ist mit i bezeichnet. Die Spulenanordnung bildet durch die Reihenschaltung einen Spannungsteiler. Dementsprechend teilt sich die Gesamtspannung zwischen Ub und Gnd auf die Spulen 1 , 2 auf, und zwar in Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Spulen. Dieser ist bei einer Bestro- mung der Spulen 1 , 2 mit einem Spannungssprung bzw. mit Wechselspannung wie- derrum von der Induktivität der jeweiligen Spule 1 , 2 abhängig, welche andererseits von der Position des Geberelements 3 bezüglich der Spulenanordnung abhängt. Somit lässt sich anhand des Spannungspotentials am Messabgriff 6 die Position des Geberelementes 3 feststellen.
Bei der Ausführung nach Fig. 6 sind die Spulenl , 2 jeweils elektrisch in Reihe mit einem Vergleichswiderstand 7 geschaltet. Einer oder beide der Vergleichswiderstände 7 können einen änderbaren elektrischen Widerstand (ohmscher Widerstand)
aufweisen, beispielsweise handelt es sich hierbei um Potentiometer. Die Reihenschaltungen aus Vergleichswiderstand 7 und Spule 1 , 2 sind zueinander parallel zwischen zwei elektrischen Potentialen geschaltet, im Detail einer Spannungsquelle Ub und einer Erdung oder Masse Gnd. Somit bilden jede Reihenschaltung aus Vergleichswiderstand 7 und Spule 1 , 2 einen separaten Zweig einer so genannten Wheatstoneschen Messbrückenschaltung, wobei jeweils ein Messabgriff 6 zwischen jeder der Spulen 1 , 2 und dem dazu in Serie geschalteten Vergleichswiderstand 7 vorgesehen ist. Hierdurch teilt sich der durch die Spulenanordnung fließende elektrische Gesamtstrom i auf die beiden Zweige auf. Innerhalb jedes Zweiges wird durch die jeweilige Spule 1 , 2 und den Vergleichswiderstand 7 ein Spannungsteiler gebildet. Somit bildet sich ähnlich zur Ausführung nach Fig. 5 in Abhängigkeit der Induktivität der Spule 1 , 2 ein bestimmtes Spannungspotential an jedem Messabgriff 6 aus. Das resultierende Spannungspotential zwischen den beiden Messabgriffen 6 ist mit dU bezeichnet. Anhand von dU kann dann die Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung ermittelt werden.
Sofern einer oder beide der Vergleichswiderstände 7 einen änderbaren elektrischen Widerstand aufweisen, kann dieser Widerstand so eingestellt werden, dass dU im Wesentlichen den Wert null annimmt (= kein Spannungspotential zwischen den Messabgriffen 6) und dann anhand des eingestellten Wertes des Widerstands die Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung ermittelt werden. Gegebenenfalls erfolgen dann mehrere Spannungssprünge, um dU bei jedem Spannungssprung sukzessive näher auf den Wert null einzustellen.
Die Fig. 7a bis 7c zeigen jeweils Möglichkeiten zur elektrischen Bestromung (Ansteuerung) der Spulenanordnung, beispielsweise der elektrisch verschalteten Spulenanordnung nach Fig. 5 oder 6. Auf der Ordinatenachse ist die elektrische Spannung U aufgetragen, auf der Abszissenachse ist die Zeit ti aufgetragen.
Gemäß Fig. 7a wird die Spulenanordnung mit einer rein positiven Spannung elektrisch bestromt, die einen im Wesentlichen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf aufweist (positive Rechteckschwingung), also mit möglichst steilen Flanken. Gemäß Fig. 7b wird die Spulenanordnung mit einer Wechselspannung elektrisch bestromt,
die ebenfalls einen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf aufweist, und gemäß Fig. 7c wird die Spulenanordnung mit einer Wechselspannung elektrisch bestromt, die einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweist. Alternativ kann beispielsweise auch ein sägezahnförmiger zeitlicher Verlauf der Spannung gewählt werden. Außerdem kann die Spannung rein negativ oder rein positiv sein oder Wechselanteile aufweisen. Durch Wechselanteile kann die Problematik der magnetischen Remanenz in den Spulen 1 , 2 abgeschwächt oder sogar gänzlich beseitigt werden, da hierdurch die nach einem Spannungsimpuls in jeder Periode T zurückbleibenden magnetischen Felder in den Spulen 1 , 2 zumindest zum Teil durch einen nachfolgenden, entgegengesetzten Spannungsimpuls in der nachfolgenden Periode T abgeschwächt oder ausgelöscht werden.
Der Tastgrad der Spannungsschwingungen, also das Verhältnis zwischen Impulsdauer t und Periodendauer T kann geeignet gewählt werden. Im dargestellten Fall beträgt der Tastgrad ca. 50%, was jedoch nur beispielhaft ist.
In Fig. 8a bis 8c sind bevorzugte Herstellungsschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung dargestellt. In einem ersten Herstellungsschritt (Fig. 8a) wird die erste Spule 1 gewickelt, welche die radial innere Spule der Spulenanordnung bildet. Hierbei wird zuerst eine innerste Lage der Wicklungen schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt, beispielsweise auf einem zylinderförmigen Trägerelement (nicht gezeigt), das in der Spulenanordnung verbleibt oder nach deren Herstellung entnommen wird. Die ersten sechs Reihen der ersten Wicklungslage sind in Fig. 8a beispielhaft im Querschnitt dargestellt. Anschließend wird die zweite Lage der Wicklungen in entgegengesetzter Richtung zur ersten Lage schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt, radial beabstandet zu der ersten Lage. Die Herstellung der weiteren Wicklungslagen erfolgt hierzu analog, d.h. jede Lage wird in entgegengesetzter Richtung zu der direkt vorhergehenden Wicklungslage schraubenförmig entlang der Spulenlängsachse X gewickelt. Um einen möglichst großen Füllfaktor der Spulen 1 , 2 zu erreichen, sind die Wicklungen dabei orthozyklisch angeordnet.
Je nachdem, wie sich die Wicklungsdichte in Spulenlängsrichtung X ändern soll (sprunghaft ansteigend, linear ansteigen, etc.), sind die Wicklungslagen in Spulenlängsrichtung X unterschiedlich lang ausgeführt. Zur Erzeugung eines linearen Anstiegs der Wicklungsdichte, nimmt die Länge I der Wicklungslagen der ersten Spule 1 kontinuierlich ab, d.h. jede Wicklungslage ist um einen vorgegebenen Betrag kürzer, als die direkt vorhergehende Wicklungslage. Zur Erzeugung von mehreren Längsabschnitten mit jeweils gleichen Wicklungsdichten nimmt die Länge I der Wicklungslagen sprunghaft ab, d.h. es werden beispielsweise direkt hintereinander zwei oder mehr Wicklungslagen mit einer identischen Wicklungslänge gewickelt und anschließend eine dritte und eine vierte Wicklungslage mit einer untereinander identischen, jedoch zur ersten und zweiten Lage kürzeren Länge I gewickelt, wodurch sich ein Übergang der Wicklungsdichte am verkürzten Ende der dritten und vierten Wicklungslage ergibt.
Im in Fig. 8a gezeigten, beispielhaften Fall nimmt die Wicklungsdichte der ersten Spule 1 im Wesentlichen linear zu. Somit verkürzt sich die Länge I jeder einzelnen Wicklungslage gegenüber der unmittelbar vorhergehenden Lage kontinuierlich und zwar so lange, bis die gewünschte Anzahl an Wicklungen oder der gewünschte Außendurchmesser erreicht ist.
In einem zweiten Herstellungsschritt (Fig. 8b) wird die zweite Spule 2 gewickelt, welche die radial äußere Spule der Spulenanordnung bildet. Hierzu wird ebenfalls zunächst eine innerste Lage der Wicklungen schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt. Anschließend wird die zweite Lage in dazu entgegengesetzte Richtung schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt, radial beabstandet zu der ersten Lage. Die Herstellung der weiteren Wicklungslagen erfolgt hierzu analog, d.h. jede Lage wird in entgegengesetzter Richtung zu der direkt vorhergehenden Wicklungslage schraubenförmig entlang der Spulenlängsachse X gewickelt. Um einen möglichst großen Füllfaktor zu erreichen, sind die Wicklungen orthozyklisch angeordnet. Im Gegensatz zu der ersten Spule 1 nimmt die Wicklungslänge I der zweiten Spule allerdings zu und zwar bevorzugt in dem Maße, in welchem die Wicklungslänge der ersten Spule 1 abnimmt. Außerdem erfolgt die Wicklung der Lagen der zweiten Spule 2 bevorzugt derart, dass die einander zuge-
wandten Enden der Wicklungslagen der ersten und der zweiten Spule 1 , 2 direkt aneinander anliegen. Hierdurch werden Lücken in der Spulenanordnung vermieden und der Füllfaktor optimiert. Um eine möglichst homogene Spulenanordnung mit einem hohen Füllfaktor zu erhalten, sind die Drähte der Spulen 1 , 2 grundsätzlich möglichst gleich dick ausgeführt.
In einem dritten Herstellungsschritt (Fig. 8c) werden die beiden fertig gewickelten Spulen 1 , 2 elektrisch miteinander verbunden. Dies kann, wie in Fig. 8c dargestellt, durch elektrische Kontaktierung zweier benachbarter freier Enden der Drähte der Spulen 1 , 2 direkt an der Spulenanordnung erfolgen (mittels des Verbindungsleiters 8) oder alternativ derart, dass die freien Enden Drähte der Spulen 1 , 2 elektrisch in eine direkt benachbarte oder entfernt beabstandete Elektronik geführt werden, wo Sie entsprechend der gewünschten Verschaltung (siehe Fig. 5 und 6) elektrisch verbunden werden, ggf. zusammen mit anderen elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen.
Es sei angemerkt, dass sich durch die in Fig. 8c gezeigte elektrische Verbindung der Spulen 1 , 2 mittels des Verbindungsleiter 8 die in Fig. 5 veranschaulichte Reihenschaltung der Spulen 1 , 2 ergibt. Der Verbindungsleiter 8 ist dementsprechend zur Bildung des Messabgriffs 6 elektrisch kontaktierbar ausgeführt (angedeutet durch den rechten Pfeil), während die verbleibenden Enden der Spulendrähte mit jeweils einem elektrischen Potential elektrisch kontaktierbar ausgeführt sind (angedeutet durch die beiden linken Pfeile).
Die zeitliche Staffelung des ersten, zweiten und dritten Herstellungsschrittes ist bevorzugt in dieser Reihenfolge, also erfolgt bevorzugt zuerst der erste Schritt, dann der zweite Schritt und schließlich der dritte Schritt. Durch die aufgezeigten Herstellungsschritte ergibt sich ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Spulenanordnung.
Bezuqszeichen
1 erste Spule
2 zweite Spule
3 Geberelement
4, 4a-c Längsabschnitt
5 Gehäuse
6 Messabgriff
7 Vergleichswiderstand
8 Verbindungsleiter dU resultierendes elektrisches Spannungspotential
Gnd elektrische Erdung, Masse
i elektrischer Strom
I Länge einer Wicklungslage
t Impulsdauer
T Periodendauer
ti Zeit
U elektrische Spannung
Ub elektrische Spannungsquelle
X Spulenlängsrichtung
Claims
1 . Spulenanordnung, insbesondere für einen Positionssensor, mit einer ersten Spule (1 ) und einer zweiten Spule (2), die miteinander elektrisch verbunden sind und im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule (1 ) eine in Längsrichtung (X) der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (2) eine in die Längsrichtung (X) der Spulenanordnung abnehmende Wicklungsdichte aufweist.
2. Spulenanordnung nach Anspruch 1 , wobei die Wicklungsdichte der ersten Spule (1 ) in Längsrichtung der Spulenanordnung im Wesentlichen in dem Maß zunimmt, wie die Wicklungsdichte der zweiten Spule (2) abnimmt.
3. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich die Wicklungsdichten der ersten und zweiten Spule (2) linear ändern.
4. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule (2) abschnittsweise sprunghaft ändern.
5. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule (1 , 2) in einem ersten Längsabschnitt (4a) ändert, insbesondere linear, und in einem an den ersten Längsabschnitt (4a) anschließenden zweiten Längsabschnitt (4b) konstant ist, und sich in einem an den zweiten Längsabschnitt anschließenden dritten Längsabschnitt (4c) ändert, insbesondere linear.
6. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und zweite Spule (2) elektrisch in Reihe direkt hintereinander geschaltet sind, mit einem Messabgriff (6) zwischen den Spulen (1 , 2).
7. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und zweite Spulen (1 , 2) jeweils in Reihe mit einem Vergleichswiderstand (7) geschaltet sind, und wobei jede der Spulen (1 , 2) mit dem in Reihe geschalteten Vergleichswi-
derstand (7) einen Zweig einer Wheatstoneschen Messbrückenschaltung bildet, und wobei jeweils ein Messabgriff (6) zwischen jeder Spule (1 , 2) und dem dazu in Reihe geschalteten Vergleichswiderstand (7) vorgesehen ist.
8. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein magnetisch leitendes Gehäuse (5) vorgesehen ist, innerhalb dessen die Spulen (1 , 2) angeordnet sind, zur magnetischen Beeinflussung des magnetischen Flusses innerhalb der Spulenanordnung.
9. Positionssensor, mit einer Spulenanordnung (1 , 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen und mit einem magnetisch leitenden Geberelement (3), welches entlang der Längsrichtung (X) der Spulenanordnung als Positionsgeber beweglich angeordnet ist.
10. Positionssensor nach Anspruch 9, wobei die Spulenanordnung (1 , 2) in Längsrichtung (X) zumindest kreissegmentförmig ausgeführt ist und das Geberelement (3) entlang der Spulenanordnung (1 , 2) zumindest kreissegmentförmig beweglich ist, als Winkelpositionsgeber, sodass der Positionssensor einen Winkelpositionssensor bildet.
1 1 . Positionssensor nach Anspruch 9, wobei die Spulenanordnung (1 , 2) in Längsrichtung gerade ausgeführt ist und das Geberelement linear entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung (1 , 2) beweglich ist, als Linearpositionsgeber, sodass der Positionssensor einen Linearpositionssensor bildet.
12. Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in einem ersten Herstellungsschritt die erste, radial innenliegende Spule (1 ) gewickelt wird, und wobei in einem zweiten Herstellungsschritt die zweite, radial außenliegende Spule (2) gewickelt wird, und wobei in einem dritten Herstellungsschritt die erste Spule (1 ) mit der zweiten Spule (2) elektrisch verbunden wird.
13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei im zweiten Herstellungsschritt die Wicklung der zweiten Spule (2) derart erfolgt, dass die einander gegenüberliegenden Enden der Wicklungslagen der ersten und zweiten Spule (1 , 2) direkt aneinander anliegen.
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