CORE FOR AN INDUCTIVE, FREQUENCY-INDEPENDENT SWITCHING DEVICE

Abstract: The core (8) is proposed as a position sensor. To allow the known frequency-independent remagnetising effect in long soft magnetic wires under tension to be utilised also for relatively short bodies in wire or rod form, the core (8) is made up of a composite body (9) of soft magnetic materials (1, 2) which are mechanically braced against each other and a permanent magnet (3). This makes it possible to produce a core of a length less than 30 mm which induces a voltage pulse in a coil surrounding the core even when there is a slow field change. <IMAGE>

Description: BDulenkern für eine induktive, frequenzunabhängige Schaltvorrichtung Die Erfindung betrifft einen Spulenkern für eine induktive, frequenzunabhängige Schaltvorrichtung mit einem draht- oder stabförmigen Verbundkörper, der aus mindestens zwei gegeneinander in Richtung der Längsachse des Verbundkörpers me mechanisch verspannten Materialien besteht, von denen mindestens eines ferromagnetisch ist und in Richtung der Längsachse anisotrope, weichmagnetische Eigenschaften besitzt. Ein derartiger draht- oder stabförmiger Verbundkörper mit einer anisotropen, weichmagnetischen Schicht ist beispielsweise aus der ZIELS 31 52 008 bekannt. Der Verbundkörper besteht beispielsweise aus einem Wickelkern mit einem Magneten aus einer Kobalt-Vanadium-Chrom-Legierung. . Eern und Mantel sind dabei z.B. durch Ziehen oder durch eine Wärmebehandlung in Verbindung mit Materialien unterschiedlicher thermischer Ausdehnung mechanisch gegeneinander verspannt, so dass in Richtung der Längsachse des Verbundkörpers auf das weichmagnetische Material im Eiern oder im Mantel eine Zug- bzw. eine Druckspannung ausgeübt wird. Bei einer Ummagnetisierung eines derartigen Verbundkörpers erhält man Polarisationssprunge, die besonders bei unsymmetrischem Durchlaufen der Hystereseschleife auftreten (Spalte 8, Zeilen 5 bis 10). Die dort beschriebenen Polarisationssprunge stellen eine schnelle Ummagnetisierung in einer magnetischen Vorzugsrichtung dar, wie sie bereits von Franz Preibach in der Physikalischen Zeitschrift XXXIII aus dem#Jahre 1932, Seiten 913 bis 323 beschrieben wurde. Sier wurde gezeigt, dass bei langen, unter Zugspannung stehenden Drähten die Ummagnetisierung des Drahtes praktisch in einem einzigen grossen Barkhausensprung erfolgen kann, so dass sich eine von der Geschwindigkeit der Feldänderung unabhängige Ummagnetisierung ergibt und damit in einer Spule ein frequenzunabhängiger Spannungsimpuls induziert wird. Weiterhin ist es aus der europäischen Patentanmeldung Nr. O 085 140, insbesondere aus Figur 4 und Seite 8, bekannt, dass bei einer asymmetrischen Nagnetfeldanregung ein magnetischer Draht, bestehend aus einem hartmagnetischen Kern und einer weichmagnetischen, tordierten und magnetostriktiven Schicht, die den hartmagnetischen Eiern umgibt, eine plötzliche Ummagnetisierung der weichmagnetischen Schicht erzielt werden kann. Der durch diese Ummagnetisierung in einer den magnetischen Draht umgebenden Spule induzierte Impuls hängt in Spannungshöhe und Zeitdauer nur unwesentlich von der Geschwindigkeit der äusseren Feld- stärkeänderung ab. Bei allen diesen bekannten Einrichtungen müssen die verwendeten Materialien gut verformbar sein, bestimmte Wärme- ausdehnungskoeffizienten zueinander aufweisen und sich leicht walzen bzw. ziehen lassen. Ausserdem muss man mindestens bei den Schaltdrähten, die keine hartmagnetischen Xomponenten haben, sehr lange Drähte verwenden, um frequenzunabhängig induzierte Imp#lSe¯-#u err-#Caen.# Aufgabe der vp#'liegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen Spulenkern zu schaffen, der keine besonders grosse Länge aufweisen muss und der unabhängig von der Grösse und XnderungsgeNchwindi-gkeit des einwirkenden äusseren Magnetfeldes bei Durchlaufen einer ganz bestimmten Feldstärke in einer Richtung einen frequenzunabhängigen Impuls in einer den Spulenkern umgebenden Spule erzeugt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass parallel und/oder in Richtung der Längsachse des Verbundkörpers an diesem mindestens ein in Richtung dieser Längsachse magnetisierter Dauermagnet befestigt ist. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Einrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Figuren 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Spulenkerns. In den Figuren # mund5 sind zwei Ansichten eines Drehzahl gebers dargestellt, für den der erfindungsgemässe Spulenkern Verwendung finden kann. Die Figuren 6 und7 lassen schematisch die Wirkungsweise des erfindungsgemassen Spulenkerns erkennen, während Figur 8 eine an einem Beispiel gemessene Hystereseschleife und Figur 9 den bei diesem Beispiel gemessenen Impuls zeigen. In Figur la enthält der Spulenkern 8 einen drahtförmigen Verbundkörper 9. Der Verbundkörper 9 besteht seinerseits aus einem Mantel 1 und einem Kern 2. Der Mantel 1 ist beispielsweise aus der Legierung 29Ni-17Zo-Be (mit 29 Gew.-% Nickel, 17 Gew.-% Kobalt und Rest Eisen) gefertigt. Das Material des Kerns 2 enthält z.B. 50 Gew.- % Kobalt, 2 Gew.-% Vanadium und Rest Eisen, Damit besteht sowohl der Mantel 1 als auch der Kern 2 jeweils aus einer Legierung mit üblicherweise weichmagnetischen Eigenschaften, Die Legierungen des Verbundkörpers 9 haben verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten, so dass nach einer Gluh#be- handlung des fertig gezogenen Verbundkörpers 9 sich durch das anschliessende Lbk¯uhlen Mantel 1 und Kern 2 gegeneinander verspannen und deswegen in Achsrichtung des Verbundkörpers eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen. Parallel zu dem Verbundkörper 9 ist nun ein ebenfalls zylindrisch ausgebildeter Dauermagnet 3 angeordnet und durch Giessharz 5 fest mit dem Verbundkörper 9 verbunden. Um den Spulenkern 8 ist eine Spule 4 herumgewickelt, in der bei Ummagnetisierung des Verbundkörpers 9 (Kern und/oder Nan- tel 1) eine Spannung erzeugt wird. In Figur 1 b ist der Verbundkörper 9 mit zwei achsial daran angrenzenden Dauermagneten 15 und 16 in einem unmagnetischen Hüllrohr 14 gehalten, das die Spule 4 trägt. In Figur 2a sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Dauermagnet 3 ist im Gegensatz zu Figur la nicht zylindrisch, sondern weist einen U-förmigen Quer- schnitt auf und der Verbundkörper 9 ist zusammen mit der Spule 4 zwischen die Schenkel des U-förmigen Dauermagneten 3 eingelegt und dort mit Hilfe von Giessharz 5 vergossen. ähnlich ist die Anordnung in Figur 2b. Sie weist ebenfalls eine andere Bors des Dauermagneten 3 auf. Dieser ist hier länger als der Verbundkorper, so dass der Verbundkörper 9 in Längsrichtung in einem Einschnitt im Dauermagneten 3 befestigt ist. Hier ist die Spule 4 um Verbundkörper und Dauermagnet gewickelt. In Figur 3 umgibt der Dauermagnet 3 den Verbundkörper 9 kreisförmig, was bei relativ yoScr elektrischem Widerstand des Dauermagnèten zulässig sein kann. Die Figuren 4 und 5 zeigen ein Anwendungsbeispiel des Spulenkerns mit der Spule 4 als Sensor für die Stellung einer Scheibe 6. Die Scheibe 6 ist zur Erzeugung eines Nagnet- feldes mit einem Dauermagneten 7 an einer Umfangs stelle versehen. Dieser bewirkt beim Vorbeibewegen in dem Spulenkern 8 eine Ummagnetisierung desselben, so dass ein Spannungsimpuls in der Spule 4 erzeugt wird. Figur 6 zeigt die ilystereseschleife (Induktion B in Abhängigkeit von der Feldstärke E) eines Verbundkörpers aus gegeneinander verspannten Materialien, von denen eines weichmagnetisch anisotrop ist. Der Verbundkörper 9 ist dabei etwa gleich lang wie die Abmessungen der den Spulenkern umgebenden Spule. Auf der Rystereseschleife sind vier Punkte a bis d markiert; die zugehörige Feldstärke bzw. Magnetisierungsrichtung des Verbundkörpers ist aus den entsprechend bezeichneten Figuren 6 a bis 6 d zu ersehen. Bei hoher Feldstärke im Punkt a ist der Verbundkörper in Richtung der Feldstärke magnetisiert. Vermindert man die Feldstärke auf den Wert Null - entsprechend Punkt b - dann bleibt-die Magnetisierungsrichtung im wesentlichen erhalten, allerdings tritt an den Stirnseiten und besonders an den Ecken der Stirnseiten eine Ent- bzw. Ummagnetisierung durch das Eigenfeld ein. Beim Durchlaufen der Schleife von Punkt b- bis Punkt c wird der Ve#bundkör- per ummagnetisiert bis - wie Figur 6 c zeigt - Magneti sierungsrichtung und Feldstärke wieder übereinstimmen. Figur 6 dlass#t erkennen, ss bei Umkehrung der Feldstärke zunächst die Magnetisierungsrichtung im wesentlichen erhalten bleibt, bis -dann wiederum eine Ummagnetisierung erfolgt und der in Figur 6 a dargestellte Zustand wieder erreicht ist. Wahrend man bei relativ langen magnetischen Drähten, wie von Kranz Preisach schon 1932 beschrieben, eine plötzliche Ummagnetisierung bei Erreichen bestimmter Feldstärkewerte erzielen kann, ist dies bei kurzen Drähten wegen der Randeffekte nicht möglich, Trotz der relativ guten Rechteckform der Hystereseschleife in Figur 6 wird daher die in der Spule 4 erzeugte Spannung im wesentlichen proportional zur Ummagnetisierungsfrequenz sein. Diese Situation ändert sich, wenn man erfindungsgemäss parallel zum Verbundkörper einen Dauermagneten anordnet. In diesem Fall verschiebt sich die Rysteresekurve wie in Fi- gur 7 dargestelltw Wiederum sind auf dieser Rysteresekurve vier Punkte a bis d eingetragen, deren entsprechende Ma gnetisierungszustände in den Figuren 7 a bis d dargestellt sind. In Figur 7 a und in Figur 7 c sind Magnetisierungsrichtung im Verbunclkörper und angelegte Feldstärke gleich gerichtet. Beim Vbergang von Punkt a nach Punkt b - also bei einer Verminderung der Feldstärke - versucht der Dauert magnet 3 das im Verbundkörper vorhandene weichmagnetische Material umzunagnetisieren, so - dass die ent- bzw. ummagnetisierten Bereiche in Figur 7 b bereits weiter ausgebildet sind, als dies in Figur 6 b der Fall ist. Der Verbundkörper 9 wird dann bei weiter abnehmender Feldstärke ummagnetisiert, bis er in der anderen Richtung gesättigt ist -# (Figur 7 c). Bei erneuter Umkehr der flagnetisierungsrichtung, wie in Figur 7 d datgestellt, ist die Magnetisierungsrichtung im Verbundkörper wieder entgegengesetzt zur Feldstärke EI, Trotzdem bilden sich keine Ent- bzw. Ummagnetisierungs bereiche, da das Magnetfeld des Dauermagneten 3 versucht, die Magnetisierungsrichtung im Verbundkörper bestehen zu lassen. Damit entstehen die gleichen Verhältnisse wie in der eingangs genannten Veröffentlichung von Franz Preisach beschrieben, nur mit dem Unterschied, dass nicht ein sehr langer aufmagnetisierter Draht, sondern der dem Verbundkörper beigegebene Dauermagnet das Auftreten der Randerscheinungen verhindert. Bei weiter ansteigender Feldstärke erfolgt dann eine plötzliche Ummagnetisierung, bis der in Figur 7 a dargestellte Zustand wieder erreicht ist. Diese Ummagnetisierung ist frequenzunabhängig. Die Schleife wird in diesem Teil immer schnell durchlaufen, wie durch die gestrichelte Linie in Figur 7 angedeutet ist. In Figur 8 sind wiederum zwei Hystereseschleifen dargestellt, die an dem eingangs beispielhaft erwähnten Verbundkörper gemessen worden sind. Dabei gilt die mit 10 bezeichnete Kurve in Figur 8 für den Verbundkörper allein, während die Kurve 11 die Verhältnisse zeigt, wenn neben den Verbundkörper aus dem eingangs erwähnten Beispiel ein gleich langer autmagnetisierter hartmagnetischer Draht gelegt wird. Man sieht, dass sich die Hystereseschleife horizontal in Richtung der H-Achse, entsprechend der Wirkung des Dauermagneten, verschiebt und dass jetzt bei ansteigender positiver# Feldstärke von etwa 4 A/cm eine plötzliche Ummagnetisierung erfolgt. Die Kurve 12 in Figur 9 zeigt dabei die Spannung U über der Zeit 2,wenn die Kurve 10 in Figur 8 langsam durchlaufen wird. Die Kurve 13 lässt den Spannungsverlauf erkennen, wenn neben den Verbundkörper ein aufmagnetisierter Dauermagnet, entsprechend Kurve 11 in Figur 8, angeordnet ist. Aus Kurve 11 in Figur 8 lässt sich ausserdem erkennen, dass unterschiedlich starke Dauermagnete in Verbindung mit einem Verbundkörper geeignet sind, um unterschiedliche Sprungfeldstärken einstellen zu können. Da das Dauermagnetmaterial nicht mehr verformbar sein muss, können Materialien mit sehr hohen Koerzitivfeldstärken verwendet werden, so dass man mit kleineren Dauermagneten und mit kurzen Ver bundkörpern sicher reproduzierbare Ergebnisse erhält. Da ausserdem die Koerzitivkraft des Dauermagneten diejenige des weichmagnetischen Materials um mehrere Grössenordnungen übertrifft, ist es nicht mehr erforderlich, einen bestimmten engen Bereich für die symmetrische oder unsymmetrische Änderung der Feldstärke vorzuschreiben. In der Konstruk- tion von Stellungssensoren ist man deshalb weitgehend frei und kann bei gleichem Verbundkörper unterschiedlich definierte Änspre chfeldstärken verwirklichen. Als Beispiel für die Herstellung eines Verbundkörpers aus zwei gegeneinander verspannten Materialien wurde in ein Rohr aus der Legierung 29Ni-17Oo-Fe mit den Abmessungen 64 x 17 mm (d.h. 64mm Aussendurchmesser, 17 mm Wandstärke) und ca. 1000 mm Länge ein Rtmdstab aus der Legierung 49Co 2V-Fe mit den Abmessungen 30 mm Durcbmesser und ca. 950mm Länge eingepasst. Die Rohrenden wurden mit Verschlussstücken aus dem Rohrmaterial vakuumdicht zugeschweisst. Ueber ein Abpumprohr mit ca. 10 mm Innendurchmesser, das an einem der Verschlussstücke angebracht war, wurde der Innen raum eva3rLiie#t. Der Verbundkörper wurde bei Temperaturen von 12500C und 10000O auf eine Abmessung von 7,5 mm heiss- gewalzt. Nach Säuberung und Abtrennen der Enden wurde das Material auf einen Durchmesser von 0,20 mm mit einer Zwi- schenglühung kaltgezogen. Die abschliessende Glühbehandlung erfolgte 1 Stunde bei 7500C. Ein derartig hergestellter Verbundkörper wurde auf eine Länge von 30 mm gekürzt und einmal allein und einmal zusammen mit einem gleich langen hartmagnetischen Draht für die Messung der in Figur 8 dargestellten Kurve verwendet.

Claims: A coil core (8) for an inductive, frequency-independent switching device comprises a wire-like or rod-like compound body (9) which is composed of at least two materials which are mechanically braced in relation to one another in the direction of the longitudinal axis of the compound body (9) and of which at least one is ferromagnetic and possesses soft-magnetic properties, anisotropic in the direction of the longitudinal axis, characterised in that in parallel to and/or in the direction of the longitudinal axis of the compound body (9) at least one permanent magnet (3) magnetised in the direction of this longitudinal axis is attached to the compound body (9). A coil core as claimed in claim 1, characterised in that the shape and/or position of the permanent magnet (3) relative to the compound body (9) are selected to be such that at each position of the compound body (9) the components, directed in the longitudinal direction of the compound body (9), of all the field lines of the permanent magnet (3) which penetrate through the compound body (9) face in the same direction as one another. A coil core as claimed in claim 1, characterized in that the permanent magnet (3) has the same length as the compound body (9) and is attached to the compound body with its longitudinal axis parallel thereto. A coil core as claimed in claim 3, characterized in that the compound body (9) is directly surrounded by a coil (4). A coil core as claimed in claim 3, characterised in that the permanent magnet (3) has a U-shaped cross-section and that the compound body (9) is arranged between the U-shaped flanks of the permanent magnet (3). A coil core as claimed in claim 1, characterized in that the permanent magnet (3) has a longer length than the compound body (9) and that the compound body (9) is inserted into an opening or an indentation in the permanent magnet (3) and is attached thereto. A coil core as claimed in claim 1, characterised in that the compound body (9), together with permanent magnet discs (15,16), is supported at its ends in an insulating, non-magnetic jacket tube (14). A coil core as claimed in claims 1 to 7, characterised in that a permanent magnet (3) of high coercive force and produced by powder metallurgy forms the coil core (8) together with the compound body (9).

Inventors: RADELOFF, CHRISTIAN, DR., RAUSCHER, GERD
Applicants: VACUUMSCHMELZE GMBH
Application year: 1984
Main classification: G11C11
IPC codes: H01F3, G11C11