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Magnete mit virtuoser Polverteilung

Sensormagnete: Vielfältig gestaltbare Spritzgussteile
Magnete mit virtuoser Polverteilung

Magnetische Sensorsysteme weisen eine immer größere Verbreitung auf. Im Gegensatz zu optischen Systemen lassen sie sich durch Schmutz oder Feuchtigkeit nicht beeinträchtigen und sind unempfindlich für Stöße und Vibrationen.

Besonders in der Automobilindustrie, aber auch im Maschinenbau und in der Consumer-Elektonik, finden sich immer mehr magnetische Sensorsysteme. Ein Grund dafür ist, dass sie bei adäquater Auslegung gegenüber vielerlei Störungen unempfindlich sind. Ein anderer ist, dass sie sich rationell herstellen und für vielfältige Anwendungszwecke maßschneidern lassen.

Magnetische Sensorsysteme bestehen immer aus einem felderzeugenden Dauermagneten und einer magnetisch sensitiven, elektrischen Komponente. Bei richtiger Kombination des Magneten mit einem Sensor lassen sich selbst Temperaturschwankungen oder Abstandsänderungen weitgehend ausgleichen. Beispiele dafür sind Sensoren für die Scheinwerferposition, Fensterhebersensoren oder Drehmoment- und Drehwinkelsensoren für elektronische Lenksysteme. Weiter gibt es Magnetsensoren zum Regeln der Scheibenwischer-Bewegung, der Schiebedach- oder Gaspedalposition oder für mechanisch entkoppelte Schalthebel. Allen diesen Systemen ist gemeinsam, dass als Feldgeber überwiegend kunststoffgebundene Magnete zum Einsatz kommen, die zum größten Teil im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Durch Spritzgießen produzierte Dauermagnete weisen den physikalischen Vorteil einer hohen Vielfalt an realisierbaren Feldkonfigurationen auf. Die räumlichen Verteilungen der magnetischen Felder können für moderne Sensoren maßgeschneidert werden. Weitere Vorteile spritzgegossener kunststoffgebundener Magnete bestehen in ihrer einfachen und kostengünstigen Herstellung. Geometrisch komplizierteste Bauteile lassen sich ebenso fertigen wie Multifunktionssysteme, die gleich auch mit den nötigen Verbindungselementen versehen sind. Diese werden entweder durch Umspritzen zusätzlicher Kunststoff- oder Metallkomponenten oder im 2K-Verfahren hergestellt.
Die Anwender machen in der Regel klare Vorgaben zur magnetischen Performance des Endsystems, die auch unter extremen Belastungen einzuhalten sind. Eine geschlossene Entwicklungskette entsprechender Auslegungen mit Finite-Elemente-Verfahren oder mit analytischen, mathematischen Methoden ist daher in den meisten Fällen notwendig. Die Designkette umfasst sowohl den Werkstoff und das Spritzgießwerkzeug als auch die Magnetisierspulen und die Endapplikation.
Die hohe Vielfalt an möglichen magnetischen Konfigurationen lässt sich einerseits durch die so genannte Polorientierung der Magnetpartikel bewirken, die in den Kunststoffmagneten enthalten sind. Dazu werden Einheiten zur Erzeugung magnetischer Felder in die Spritzgießwerkzeuge implementiert, die die Magnetpartikel beim Spritzgießprozess magnetisieren und gleichzeitig ausrichten. Die Orientierung kann dabei je nach Position im Magneten unterschiedliche Richtungen annehmen, so dass sich beispielsweise bogenförmige, konvergente oder divergente Verteilungen der magnetischen Polarisation erzeugen lassen. Eine andere Möglichkeit besteht im Magnetisieren nach dem Spritzgießprozess durch geschickt ausgelegte Spulen, die insbesondere bei Selten-Erd-Magneten zum Einsatz kommen.
Von Seiten der Sensorelemente sind vor allem Hallsensoren und magnetoresistive Sensoren zu nennen, so genannte MR-Sensoren. Induktive Sensoren sind heute etwas ins Hintertreffen geraten. Hallsensoren bestehen dank moderner IC-Technologie oftmals aus einer Reihe einzelner Hallelemente inklusive schon integrierter Verstärker- und Auswerteschaltungen. Das Gleiche gilt in der Regel für magnetosresistive Sensoren. Die Bandbreite der Verwendungsmöglichkeiten ist dabei vielfältig.
Mit diskret schaltenden, digitalen Hallsensoren lässt sich zum Beispiel die Drehzahl detektieren. Eindimensionale Systeme, bei denen nur eine Komponente des magnetischen Feldes detektiert wird, können dann als lineare Wegsensoren agieren, wenn lineare Feldverläufe vorliegen. Problematisch wird dies nur, wenn thermische Schwankungen auftreten oder wenn die Abstände zwischen feldgebendem Magneten und Sensorelement variieren. Teilweise werden die Systeme in Großserien einzeln kalibriert, um Abstandsvariationen zu kompensieren. Oft wird das thermische Problem durch Kombinieren des magnetischen Sensors mit einem Temperatursensor gelöst. Wesentlich effektiver sind jedoch Hall- oder MR-Sensoren, die auf mehrere Komponenten des Magnetfeldvektors ansprechen. In beiden Fällen wird nicht die Stärke des magnetischen Feldes sondern dessen Winkelrichtung als Funktion des Ortes detektiert. Die Signale sind dann unabhängig von Temperatur und Abstand.
Ein erheblicher Anteil magnetischer Sensoren detektiert Drehbewegungen. Dabei kann der Sensor in radialem Abstand zur Drehachse oder nahe ihrer Stirnfläche angebracht sein. Durch optimierte Verteilung der magnetischen Polarisation, teilweise kombiniert mit zusätzlichen geometrischen Maßnahmen, lassen sich fast ideale lineare Zusammenhänge zwischen dem realen Drehwinkel und dem vom Sensor ausgegebenen Winkel erzeugen: Die Winkelfehler derartiger Systeme liegen in der Regel bei nur wenigen zehntel Grad. Die Genauigkeit lässt sich noch um Größenordnungen steigern, wenn intelligente Sensoren verwendet werden, die eine Fehlerkorrektur vornehmen.
Bei radial zur Drehachse orientierten Systemen kann ein Sensorchip mit mehreren integrierten Hallsensoren oder ein MR-Winkelsensor zum Einsatz kommen. Alternativ lassen sich auch zwei räumlich getrennte Hallsensoren verwenden, die jeweils auf nur eine Feldkomponente ansprechen. In beiden Fällen kommen in der Regel multipolar magnetisierte Magnete zum Einsatz.
Befindet sich das sensitive Element unterhalb der Stirnfläche einer Drehachse, so ist zu unterscheiden zwischen Sensoren, die unterhalb des Magneten angeordnet sind und Sensoren, die in die Magnete eintauchen. Die Polung der Magnete ist hier meist bipolar.
Um bei rotierenden Systemen einen möglichst exakten Messwinkel zu erzielen, sollten die ausgenutzten Feldkomponenten eine möglichst perfekte Sinusform entlang des sich ändernden geometrischen Winkels aufweisen. Abweichungen von der Sinusform können durch gestalterische Maßnahmen in den Spritzgießwerkzeugen oder in der Auslegung entsprechender Magnetisierspulen minimiert werden. Im Idealfall haben die für die Messung genutzten Magnetfeldkomponenten eine gleiche Amplitude, was aber nicht immer gewährleistet werden kann. Abhilfe schaffen korrigierende Maßnahmen bei der Signalauswertung. Ähnliches gilt für die Phasenbeziehung zwischen den Feldkomponenten.
Thomas Schliesch Leiter Zentrale Entwicklung bei der Max Baermann GmbH, Bergisch Gladbach
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