7 Einteilung magnetischer Maßverkörperungen
Magnetische Maßverkörperungen, Magnetische Positionsmesssysteme, Magnetische Wegmesssysteme, Magnetische Winkelmesssysteme, Magnetische Maßstäbe, Magnetic measurement scales, Magnetic encoders, Magnetic position sensing, Magnetic field characterization, Magnetic pole patterns
Dieses Kapitel führt eine systematische Einteilung magnetischer Maßverkörperungen nach struktureller Komplexität, geometrischer Anordnung und magnetischer Ausprägung ein. Sie erfasst typische praxisrelevante Ausführungsformen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung der in DIN SPEC 91411 (Innomag 2022) vorgeschlagenen Einteilung.
7.1 Grundlegende Einteilung und Kurznotation
Die Einteilung magnetischer Maßverkörperungen erfolgt auf mehreren Beschreibungsebenen. Auf der ersten Ebene werden sie anhand ihrer strukturellen Komplexität in drei Arten eingeteilt: Dipolmagnete, Multipolmagnete und magnetische Maßstäbe.
Auf der zweiten Ebene wird die geometrische Form der Maßverkörperung beschrieben. Hierzu werden die Begrenzungsbox-Geometrien nach Kapitel 4.6 verwendet.
Auf der dritten Ebene wird die geometrische Anordnung der magnetischen Struktur beschrieben. Bei magnetischen Maßstäben entspricht diese der Spurausrichtung, bei Multipolmagneten der Anordnung der Zonen beziehungsweise Pole.
Auf der vierten Ebene wird die magnetische Ausprägung der Maßverkörperung beschrieben. Zonenbezogen erfolgt dies über Zonenmuster, beispielsweise über die Polarisationsrichtung eines Dipolmagneten oder die Polarisationsart einer Spur. Feldbezogen erfolgt die Beschreibung über das Polmuster oder die Ausprägung der Halbwellen.
Auf der fünften Ebene wird die Beschreibung weiter spezifiziert und quantifiziert. Bei Multipolmagneten wird je nach gewählter Repräsentation die Anzahl der Zonen oder Pole angegeben. Bei magnetischen Maßstäben werden Spurtypen sowie gegebenenfalls die Anzahl der Zonen, Pole, Halbwellen oder Referenzlagen angegeben.
Zur kompakten Kennzeichnung wird eine Kurznotation eingeführt. Sie fasst die wesentlichen Merkmale in der Reihenfolge der Einteilungsebenen zusammen. Zunächst werden die Angaben zu Art, Form und geometrischer Anordnung aufgeführt. Anschließend wird die magnetische Ausprägung angegeben, bei zonenbezogener Beschreibung in eckigen Klammern und bei feldbezogener Beschreibung in runden Klammern. Abschließend werden weiterführende Spezifikation und Quantifizierung angehängt. Sind innerhalb einer Einteilungsebene mehrere Angaben erforderlich, beispielsweise bei mehreren Spuren, werden diese durch einen Doppelpunkt getrennt. Beispiele sind in Abbildung 7.1 gezeigt.
Die Einteilung in fünf Ebenen bezieht sich auf die Repräsentation einer Maßverkörperung. Insbesondere auf der vierten Ebene kann dieselbe Maßverkörperung je nach Zweck zonenbezogen über ein Zonenmuster oder feldbezogen über ein Polmuster beziehungsweise die Ausprägung der Halbwellen beschrieben werden. Beispielsweise können Ra[OOP]48 und Ra(IP)48 dieselbe Maßverkörperung einmal in zonenbezogener und einmal in feldbezogener Repräsentation bezeichnen.
Das Einteilungssystem ist in der Taxonomie magnetischer Maßverkörperungen in Abbildung 7.14 übersichtlich dargestellt. Die folgenden Unterkapitel beschreiben die Einteilungsebenen für jede der drei Hauptgruppen im Detail.
7.2 Dipolmagnete
Dipolmagnete „D“ sind magnetische Maßverkörperungen, deren Polarisation durch eine einzelne magnetisierte Zone beschrieben werden kann. Im Außenraum wird das Magnetfeld typischerweise durch den Dipolanteil dominiert. Sie stellen damit hinsichtlich ihrer magnetischen Struktur die einfachste Art dar.
Auf der zweiten Einteilungsebene werden Dipolmagnete anhand ihrer geometrischen Form unterschieden. Die gängigste Ausführung ist der Quader „Q“. Abhängig vom Verhältnis seiner Kantenlängen werden quaderförmige Magnete häufig auch als Würfel-, Platten- oder Stabmagnete bezeichnet. Weitere verbreitete Formen sind Zylinder „Z“, Ringe „R“, Ringsegmente „S“ und Trapezprismen „T“. Trapezprismen werden insbesondere als Einzelmagnete zum Aufbau zusammengesetzter magnetischer Strukturen, beispielsweise von Halbach-Anordnungen, eingesetzt.
Die dritte und die fünfte Einteilungsebene entfallen bei Dipolmagneten, da sie nur aus einer einzelnen Zone bestehen.
Die magnetische Ausprägung auf der vierten Einteilungsebene wird durch die Polarisationsrichtung in eckiger Klammer beschrieben. Quaderförmige Dipolmagnete sind typischerweise entlang einer ihrer Hauptachsen axial polarisiert „a“. Bei Zylindern und Ringen werden insbesondere axiale „a“, diametrale „d“ und radiale „r“ Polarisation unterschieden. Axiale Polarisation verläuft parallel zur Zylinderachse, diametrale Polarisation senkrecht dazu und radiale Polarisation in radialer Richtung. Freie Polarisationsrichtungen „f“ werden angegeben, wenn die Polarisation keiner der definierten Standardrichtungen entspricht.
Abbildung 7.2 zeigt typische Beispiele der hier beschriebenen Ausführungen, großteils in der farbcodierten Zonendarstellung.
7.3 Multipolmagnete
Multipolmagnete „M“ sind magnetische Maßverkörperungen, die aus mehreren Zonen bestehen. Im Unterschied zu magnetischen Maßstäben ist ihre magnetische Struktur weniger komplex und nicht in magnetische Spuren gegliedert.
Auf der zweiten Einteilungsebene wird ihre geometrische Form beschrieben. Analog zu Dipolmagneten werden insbesondere Quader „Q“, Zylinder „Z“, Ringe „R“, Ringsegmente „S“ und Trapezprismen „T“ unterschieden. Entspricht die Form der Maßverkörperung wegen komplexer Zusammensetzung keiner der hier beschriebenen Formen, kann alternativ die Zonenform herangezogen werden, siehe MTs[h]8 in Abbildung 7.3.
Auf der dritten Einteilungsebene wird die geometrische Anordnung der Zonen oder Pole beschrieben. Sie können geradlinig beziehungsweise axial „a“ oder sektoral beziehungsweise kreisförmig „s“ angeordnet sein. Darüber hinaus wird zwischen einreihigen und mehrreihigen Anordnungen unterschieden.
Die magnetische Ausprägung von Multipolmagneten wird auf der vierten Einteilungsebene zonenbezogen in eckigen Klammern und feldbezogen in runden Klammern angegeben. In der feldbezogenen Einteilung werden Out-of-Plane „OOP“ und In-Plane „IP“ unterschieden; in der zonenbezogenen Einteilung sind zusätzlich Halbach-Anordnungen „h“ möglich. Bei rotationssymmetrischen Maßverkörperungen können alternativ in beiden Fällen die Bezeichnungen axial „a“, diametral „d“ und radial „r“ verwendet werden, die jeweils die entsprechende Ausrichtung des magnetischen Musters beschreiben. Anordnungen, die keiner dieser Klassen zugeordnet werden können, werden als frei „f“ gekennzeichnet.
Auf der fünften Einteilungsebene wird die Struktur durch die Anzahl der Elemente weiter spezifiziert. Je nach gewählter Repräsentation kann es sich dabei um Zonen oder Pole handeln. Bei mehrreihigen Anordnungen wird sie für jede Reihe getrennt angegeben.
Abbildung 7.3 zeigt typische Beispiele der hier beschriebenen Ausführungen in Zonen- und Poldarstellungen.
7.4 Magnetische Maßstäbe
Magnetische Maßstäbe sind Maßverkörperungen mit komplexer magnetischer Struktur, die in eine oder mehrere magnetische Spuren gegliedert ist. Auf zweiter Ebene unterscheidet man Linearmaßstäbe „L“ und Rotationsmaßstäbe „R“. Auf dritter Ebene werden Rotationsmaßstäbe in Maßstäbe mit innenliegenden Radialspuren „i“, außenliegenden Radialspuren „o“ und Axialspuren „a“ eingeteilt.
Die Beschreibung der magnetischen Ausprägung auf der vierten Einteilungsebene erfolgt entweder zonen- oder feldbezogen. Zonenbezogene Angaben werden durch eckige Klammern, feldbezogene Angaben durch runde Klammern gekennzeichnet. Die zonenbezogene Beschreibung erfolgt anhand des Zonenmusters. Typische Anordnungen sind In-Plane „IP“, Out-of-Plane „OOP“ und Halbach „h“. Die feldbezogene Beschreibung erfolgt anhand des Polmusters oder der Halbwellen einer ausgewählten Streufeldkomponente. Dabei werden In-Plane-Komponenten „IP“ und Out-of-Plane-Komponenten „OOP“ unterschieden.
Auf der fünften Einteilungsebene wird die magnetische Struktur durch den Spurtyp sowie gegebenenfalls eine zugehörige Kenngröße gekennzeichnet, die die Anzahl der Elemente oder Referenzlagen angibt. Bei mehrspurigen Maßstäben werden die Angaben für die einzelnen Spuren durch Doppelpunkte getrennt angegeben.
Die Spurtypen beschreiben die magnetische Strukturierung einer Spur und dienen ihrer funktionalen Unterscheidung. Ein Spurtyp kann durch unterschiedliche Zonenmuster, beispielsweise IP, OOP oder Halbach, realisiert und sowohl zonen- als auch feldbezogen beschrieben werden. In den nachfolgend dargestellten schematischen Mustern werden Zonen, Pole und Halbwellen abstrahierend als Elemente bezeichnet; Richtungssymbole werden nicht verwendet. Im Zweifelsfall beziehen sich die dargestellten Elemente auf Halbwellen.
Inkrementalspuren „I\(x\)“ bestehen aus \(x\) alternierenden Elementen gleicher Länge. Das daraus resultierende periodische Spurfeld ermöglicht die Erfassung relativer Lage-, Winkel- oder Geschwindigkeitsänderungen mit hoher Ortsauflösung. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.4 gezeigt.
Referenzspuren „R\(x\)“ kennzeichnen \(x\) definierte Referenzlagen, beispielsweise Start- oder Endlagen. Eine Referenz wird typischerweise nicht durch ein einzelnes Element, sondern durch eine charakteristische Kombination mehrerer Elemente gebildet. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.5 gezeigt.
Eine Sonderform bilden abstandscodierte Referenzspuren „RC\(x\)“ mit \(x\) Referenzlagen. Die Lage wird dabei aus dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Referenzen bestimmt. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.6 gezeigt.
Für bestimmte Anwendungen können Spuren mit variablen Elementlängen eingesetzt werden. Ein wichtiger Vertreter ist der Pseudorandomcode „P“, der beispielsweise auf einer Pseudozufalls-Binärfolge (pseudo-random binary sequence, PRBS) beruhen kann. Dabei handelt es sich um eine Codierung, aus der mit geeigneter Sensorik die absolute Lage bestimmt werden kann. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.7 gezeigt.
Die Bestimmung der Absolutlage ist auch mit gedrehten Elementgrenzen „V“ möglich. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.8 gezeigt.
Kombinationen mehrerer parallel verlaufender Spuren eröffnen weitere Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann eine Inkrementalspur mit einer Referenzspur kombiniert werden, um einen definierten Bezugspunkt für die Zählung der Inkremente festzulegen. Nach dem Anfahren der Referenzlage kann daraus eine absolute Lage mit der hohen Genauigkeit der Inkrementalspur bestimmt werden. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.9 gezeigt.
Auch bei der Kombination einer Inkrementalspur mit einer abstandscodierten Referenzspur kann eine absolute Lage bestimmt werden. Dies ist gegenüber der Kombination mit einfacher Referenzspur bereits nach kürzerer Relativbewegung möglich. Ein entsprechendes Beispiel ist in Abbildung 7.10 gezeigt.
Wenn zwei Inkrementalspuren nebeneinander angeordnet sind und sich ihre Elementanzahlen in einem definierten Verhältnis unterscheiden, kann aus dem Phasenbezug zwischen den beiden Spuren die Absolutlage bestimmt werden. Die Kombination wird häufig als Noniusmuster bezeichnet. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.11 gezeigt.
Mit einem Pseudorandomcode kann die absolute Lage direkt bestimmt werden. Die erreichbare Auflösung ist jedoch begrenzt. Durch die Kombination mit einer Inkrementalspur können Messauflösung und -genauigkeit erhöht werden. Dabei liefert die Pseudorandomcode-Spur die absolute Lage, während die Inkrementalspur zur höher aufgelösten Feinbestimmung und gegebenenfalls zur Korrektur verwendet wird. Ein Beispiel ist in Abbildung 7.12 gezeigt.
Abbildung 7.13 zeigt Beispiele typischer magnetischer Maßstäbe mit der jeweils zugehörigen Kurznotation.
7.5 Taxonomie magnetischer Maßverkörperungen
