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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Konstruktion und Fertigung eines Spulenkörpers für ein dreidimensionales Magnetfeldnormal

10.11.2022

Für die Kalibrierung von mehrachsigen Magnetfeldsensoren (Messbereich bis 2 mT), die zunehmend wichtig für industrielle und kommerzielle Anwendungen werden, und zur Erzeugung spezieller Magnetfeldkonfigurationen wurde ein Spulenhalter mit 3 orthogonalen Raumachsen gefertigt. Auf diesem sind in jeder Raumrichtung jeweils zwei Spulenpaare mit unterschiedlichen Durchmessern aufgebracht, die im Innenbereich ein homogenes Magnetfeld erzeugen. In dem von allen Seiten zugänglichen Hohlraum können Prüflinge bis zu einem Durchmesser von 48 mm im Mittelpunkt des Magnetfeldes positioniert und kalibriert werden. Die technische Realisierung des messtechnisch optimierten Spulenlayouts und seiner konstruktiven Ausführung wurde monolithisch aus einem 450 mm x 450 mm x 450 mm großen Halbzeug aus thermoplastischem Kunststoff (POM-C) größtenteils auf einem 6-Achs-Bearbeitungszentrum vorgenommen. Die Herstellung eines ausreichend dimensionierten Hohlraums zur Aufnahme der Sensoren im Inneren des Spulenkörpers war eine technische Herausforderung.

Die Fertigung der drei orthogonalen Querbohrungen war dabei ausschlaggebend für die Präzision der weiteren Fertigung, da diese Achsen der Bohrungen die Orientierung für die zahlreichen Umspannvorgänge zur Herstellung der Wicklungsspuren festlegten. Erforderlich waren hier Abweichungen von der Orthogonalität von kleiner als ±0,01 °, um die Genauigkeit der späteren Messungen gewährleisten zu können. Erreicht wurde dies durch jeweils präzises Einmessen des Werkstücks in der Bearbeitungsmaschine und wiederholte fertigungsbegleitende Messungen auf einem Koordinatenmessgerät, verbunden mit einer angepassten Fertigungsstrategie. Es waren u.a. die Anforderungen des Werkstoffs, beispielsweise die Zerspanbarkeit und die Feuchtigkeitsaufnahme durch Kühlschmiermittel, zu berücksichtigen.


Bild 1: Kontrolle der Achsrichtungen X Y Z und des Koordinatenursprungs im Zentrum des Werkstücks

Die Wicklungsspuren wurden anschließend in mehreren Bearbeitungsschritten, denen jeweils Messungen vorangingen, gefertigt, da sich auch die Geometrie und Lage der Spuren zueinander während des Fertigungsprozesses beeinflussten und dieses im Prozess berücksichtigt werden musste.


Bild 2: Herstellung des Spulensystems

Nach dem anschließenden Einbringen der Spulenwicklungen und Aufnahme in die eigens entwickelte und gefertigte Auflagevorrichtung wurde das Spulensystem charakterisiert und steht in der PTB als neues 3D- Magnetfeldnormal zu Verfügung.


Bild 3: 3D-Magnetfeldnormal

 

 

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