DE10151096C1 - Umdrehungszähler - Google Patents

Abstract

Bei einem Umdrehungszähler mit einem am Ende eines schwenkbar gelagerten Armes (4) angeordneten Magneten (5) und mehreren im Abstand von seiner Welle (1) auf einem Umkreis angeordneten ortsfesten Spulen verbinden Stege (9), von denen mindestens einige die Kerne der Spulen bilden, einen die Welle (1) umgebenden magnetisch leitenden Ring (8) mit konzentrisch zu letzterem angeordneten, durch Spalte (22) voneinander getrennten, ebenfalls magnetisch leitenden Ringsegmenten (10-15). Der am Ende des Armes (4) angeordnete Magnet (5) passiert während der Drehung der Welle (1) die Spulen. Bei niedrigen Drehzahlen der Welle (1) des Umdrehungszählers wird der Arm (4) im Bereich der Spalte (22) zwischen den Ringsegmenten (10-15) stark beschleunigt, so dass es in den Wicklungen (16-18; 37-39) der Spulen zur Bildung eines starken Spannungsimpulses infolge von Induktion kommt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umdrehungszähler mit einem am Ende eines an der Stirn­ seite seiner Welle um begrenzte Beträge schwenkbar gelagerten Armes angeordneten Magneten und mit mehreren im Abstand von der Welle um diese herum angeordneten ortsfesten Spulen.

Ein Umdrehungszähler der vorgenannten Art ist aus der DE 199 60 891 A1 bekannt. Bei dem bekannten Gerät trägt der im Zentrum der Stirnseite der Welle gelagerte Arm an seinem freien Ende einen Permanentmagneten, dessen Magnetisierung parallel zur Längsachse der Welle ausgerichtet ist und der während der Drehung der Welle mehrere auf einem Umkreis zur Welle angeordnete, ebenfalls parallel zur Wellenlängs­ achse magnetisierte, ortsfeste Permanentmagnete wechselnder Polarität passiert, zwi­ schen denen Spulen angeordnet sind. Die Mitnahme des Armes durch die Welle erfolgt über jeweils eine von zwei, einen Winkel zwischen sich einschließenden Anschlagkan­ ten, die eine winkelmäßig begrenzte Schwenkbewegung des Armes gegenüber der Welle zulassen. Nähert sich der Magnet des Armes dabei einem gegensinnig gepolten ortsfesten Magneten, so kommt es zu einem Anziehungseffekt, der den Arm von der ihn mitnehmenden Anschlagkante in Richtung der gegenüberliegenden Anschlagkante in eine Position bewegt, in der die gegensinnigen Pole (z. B. Nord- und Südpol) solange miteinander fluchten, bis die "nacheilende" Anschlagkante wieder gegen den Arm an­ schlägt und den armseitigen Magneten aus dem Anziehungsbereich des gegensinnigen Magneten über eine Spule zu einem gleichsinnigen ortsfesten Magneten bewegt. So­ bald der armseitige Magnet den ortsfesten, gleichsinnigen Magneten passiert hat, wird er von diesem abgestoßen und schlagartig an einer weiteren Spule vorbei in den Be­ reich eines wiederum gegensinnig gepolten ortsfesten Magneten bewegt. Die schlagar­ tige Bewegung erzeugt in der zweiten Spule eine beträchtliche Induktionsspannung, die eine Gewähr dafür bietet, dass auch bei langsamer Drehgeschwindigkeit der Welle eine zur Erzielung einwandfreier Messergebnisse ausreichende Mindestspannung induziert wird.

Bei dem Drehgeber der DE 43 42 069 A1 ebenfalls ein Arm von einer Antriebswelle drehend angetrieben, wobei auf dem Arm drehfest ein Permanentmagnet angeordnet ist. Diesem drehbar angetriebenen Permanentmagneten liegen mindestens zwei, wie­ derum auf Wellen drehbar ausgebildete Permanentmagnete gegenüber, an denen sich der erstgenannte, auf dem Arm befindliche Permanentmagnet vorbei bewegt.

Läuft nun der innere, drehend angetriebene Permanentmagnet an einem außen liegen­ den, drehbar gelagerten Permanentmagneten, dann kommt es entweder zu einer An­ ziehung oder Abstoßung des jeweils betroffenen drehbar gelagerten Permanent­ magneten.

Kommt es zu einer Anziehung der sich gegenüberstehenden Permanentmagneten, d. h. liegt beispielsweise ein Nordpol auf dem drehbar angetriebenen Permanentmag­ neten einem gegenüber liegenden Südpol gegenüber, wird in der dahinter liegenden Spule keine der Induktionsspannungen induziert. Kommt es hingegen zu einer Gegen­ überstellung von einem Nordpol des drehbaren Permanentmagneten zu einem Nordpol des drehbar gelagerten, radial auswärts angeordneten Permanentmagneten, dann dreht sich dieser Permanentmagnet aufgrund der herrschenden Abstoßungskraft schlagartig um und induziert so eine Induktionsspannung in der dahinter liegenden In­ duktionsspule.

Auf diese Weise wird also ein Energiespeicher realisiert, der im Wesentlichen aus drehbar gelagerten Permanentmagneten besteht, wobei diese drehbar gelagerten Per­ manentmagnete je nach ihrer Drehlage und Beschleunigung in der radial auswärts lie­ genden, jeweils zugeordneten Induktionsspule eine Induktionsspannung induziert.

Die bekannten Anordnungen vermögen insofern nicht voll zu befriedigen als der wech­ selnde Kontakt zwischen dem Arm und den Anschlagkanten bei mittleren Drehzahlen zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führt, die sich durch Verwendung geeig­ neter Materialien lediglich dämpfen lässt. Hinzu kommt, dass die Zahl der benötigten Magnete vergleichsweise groß ist und bei Umdrehungszählern mit einer hohlen Welle der Arm durch einen gesondert gelagerten Ring ersetzt werden muss.

In der US 3,118,075 ist ein Drehimpulsgenerator beschrieben, bei dem eine langsame Drehbewegung über ein Zahnradpaar auf ein Element übertragen wird, dass die Bewe­ gungsenergie in einer Feder speichert. Auf diese Weise ergibt sich eine schlagartige Drehung, die zur Energieerzeugung herangezogen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umdrehungszähler zu schaffen, der praktisch geräuschlos arbeitet, der mit einem Magneten auskommt und dessen Aufbau sowohl für Voll- als auch Hohlwellenkonstruktionen geeignet ist. Diese Aufgabe wird bei einem Umdrehungszähler der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass magnetisch leitende Stege, von denen mindestens einige die Kerne der Wicklungen der Spulen bilden, einen magnetisch leitenden, die Welle umgebenden Ring mit konzentrisch zu letzterem angeordneten, durch Spalte voneinander getrennten, ebenfalls magnetisch leitenden Ringsegmenten verbinden, dass der Ma­ gnet radial magnetisiert ist und dass durch ihn beim Passieren der Spalte Span­ nungsimpulse in den Wicklungen der Spulen induzierbar sind.

Der erfindungsgemäße Umdrehungszähler arbeitet praktisch geräuschlos. Er kann je nach Bedarf eine Voll- und eine Hohlwelle aufweisen. Zur Erzeugung seiner Span­ nungsimpulse genügt ein einzelner Magnet. Mehr als drei Spulen werden nicht benötigt.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen und der nachstehenden Beschreibung zweier Ausführungsformen, deren grund­ sätzlicher Aufbau in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Frontansicht der wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Umdrehungszählers,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild des Umdrehungszählers gemäß Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 die Frontansicht der wesentlichen Teile eines modifizierten Umdrehungszählers.

In den Fig. 1 und 2 ist 1 eine als Hohlwelle ausgebildete Welle, die mit der Welle, deren Bewegung erfasst werden soll, in bekannter, hier nicht dargestellter Weise ver­ bunden ist.

Die Welle 1 weist an ihrer Stirnseite eine gegenüber dem Zentrum der Welle 1 versetz­ te Bohrung 2 für einen Stift 3 auf, der eine Schwenkachse für einen Arm 4 bildet. Der Arm 4 besteht aus magnetisch leitfähigem Material und trägt an seinem äußeren Ende einen Magneten 5 mit einer durch einen Doppelpfeil 6 angedeuteten permanenten ra­ dialen Magnetisierung. An der dem Arm 4 diametral gegenüberliegenden Seite der Welle 1 ist diese mit einem Ausgleichsgewicht 7 ausgestattet. Mit einem die Hohlwelle 1 umschließenden Ring 8 sind über magnetisch leitende, einen im Wesentlichen recht­ eckigen Querschnitt aufweisende Stege 9 Ringsegmente 10 bis 15 verbunden, von de­ nen sich die Ringsegmente 10, 12 und 14 über einen größeren Winkelbereich erstrecken als die Ringsegmente 11, 13 und 14, deren Stege 9 Kerne für Wicklungen 16 bis 18 dreier gleichmäßig über den Umfang der Hohlwelle 1 verteilter Spulen bilden.

Der Abstand A zwischen der jeweiligen Spule und den Enden des ihr jeweils zugeord­ neten Ringsegmentes sollte möglichst klein, d. h. nicht größer als die maximale Breite B ihrer Wicklungen sein, wie dies in Fig. 1 anhand des Ringsegmentes 11 dargestellt ist. Die an den Unterseiten des Ringes 8 und der Ringsegmente 11, 13 und 15 befestigten Kerne 9 stützen sich, wie in Fig. 2 anhand des mit dem Ringsegment 13 verbundenen Kernes 9 gezeigt, über magnetisch nicht leitende Abstandshalter 19, 20 und nicht dar­ gestellte Befestigungsmittel wie Schrauben oder Nieten an einer konzentrisch unterhalb der Wicklungen 16, 17, 18 angeordneten ringförmigen Leiterplatte 21 ab. Auf die Leiter­ platte 21 können nicht nur Spannungsimpulse der einzelnen Wicklungen übertragen werden, sondern sie kann auch mit einer Auswerteelektronik der in Fig. 3 beschriebe­ nen Art ausgestattet sein.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, haben die Ringsegmente 10 bis 15 eine Höhe H, die min­ destens gleich der Summe aus den Höhen h₁ und h₂ des Ringes 8 und des Magneten 5 ist.

Die jeweils aufeinanderfolgenden Ringsegmente 10 bis 15, von denen man die Seg­ mente 11, 13 und 15 als Wirksegmente und die Segmente 10, 12 und 14 als Hilfsseg­ mente bezeichnen könnte, sind durch jeweils einen Spalt 22 voneinander getrennt, des­ sen Breite im Wesentlichen gleich der Breite des Magneten 5 ist und der für das ein­ wandfreie Funktionieren des Umdrehungszählers bei niedrigen Drehzahlen von aus­ schlaggebender Bedeutung ist, wie sich dies aus der nachstehenden Beschreibung der Wirkungsweise des Umdrehungszählers ergibt.

In seiner in Fig. 1 in Vollinien dargestellten Position wird der radial orientierte Magnet 5 vom Ringsegment 10 angezogen.

Dreht sich die Hohlwelle 1 im Uhrzeigersinn, so behält der Arm 4 diese Position bei, bis er in die Nähe des Spaltes 22 zwischen den Ringsegmenten 10 und 11 kommt. Hier hat der Magnet 5 das Bestreben, am Ringsegment 10 haften zu bleiben, d. h., er führt bei sich weiter drehender Hohlwelle 1 eine Schwenkbewegung entgegen dem Uhrzeiger­ sinn aus, bis er die in Fig. 1 durch den Pfeil 23 angezeigte Position erreicht hat. Am Ende der Schwenkbewegung löst sich der Magnet 5 vom Ringsegment 10, um schlag­ artig in die, durch den Pfeil 24 gekennzeichnete Position überzugehen. Durch die schnelle Schwenkbewegung wird in der Wicklung 16 ein kräftiger Spannungsimpuls er­ zeugt, der ausreicht, um auch bei niedrigen Drehzahlen ein für die elektronische Aus­ wertung ausreichendes Signal zu erhalten. Im Zuge der Auswertung gelangen die in den Wicklungen 16, 17, 18 nacheinander induzierten Spannungen über Dioden 25, 26, 27 zu einer Auswerteelektronik 28. Zusätzlich wird mit den Spannungsimpulsen über die Dioden 29, 30, 31 ein nicht gezeichneter Mikroprozessor der Auswerteelektronik 28 beaufschlagt. Der Mikroprozessor fragt den nichtflüchtig abgespeicherten, d. h. den auch in spannungslosem Zustand festgehaltenen Zählerstand über die Anzahl der be­ reits aufgelaufenen Impulse ab und addiert bei Rechtsdrehung der Hohlwelle 1 und sich im Uhrzeigersinn bewegendem Arm 4 jeweils einen Zählimpuls pro Spannungsimpuls hinzu. Umgekehrt wird der Zählerstand um jeweils einen, einer Drittelumdrehung ent­ sprechenden Schritt herabgesetzt, wenn auf den vorhergehenden Spannungsimpuls ein vom entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufenden Arm 4 bzw. Magneten 5 in einer Wicklung erzeugter Spannungsimpuls folgt.

Negative Impulse, die auftreten, wenn der Arm 4 mit seinem Magneten 5 jeweils eines der mit einer Wicklung ausgestatteten Ringsegmente verlässt, werden von den Dioden 25 bis 31 unterdrückt, d. h., es werden nur positive Spannungsimpulse in der Auswer­ teelektronik 28 ausgewertet.

32 ist eine Z-Diode, die die Spannungsimpulse auf einen für die Auswerteelektronik ge­ eigneten Wert begrenzt, sobald die zu erfassenden Drehzahlen auf Werte ansteigen, die Schwenkbewegungen des Armes 4 im Bereich der Spalte 22 nicht nur überflüssig, sondern auch unmöglich machen, weil der Arm 4 infolge der auf ihn einwirkenden Fliehkraft seine in Fig. 1 in Vollinien dargestellte, gestreckte Position beibehält. Wäh­ rend mit steigender Drehzahl die in den Wicklungen 16, 17, 18 induzierten Spannungen zunehmen, nimmt die Zeit, während der sie anfallen, ab, wobei die Spannungs-Zeit-Flä­ che annähernd konstant bleibt.

Der durch die die Größe der induzierten Spannungen begrenzenden Z-Diode fließende Strom baut bei abklingendem Spannungsimpuls die in der jeweiligen Wicklung gespei­ cherte magnetische Energie ab. Die Spannungsimpulse werden also nicht nur in ihrer Höhe begrenzt, sondern auch in ihrer Breite verlängert, so dass sie auch bei hohen Drehzahlen genügend lange zur Verfügung stehen, um die Auswerteelektronik 28 so lange mit Energie zu versorgen, bis ihr Mikroprozessor den neuen Zählerwert verarbei­ tet und in seinem nichtflüchtigen Speicher abgelegt hat.

Während die Fig. 1 und 2 eine Lösung zeigen, bei der die Welle 1 als Hohlwelle mit einem vergleichsweise großen Außendurchmesser ausgebildet ist, zeigt die Fig. 4 ei­ ne Ausführungsform mit einer als Vollwelle ausgebildeten Welle 33, deren Durchmes­ ser deutlich kleiner ist und folglich eine kompaktere Bauweise des Umdrehungszählers und einen Verzicht auf wicklungsfreie Ringsegmente 10, 12, 14 ermöglicht. Dabei ist al­ lerdings darauf zu achten, dass der Winkelabstand zwischen den die Ringsegmente 34, 35 und 36 voneinander trennenden Spalten 22 und den auch hier von Stegen 9 gebil­ deten Kernen der Wicklungen 34, 38 und 39 nicht zu groß wird. Auch bei dieser Aus­ führungsform wird beim schlagartigen Positionswechsel des den Magneten 5 tragenden Armes 4 z. B. in der Wicklung 38 ein kräftiger Spannungsimpuls erzeugt. Anders als bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird aber auch in der Wicklung 39 ein nicht minder kräftiger Spannungsimpuls, jedoch umgekehrter Polarität induziert. Richtet man die Spannungsimpulse mit Hilfe von Brückengleichrichtern mit niedriger Schleusen­ spannung gleich und schaltet man sie anschließend parallel, so lässt sich die Energie für die Spannungsversorgung der Schaltung verdoppeln. Zum Zählen der Span­ nungsimpulse wird jeweils deren positive Flanke ausgewertet, so dass aus der Reihen­ folge der in den Wicklungen 37, 38, 39 auftretenden positiven Spannungen auf die je­ weilige Drehrichtung der Welle 33 geschlossen werden kann.

Selbstverständlich wäre es auch möglich, jedem der Ringsegmente 34, 35 und 36 je­ weils zwei Spulen zuzuordnen.

Claims (12)

1. Umdrehungszähler mit einem am Ende eines an der Stirnseite seiner Welle um be­ grenzte Beträge schwenkbar gelagerten Armes angeordneten Magneten und mit meh­ reren im Abstand von der Welle um diese herum angeordneten ortsfesten Spulen, da­ durch gekennzeichnet, dass magnetisch leitende Stege (9), von denen mindestens einige die Kerne der Wicklungen (16, 17, 18; 37, 38, 39) der Spulen bilden, einen ma­ gnetisch leitenden, die Welle (1; 33) umgebenden Ring (8) mit konzentrisch zu letzte­ rem angeordneten, durch Spalte (22) voneinander getrennten, ebenfalls magnetisch lei­ tenden Ringsegmenten (10-15; 34-36) verbinden, dass der Magnet (5) radial magne­ tisiert ist und dass durch ihn beim Passieren der Spalte (22) Spannungsimpulse in den Wicklungen (16, 17, 18; 37, 38, 39) der Spulen induzierbar sind.

2. Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ringsegment (34, 35, 36) über einen den Kern einer Wicklung (37, 38, 39) bildenden Steg (9) mit dem Ring (8) verbunden ist.

3. Umdrehungszähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von je­ weils aufeinanderfolgenden Ringsegmenten (34, 35, 36) zugeordneten Spulen erzeug­ ten Spannungsimpulse gleichgerichtet und parallel geschaltet werden.

4. Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes zweite Ringsegment (11, 13, 15) über einen den Kern einer Wicklung (16, 17, 18) bildenden Steg (9) mit dem Ring (8) verbunden ist.

5. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang der Welle (1; 33) drei Spulen gleichmäßig verteilt sind.

6. Umdrehungszähler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Ringsegmente (11, 13, 15), die über Wicklungen (16, 17, 18) tragende Stege (9) mit dem Ring (8) verbunden sind, kleiner ist als die Länge der Ringssegmente (10, 12, 14), die über wicklungsfreie Stege (9) mit dem Ring (8) verbunden sind.

7. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) der Spulen von den Enden der ihnen zugeordneten Ringseg­ mente (11, 13, 15) kleiner als die größte Breite (B) ihrer Wicklungen ist.

8. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) der Ringsegmente (10-15) mindestens gleich der Summe aus der Höhe (h₁) des Ringes (8) und der Höhe (h₂) des am freien Ende des magnetisch leiten­ den Armes (4) angeordneten Magneten (5) ist.

9. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einer dem Arm (4) diametral gegenüberliegenden Stelle der Welle (1) ein Aus­ gleichsgewicht (7) angeordnet ist.

10. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass seine Welle (1) als Hohlwelle ausgebildet ist.

11. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der den Magneten (5) tragende Arm (4) außerhalb des Zentrums der Welle (1; 33) mit der Welle (1; 33) verbunden ist.

12. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Spalte (22) im Wesentlichen gleich der Breite des Magneten (5) ist.