DE102004004100A1

DE102004004100A1 - Positionssensor und entsprechendes Verfahren zum Detektieren der Position eines Rotationskörpers

Info

Publication number: DE102004004100A1
Application number: DE102004004100A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Finkler; Hans-Georg Dr. Köpken; Christoph Dr. Nolting; Günter Schwesig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: US20050162156A1; DE102004004100B4; US7242182B2

Abstract

Zur Erfassung einer kombinierten Linear-Dreh-Bewegung soll ein verschleißarmer Sensor mit geringem konstruktiven Aufwand vorgeschlagen werden. Hierzu wird ein PLCD-Sensor bereitgestellt, dessen Magnet (5) um die längsgestreckte Spule (2) rotieren kann. Hierfür eignet sich insbesondere ein Ringmagnet. Die lineare Position des Ringmagneten lässt sich unabhängig von seiner Rotationsbewegung (7) durch die in den Spulen (3, 4) induzierte Spannung feststellen. Die Erfassung der Linearposition ist berührungslos und damit verschleißfrei.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionssensor zum Detektieren einer axialen Position eines Rotationskörpers mit einem längsgestreckten, weichmagnetischen Kern, einer ersten Spule, die um den weichmagnetischen Kern in seiner im Wesentlichen gesamten Längserstreckung gewickelt ist, einer zweiten Spule, die gegenüber der ersten Spule in Längsrichtung des Kerns kurz ist und um ein Ende des Kern gewickelt ist, und einem Magneten, der in Längsrichtung des Kerns platziert und verschiebbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Detektieren einer axialen Position eines Rotationskörpers.

Für bestimmte Anwendungen, z.B. Reiberwalzen bei Druckmaschinen, sind Antriebe erforderlich, bei denen eine Drehbewegung mit einer kurzhubigen Linearbewegung überlagert werden kann. Durch einen sogenannten Kombinationsantrieb, bei dem ein elektrischer (Dreh-) Motor mit einem Linearmotor konstruktiv vereint sind, kann eine derartige überlagerte Bewegungsform erzeugt werden. Beide Teilantriebe benötigen jeweils einen Rückkopplungssensor, der unbeeinflusst von der jeweils anderen Bewegung sein muss. Dies bedeutet, dass der lineare Positionssensor nicht von der Drehbewegung des Antriebs beeinflusst werden darf und der Rotationssensor unabhängig von einer linearen Bewegung arbeiten muss.

In der Druckindustrie werden für Reiberwalzen derzeit jedoch hauptsächlich Kombinationsantriebe eingesetzt, bei denen die Linearbewegung über ein Mechanik, beispielsweise Kurvenscheiben, Pleuel, etc., aus der Drehbewegung erzeugt wird. In diesem Fall ist nur ein herkömmlicher Rotationssensor erforderlich, der in den Motor integriert ist. Er erfasst die Drehbe wegung, und aus ihr ergibt sich automatisch die Linearbewegung.

Da jedoch der Bedarf besteht, die Teilbewegungen des Antriebs unabhängig voneinander durchführen zu können, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Sensor vorzuschlagen, mit dem die Linearbewegung bzw. -position unabhängig von einer Drehbewegung erfasst werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Positionssensor zum Detektieren einer axialen Position eines Rotationskörpers mit einem längsgestreckten, weichmagnetischen Kern, einer ersten Spule, die um den weichmagnetischen Kern in seiner im Wesentlichen gesamten Längserstreckung gewickelt ist, einer zweiten Spule, die gegenüber der ersten Spule in Längsrichtung des Kerns kurz ist und um ein erstes Ende des Kerns gewickelt ist, und einem Magneten, der in Längsrichtung des Kerns polarisiert und verschiebbar ist, sowie einer Rotationseinrichtung, mit der der Magnet um die Längsachse des Kerns drehbar ist. Beim Einsatz des Positionssensors ist es jedoch unerheblich, ob der Magnet um die Spule oder die Spule gegenüber einem ortsfesten Magneten gedreht wird.

Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Detektieren einer axialen Position eines Rotationskörpers durch Bereitstellen eines Magneten, der mit dem Rotationskörper fest verbunden ist, Drehen des Magneten mit dem Rotationskörper um dessen Achse und berührungsloses Erfassen der axialen Position des Magneten.

Vorzugsweise wird zum Erfassen der axialen Position des Magneten der Kern einer koaxial mit dem Rotationskörper angeordneten Spule an einer Stelle, die der axialen Position des Magneten entspricht, durch den Magneten magnetisch gesättigt. Durch das veränderte Verhalten der Spule kann somit die Position des Rotationskörpers verhältnismäßig genau und berührungslos bestimmt werden.

Um eine annähernd lineare Kennlinie für die Erfassung der Linearposition des Magneten zu erhalten, kann eine dritte Spule, die gegenüber der ersten Spule in Längsrichtung des Kerns kurz ist und um ein zweites Ende des Kerns gewickelt ist, vorgesehen sein.

Der Magnet kann ferner ringförmig ausgestaltet sein, wobei der genannte weichmagnetische Kern einschließlich der ersten Spule in seiner Öffnung angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann der Bereich des Kerns, der im Inneren des Magnetrings liegt, sehr gut gesättigt werden. Falls der Magnet nicht ringförmig ist, muss er entsprechend stark magnetisiert sein, damit eine ausreichende Sättigung im Kern erreicht und damit ein hinreichendes Positionssignal gewonnen werden kann.

Bei dem Magneten handelt es sich günstigerweise um einen Permanentmagneten, so dass eine minimale Baugröße bei gleichzeitig einfacher Handhabung erzielt werden kann. Der Magnet ist vorzugsweise an dem Rotationskörper bzw. einem Teil davon befestigt, der somit als Rotationseinrichtung dient.

Der weichmagnetische Kern der ersten Spule ist vorzugsweise stabförmig oder streifenförmig ausgebildet. Damit ergibt sich eine günstige Bauform für die langgestreckte erste Spule. Falls die Spule rundstabförmig ausgebildet ist, ist das Positionssensorsignal unabhängig von der Form des Magneten gegenüber einer Drehbewegung invariant.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt der Positionssensor die Funktionsweise eines PLCD-Sensors. Für den erfindungsgemäßen Gebrauch ist lediglich der Magnet eines käuflich erwerbbaren PLCD-Sensors an den Rotationskörper zu montieren, oder stattdessen ein Ringmagnet zu verwenden, in dessen Innerem ein verstärktes Magnetfeld vorliegt.

Eine vorteilhafte Verwendung des Positionssensors ergibt sich für Reiber-Walzen in der Druckindustrie, die selbst als Rotationskörper bzw. Rotationseinrichtung dienen.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Positionssensors wiedergibt.
Das nachfolgend näher beschriebene Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Der in der Figur wiedergegebene Feedback-Geber für den linearen Motor beispielsweise einer Druckwalze ist in Form eines PLCD-Sensors (Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement Sensor) realisiert. Dieser PLCD-Sensor besitzt einen streifenförmigen Kern 1 aus weichmagnetischem Material. Auf diesen Kern 1 sind drei Spulen 2, 3 und 4 gewickelt. Die erste Spule 2 erstreckt sich annähernd über die gesamte Länge des Kerns 1 und wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Die zweite und dritte Spule 3, 4 befinden sich an den Enden des Kerns 1 bzw, der ersten Spule 2. Dadurch ergibt sich eine Transformatorschaltung, wobei auf Grund des durch die erste Spule 2 im Kern 1 erzeugten magnetischen Flusses in der zweiten und dritten Spule 3, 4 jeweils eine Spannung induziert wird.
Mit einem permanentmagnetischen Ringmagnet 5, der in axialer Richtung polarisiert ist, und durch den die erste Spule 2 hindurchläuft, wird der weichmagnetische Kern 1 lokal gesättigt, was einer virtuellen Teilung des Streifens in zwei Teile gleichkommt. Der Ringmagnet 5 ist entlang der ersten Spule 2 bewegbar. Diese lineare Bewegung ist in der Figur mit dem doppelten Pfeil 6 angedeutet. Abhängig von der Position des Ringmagneten 5 und damit der Position der magnetischen Sättigung wird in den beiden Spulen 3 und 4 eine unterschiedliche Spannung induziert. Diese prinzipielle Funktionsweise ist für PLCD-Linearsensoren beispielsweise aus der Veröffentlichung „PLCD displacement sensor for industrial applications", tyco Electronics AMP GmbH 2001 bekannt. Bei dem dort beschriebenen PLCD-Sensor wird ein Permanentmagnet an einer Seite der ersten Spule linear bewegt.
Um eine Linearposition beispielsweise einer Druckwalze unabhängig von ihrer Drehbewegung feststellen zu können, ist der Magnet 5 erfindungsgemäß um die erste Spule drehbeweglich gelagert. Im vorliegenden Fall kann der Ringmagnet eine Rotationsbewegung ausführen, die mit dem Doppelpfeil 7 angedeutet ist. Der Ringmagnet 5 kann damit um seine Mittelachse rotieren, ohne dass dies den vom PLCD-Sensor gemessenen Positionswert beeinflusst. Auf diese Weise kann beispielsweise auf ein Kugellager oder ähnliches zur Entkopplung von der Drehbewegung verzichtet werden, wie dies beispielsweise bei Positionssensoren der Fall ist, die mit Hilfe von Glasmessstäben oder Potentiometern realisiert sind. Durch das berührungslose Messen ist weiterhin verschleißfreier Betrieb möglich.

Claims

Positionssensor zum Detektieren einer axialen Position eines Rotationskörpers mit – einem längsgestreckten, weichmagnetischen Kern (1), – einer ersten Spule (2), die um den weichmagnetischen Kern (1) in seiner im Wesentlichen gesamten Längserstreckung gewickelt ist, – einer zweiten Spule (3), die gegenüber der ersten Spule (2) in Längsrichtung des Kerns (1) kurz ist und um ein erstes Ende des Kerns (1) gewickelt ist, und – einem Magneten (5), der in Längsrichtung des Kerns (1) polarisiert und verschiebbar ist, gekennzeichnet durch – eine Rotationseinrichtung, mit der der Magnet (5) um die Längsachse des Kerns (1) drehbar ist.
Positionssensor nach Anspruch 1, der eine dritte Spule (4) aufweist, die gegenüber der ersten Spule (2) in Längsrichtung des Kerns (1) kurz ist und um ein zweites Ende des Kerns (1) gewickelt ist.
Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnet (5) ringförmig ist und der Kern (1) in seiner Öffnung angeordnet ist.
Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnet (5) einen Permanentmagneten und die Rotationseinrichtung einen Teil des Rotationskörpers darstellt.
Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der weichmagnetische Kern (1) streifenförmig oder rundstabförmig ist.
Druckwalze mit einem Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckwalze den Rotationskörper darstellt.
Verfahren zum Detektieren einer axialen Position eines Rotationskörpers gekennzeichnet durch – Bereitstellen eines Magneten (5), der mit dem Rotationskörper fest verbunden ist, – Drehen des Magneten (5) mit dem Rotationskörper um dessen Achse und – Berührungsloses Erfassen der axialen Position des Magneten (5).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zum Erfassen der axialen Position des Magneten (5) der Kern einer koaxial mit dem Rotationskörper angeordneten Spule (2) an einer Stelle, die der axialen Position des Magneten (5) entspricht, durch den Magneten magnetisch gesättigt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die axiale Position entsprechend der Funktionsweise eines PLCD-Sensors erfasst wird.