DE10222618A1

DE10222618A1 - Anordnung zur Bestimmung der axialen Lage einer Welle

Info

Publication number: DE10222618A1
Application number: DE10222618A
Authority: DE
Inventors: Peter Jenckel; Johannes Visosky
Original assignee: Lust Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2022-05-18
Also published as: DE10222618B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der axialen Lage einer Welle, wobei koaxial auf oder in der Welle wenigstens ein Ring oder ein Teller aus einem leitfähigen Material oder wenigstens eine Nut angeordnet ist, wobei zwei koaxial zur Welle angeordnete Sensoreinheiten, insbesondere Zylinderspulen, vorgesehen sind, welche axial bezüglich der Welle zueinander versetzt angeordnet sind, und dass der Ring, der Teller oder die Nut, in axialer Richtung der Welle gesehen, wenigstens teilweise zwischen den Zylinderspulen angeordnet ist, und wobei eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Signale der Sensoreinheiten vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der axialen Lage einer Welle.

Gemäß dem Stand der Technik (DE 42 13 507 A1) wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der axialen Welle eines rotierenden Körpers beschrieben. Sie besteht aus einem mit dem rotierenden Körper starr verbundenen Rad aus weichmagnetischem Material, dessen Rand so gestaltet ist, dass er sich bei Rotation des Körpers periodisch in axialer Richtung relativ zu einem Magnetfeldsensor und ei nem in dessen unmittelbarer Nähe positionierten Magneten hin- und herbewegt. Der Magnetfeldsensor schaltet bei jedem Vorbeigang des Randes, und es entsteht eine Impulsfolge, dessen Tastverhältnis linear und unabhängig von der Tempe ratur mit der axialen Position zusammenhängt.

Diese zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung hat den Nachteil, dass eine Mindestrotationsgeschwindigkeit er forderlich ist, dass die Herstellung des Rades mit dem ge formten Rand aufwändig ist, und dass eine sehr genaue Posi tionierung des Magnetfeldsensors gegenüber dem Rad durchge führt werden muss. Darüber hinaus ist die Vortäuschung ei ner erheblichen axialen Bewegung durch eine Verkippung der Achse in der Welle im Lager möglich.

Dieser zuletzt genannte Nachteil wird auch bei den in der EP 0 716 241 A1 beschriebenen Anordnungen zur Bestim mung der axialen Lage einer magnetgelagerten Welle nicht aufgehoben. Hier werden zwar zwei Sensoren, die in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, benutzt. Das ist aber nur insofern von Vorteil, dass die Ausdehnung der Welle mit einer Temperaturerhöhung bei der Regelung der Po sition der Welle in dem Lager berücksichtigt werden kann. Das gelingt umso besser, je weiter beide Sensoren von ein ander entfernt sind. Gleichzeitig aber wächst mit der Ent fernung beider Sensoren der aus einer Verkippung resultie rende Fehler.

Weiterhin gehört zum Stand der Technik (DE 42 15 381 A1) eine Anordnung zur radialen Positionser fassung einer Welle mit zwei Sensoreinheiten, die jeweils zumindest aus einem Paar etwa diametral gegenüberliegender Sensoren bestehen. Aus den Ausgangssignalen der Sensoren eines Paares wird ein Differenzsignal ermittelt, das in der Mittenlage der Welle den Wert "Null" hat. Zur Erhöhung der Redundanz sind für jede Messrichtung zwei Sensorpaare vor gesehen, aus deren Differenzsignalen mit einem Summierer mit umschaltbaren Eingängen ein Mittelwert gebildet wird.

Diese zum Stand der Technik gehörende Anordnung hat den Nachteil, dass sie durch die Vielzahl der Sensoren auf wändig und kostenintensiv ist.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Sensoranordnung zur Bestimmung der axi alen Lage einer Welle anzugeben, die einen einfachen, ro busten und kostengünstigen mechanischen Aufbau aufweist und eine gute Linearität besitzt.

Dieses technische Problem wird durch Anordnungen mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruches 2 ge löst.

Gemäß der Erfindung sind zwei Sensoreinheiten, welche jeweils aus wenigstens einer Zylinderspule bestehen, vorge sehen. Die Sensoreinheiten, das heißt die Zylinderspulen sind koaxial zur Welle und axial bezüglich der Welle zuein ander versetzt angeordnet, das heißt, die Zylinderspulen sind beabstandet voneinander angeordnet. Auf oder in der Welle ist wenigstens ein Ring oder ein Teller und/oder we nigstens eine Nut angeordnet, wobei der Ring, der Teller oder die Nut wiederum wenigstens teilweise zwischen den Zylinderspulen angeordnet ist oder in diese hineinragend ausgebildet ist. Darüber hinaus ist eine Auswerteeinrich tung zur Auswertung der Signale der Sensoreinheiten in Form der Zylinderspulen vorgesehen.

Der Ring, der Teller oder die Nut wird von der Welle in axialer Richtung ausgelenkt.

Vorteilhaft sind die Spulen kurz, mit großem Innen durchmesser und mit einem Außendurchmesser, der nur gering fügig größer als der Innendurchmesser ist, ausgebildet.

Beide Spulen werden von einem in Betrag und Phase gleichen Sinusstrom durchflossen. Alternativ wird eine Brückenanordnung aus den beiden Spulen und zwei ohmschen Wi derständen mit einer Sinusspannung gespeist. Die Differenz der Spannungsabfälle wird als Nutzsignal ausgewertet.

Der Ring, der Teller oder die Nut bildet elektrisch eine Kurzschlusswicklung. Wenn der Ring, der Teller oder die Nut sich in der Mitte befindet, sind beide Induktivitä ten gleich (Differenzspannung Null). Bei axialer Annäherung an eine Spule wird deren Induktivität kleiner aufgrund der Gegeninduktivität, die Induktivität der anderen Spule wird entsprechend größer. Der Effekt ist bezogen auf eine Spule nichtlinear, durch die Differenzauswertung ergibt sich jedoch ein lineares Nutzsignal.

Die Erfindung beschreibt einen einfach aufgebauten und kostengünstigen Differential-Wegsensor für axiale Magnetla ger mit guter Linearität über einen großen Wegbereich. Er dient zur Messung der axialen Position einer Welle. Der Sensor eignet sich sowohl für den Anbau an ein freies Wellenende als auch zum Einbau in einer beliebigen axialen Position entlang der Welle.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekenn zeichnet, dass durch Veränderung der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Welle in axialer Richtung eine gegenläufige Induktivitätsänderung der beiden Spulen bei Auslenkung der Welle längs der gemeinsamen Spulenachse erreicht wird, so dass durch Differenzauswertung ein linea res Sensorsignal gewonnen werden kann.

Im Folgenden wird ein Beispiel für eine erfindungsge mäße Anordnung angegeben:
Bei einem Tellerdurchmesser von elf Millimetern, einer Tellerdicke von drei Millimetern, einem Spulen-Innendurch messer von vierzehn Millimetern und einem mittleren axialen Spulenabstand von sieben Millimetern ergibt sich typisch ein linearer Wegbereich von vier Millimetern. Bei Speisung einer Brückenschaltung, welche aus den beiden Spulen und zwei ohmschen Widerständen gebildet ist, mit einer 20 kHz- Sinusspannung mit fünf Volt Effektivwert, ist als Diffe renzspannung ein Signalhub von 100 Millivolt pro Millimeter zu erwarten.
Beim Durchgang des Ringes, des Tellers oder der Nut durch die Spulenmitte kehrt sich die Phase der Differenz spannung um. Durch die Differenzauswertung wird das Nutz signal weitgehend unempfindlich gegen Störeinflüsse wie zum Beispiel die Temperatur.

Wenn sich der Ring, der Teller oder die Nut in der Mitte befindet, hat die Materialtemperatur des Tellers kei nen Einfluss.

Auch in der Umgebung der Mitte ist der Einfluss der Materialtemperatur sehr gering. Deshalb empfiehlt es sich, nur eine Hälfte der Sensorkennlinie zu nutzen. Man vermei det so die Phasenumkehr und die damit verbundene Gefahr von Nichtlinearitäten bei der Auswertung des Signales.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Differentialweg sensors mit zwei aktiven Spulen hat den Vorteil, dass ein einfacher, robuster und kostengünstiger mechanischer Aufbau vorliegt. Vorteilhaft ist auch die sehr gute Linearität über einen sehr großen Wegbereich. Weiterer Vorteil des großen linearen Wegbereiches sind die sehr geringen Anfor derungen an mechanische Toleranzen. Es ist kein Abgleich erforderlich. Als Vorteil ist auch die doppelte Empfind lichkeit gegenüber Sensoren mit nur einer aktiven Spule an zusehen.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat auch den Vorteil, dass bei geeigneter Ausführung des Spulenkörpers der Sensor bei Turbomolekularpumpen die Vakuumabdichtung übernehmen kann.

Darüber hinaus werden vorteilhaft nur passive elektro nische Bauteile verwendet, und es ist damit ein Betrieb in radioaktiver Umgebung möglich.

Wahlweise kann das Messsignal direkt ausgewertet wer den. Es kann auch alternativ über ein Kabel übertragen wer den.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhaft rotati onssymmetrisch aufgebaut, so dass eine Rotation der Welle das Sensorsignal nicht beeinflusst. Material-Inhomogenitä ten am Umfang, die bei Radial-Magnetlagern häufig ein gro ßes Problem darstellen, beeinflussen das Sensorsignal nicht. Die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber radialem Versatz der Welle ist gering.

Die Spulen können in einem Kunststoffspulenkörper an geordnet sein. Der Spulenkörper kann einseitig eine offene Bohrung aufweisen, in die die Welle greift. Es ist jedoch auch möglich, zwei Bohrungen vorzusehen, so dass die Welle durchgreifen kann.

Die Wellenverlängerung, die in den Spulenkörper greift, kann aus Kunststoff bestehen. Vorteilhaft kann der Ring dann aus Aluminium ausgebildet sein. Es sind jedoch auch andere Materialkombinationen möglich.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die Positionierung wesentlich einfacher ist als die Positionierung einzelner punktueller Sensoren, wie sie zum Stand der Technik (DE 42 15 381 A1) gehört. Die gemäß der Erfindung verwendeten Sensoreinheiten, die als Zylinderspulen ausgebildet sind, müssen nur noch in axialer Richtung justiert werden, während die zum Stand der Technik gehörenden punktuellen Sensoren sowohl eine axiale als auch eine radiale Justage unumgänglich machen.

Ist im Arbeitstemperaturbereich an der Welle die ther mische Ausdehnung von Bedeutung, so wird bei der Regelung die Lage des Achsenpunktes der Welle, der genau in der Mitte zwischen beiden Sensoreinheiten liegt, konstant gehalten.

Die Kanten des Ringes, des Tellers oder der Nut können zum einen zwischen den beiden Zylinderspulen in axialer Richtung der Welle gesehen angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kanten des Ringes, des Tellers oder der Nut in dem von jeder Spule jeweils umfassten zylindri schen Raum angeordnet sind.

Die Kanten des Ringes, des Tellers oder der Nut können auch außerhalb der von den Spulen umfassten Räumen und au ßerhalb des Zwischenraumes zwischen den Spulen in axialer Richtung der Welle gesehen angeordnet sein.

Wie schon ausgeführt, kann das Wellenende beispiels weise aus Kunststoff ausgebildet sein und der Ring aus Alu minium. Besonders kostengünstig fertigbar ist eine Wellen verlängerung aus Aluminium mit rechteckförmiger Quer schnittsvergrößerung (Teller).

Wichtig ist ein Übergang zwischen zwei unterschiedli chen elektrisch leitfähigen Materialien, also beispiels weise ein Metall/Luft-Übergang, ein Metall/Metall-Übergang, wobei die Metalle unterschiedliche elektrische Leitfähig keiten aufweisen, oder ein Übergang zwischen einem Metall und einem nicht elektrisch leitfähigen Material. Auch durch einen Übergang zwischen zwei unterschiedlich magnetisch leitfähigen Materialien ist eine gegenläufige Induktivi tätsänderung in den Sensoreinheiten zu erreichen.

Der Ring, der Teller oder die Nut mit den dazugehöri gen Sensoreinheiten kann an einer beliebigen Stelle der Welle angeordnet sein. Die Stelle wird nach dem möglichen Platzangebot gewählt. Es ist möglich, den Ring, den Teller oder die Nut am Ende der Welle anzuordnen.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient vorteilhaft zur Regelung der axialen Position einer Welle mit Magnetlager. Sie kann für eine Welle mit Magnetlager verwendet werden, die Teil eines Verdichters, Teil einer Flüssigkeitspumpe oder Teil einer Turbomolekularpumpe ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Ring auf dem Ende einer Welle im Längs schnitt;

Fig. 2 ein geändertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein geändertes Ausführungsbeispiel mit einem Teller am Ende der Welle;

Fig. 4 ein geändertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 eine Welle mit einer Nut im Längsschnitt;

Fig. 6 eine Welle mit einem eingelassenen Ring im Längsschnitt;

Fig. 7 eine Anordnung von Spulen in einem Spulenkörper aus Kunststoff im Längsschnitt;

Fig. 8 eine Anordnung gemäß Fig. 7 mit einem zu sätzlichen Aluminiumgehäuse im Längs schnitt;

Fig. 9 eine Prinzipschaltung des Sensors und der Auswerteelektronik.

Fig. 1 zeigt eine Welle (1) mit einem elektrisch lei tenden Ring (2), der zwischen zwei koaxial zur Welle (1) angeordneten Zylinderspulen (3, 4) angeordnet ist. Die Zy linderspulen (3, 4) sind in geringem Abstand axial versetzt angeordnet. Der Ring (2) ist auf einem Ende (5) der Welle (1) angeordnet.

Gemäß Fig. 2 ist der Ring (2) in einer zu dem Wellen ende (5) beabstandeten Position der Welle (1) angeordnet.

Gemäß Fig. 3 ist der Teller (2), der am Wellenende (5) der Welle (1) angeordnet ist, aus dem gleichen elektrisch leitfähigen Material wie die Welle (1) ausgebildet.

Fig. 4 zeigt einen Teller (2), dessen Kanten (6) in von den Zylinderspulen (3, 4) umfassten Räumen (7) angeord net sind. Alternativ können die Kanten (6) zwischen den Zy linderspulen (3, 4) angeordnet sein, wie es in Fig. 4 ge strichelt dargestellt ist.

Gemäß Fig. 5 weist die Welle (1) eine Nut (8) auf. Die Kanten (9) der Nut (8) sind außerhalb der von den Spulen umfassten Räume (7) und auch außerhalb des Zwischenraumes zwischen den Spulen (3, 4) angeordnet.

Fig. 6 zeigt eine Welle (1), in die der Ring (2) ein gelassen ist. Der Ring (2) hat eine von der Welle (1) ab weichende elektrische oder magnetische Leitfähigkeit.

Der Ring gemäß Fig. 6 kann auch den gesamten Quer schnitt (nicht dargestellt) der Welle (1) ausfüllen.

Fig. 7 zeigt die Spulen (3, 4), die in einem Spulen körper (10) angeordnet sind. Der Spulenkörper (10) weist eine offene Bohrung (11) auf, durch die die Welle (1), die den Ring (2) trägt, eingeführt wird. Dieser Spulenkörper (10) kann zum Beispiel bei Turbomolekularpumpen die Vakuum abdichtung übernehmen.

Gemäß Fig. 8 ist der Spulenkörper (10) mit den Senso ren (3, 4) in einem Aluminiumgehäuse (12) angeordnet, um die Beeinflussung durch eine elektrisch leitende Umgebung oder eine elektromagnetisch gestörte Umgebung zu verhin dern. Sämtliche Teile sind rotationssymmetrisch ausgeführt.

Fig. 9 zeigt eine Prinzipschaltung des Sensors und der Auswertelektronik. Beide sind wahlweise in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet oder für den Betrieb beispiels weise in radioaktiver Umgebung über ein beispielsweise drei Meter langes Kabel verbunden.

Der aus dem Sinusgenerator (80 kHz, 3 V_Eff) gelieferte Strom wird über zwei 300 Ω-Widerstände symmetrisch auf die Spulen verteilt. Die Widerstände sind sensorseitig ange ordnet, damit Unsymmetrien im Kabel möglichst wenig Ein fluss haben. Die 560 Ω-Widerstände am Ausgang sind erfor derlich, um die durch die Kabelkapazität Ader/Schirm erfol gende Signalanhebung zu kompensieren.

Die Differenzspannung wird über ein verdrilltes Adern paar übertragen, um Gleichtaktstörungen zu eliminieren. Die einseitig auf Masse liegenden Innenschirme (13, 14) ver ringern das Übersprechen. Ein beidseitig auf dem Gehäuse (17, 18) aufgelegter Außenschirm (15, 16) gewährleistet die elektromagnetische Verträglichkeit.

In der Auswerteschaltung bildet ein Differenzverstär ker (19) mit jeweils 10 kΩ Eingangswiderstand das Rohsignal für den Positions-Istwert. Trotz hoher Verstärkung werden an dessen Offseteigenschaften keine hohen Anforderungen gestellt, da nur der Wechselspannungsanteil weiter verar beitet wird. Dieser wird mit üblichen Verfahren (Präzi sionsgleichrichter oder Synchrongleichrichter mit nachfol gendem Tiefpass höherer Ordnung) in eine zur Position pro portionale Gleichspannung umgewandelt.

Bezugszahlen

1

Welle

2

Ring oder Teller

3

Zylinderspule

4

Zylinderspule

5

Wellenende

6

Kante des Ringes oder Tellers

7

von Zylinderspulen (

3

,

4

) umfasster Raum

8

Nut

9

Kanten der Nut

10

Spulenkörper

11

Bohrung

12

Gehäuse

13

Innenschirm

14

Innenschirm

15

Außenschirm

16

Außenschirm

17

Gehäuse der Auswerteschaltung

18

Gehäuse des Sensors

19

Differenzverstärker

Claims

1. Anordnung zur Bestimmung der axialen Lage einer Welle, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial auf oder in der Welle (1) wenigstens ein Ring (2) oder ein Teller (2) aus einem elektrisch oder magne tisch leitfähigen Material angeordnet ist, dass zwei ko axial zur Welle (1) angeordnete Sensoreinheiten, welche jeweils aus wenigstens einer Zylinderspule (3, 4) ausgebil det sind, vorgesehen sind, welche axial bezüglich der Welle (1) zueinander versetzt angeordnet sind, und dass der wenigstens eine Ring (2) oder Teller (2), in axialer Rich tung der Welle (1) gesehen, wenigstens teilweise zwischen den Zylinderspulen (3, 4) angeordnet ist, und dass eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Signale der Sensor einheiten (3, 4) vorgesehen ist.

2. Anordnung zur Bestimmung der axialen Lage einer Welle, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) wenigs tens eine Nut (8) aufweist, dass zwei koaxial zur Welle an geordnete Sensoreinheiten, welche jeweils aus wenigstens einer Zylinderspule (3, 4) ausgebildet sind, vorgesehen sind, welche axial bezüglich der Welle (1) zueinander ver setzt angeordnet sind, und dass ein Nutgrund der wenigstens einen Nut (8), in axialer Richtung der Welle (8) gesehen, wenigstens teilweise zwischen den Zylinderspulen (3, 4) an geordnet ist, und dass eine Auswerteeinrichtung zur Auswer tung der Signale der Sensoreinheiten (3, 4) vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kanten (6, 9) des wenigstens einen Rin ges (9) oder Tellers oder der wenigstens einen Nut (8) in einem in axialer Richtung der Welle zwischen den Zylin derspulen (3, 4) liegenden Zwischenraum angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kanten (6, 9) des Ringes (2), des Teller (2) oder der Nut (8) in jeweils einem von einer Zylinder spule (3, 4) umfassten Raum (7) angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kanten (7, 9) des Ringes (2), des Tel lers (2) oder der Nut (8) außerhalb des Zwischenraumes zwi schen den Spulen (3, 4) und außerhalb der von den Spulen (3, 4) umfassten Räume (7) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Zylinderspulen (3, 4) als Spulen mit mehreren Windungen ausgebildet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kanten (6, 9) des Ringes (2) oder der Nut (8) durch einen Metall/Luft-Übergang, einen Metall/Me tall-Übergang oder einen Metall/Nichtmetall-Übergang gebildet werden.

8. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Ring (2), der Teller (2) oder die Nut (8) an einem Ende (5) der Welle (1) angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lage des in der Welle (1) angeordneten Ringes (2) mit einer von der elektrischen Leitfähigkeit der Welle (1) abweichenden elektrischen Leitfähigkeit messbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lage des in der Welle (1) angeordneten Ringes (2) mit einer von der Permeabilität der Welle (1) abweichenden Permeabilität messbar ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Teil eines Mag netlagers ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass die Anordnung Teil des Magnetlagers eines Ver dichters ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass die Anordnung Teil des Magnetlagers einer Flüs sigkeitspumpe ist.

14. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass die Anordnung Teil des Magnetlagers einer Turbo molekularpumpe ist.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleiche Sensoren vorgese hen sind, wobei die Signale beider Sensoren durch die Rege lung den gleichen Wert aufweisen.