DE112013006367B4

DE112013006367B4 - Drehzahlmesser

Info

Publication number: DE112013006367B4
Application number: DE112013006367.0T
Authority: DE
Inventors: Yoshinao Tatei; Takeshi Musha; Hajime Nakajima; Takashi Okamuro; Masanori NIMURA
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2033-02-23
Also published as: DE112013006367T5; KR20150100924A; JPWO2014128937A1; JP5976194B2; CN105074474B; CN105074474A; TW201433778A; US20150338245A1; WO2014128937A1; TWI494545B; KR101664760B1; US9664535B2

Abstract

Drehzahlmesser (100, 200) zum Erfassen einer Anzahl von Umdrehungen eines an einem rotierenden Körper angebrachten Magneten (1) unter Verwendung einer Stromerzeugungseinheit (2), worindie Stromerzeugungseinheit (2) N, wobei N eine natürliche Zahl gleich oder größer 1 ist, Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) aufweist, von denen jedes einen magnetischen Draht (33), in dem ein großer Barkhauseneffekt zu einer Magnetisierungsumkehr führt, und eine Aufnehmerspule (31, 32) aufweist, die um den magnetischen Draht (33) gewickelt ist,der magnetische Draht (33) der Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) länger als ein Wicklungsbereich der Aufnehmerspule (31, 32) in Erstreckungsrichtung des magnetischen Drahtes (33) ist,die Aufnehmerspule (31, 32) eines jeden Stromerzeugungselements (30, 40, 50) zwei Wicklungsbereiche aufweist, die in einem Abstand (L) zueinander angeordnet sind, der größer als ein Außendurchmesser (ϕ) der Aufnehmerspule (31, 32) ist, undder magnetische Draht (33) oberhalb eines Drehzentrums des Magneten (1) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dassder Abstand (L) zwischen den beiden Wicklungsbereichen eines jeden Stromerzeugungselements (30, 40, 50) so festgelegt ist, dass der Zeitunterschied (T), mit dem die Magnetisierungsumkehr von den zwei Wicklungsbereichen jeweils erfasst wird, einen Sollwert annimmt, wobei das Festlegen auf Basis der Geschwindigkeit (V) der Magnetisierungsumkehr und des in jedem der Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) angeordneten Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts (10) des magnetischen Drahtes (33) erfolgt.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehzahlmesser mit einem magnetischen Draht zum Zählen der Anzahl der Umläufe eines rotierenden Körpers, wie er in vielen Gebieten, beispielsweise Geräten zur industriellen Fabrikautomatisierung (FA) und Fahrzeugen, Verwendung findet.
Hintergrund
Die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung JP 2008-14799 A und Offenlegungsschrift der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung JP S63-117504 U beschreiben Techniken für handelsübliche Drehzahlmesser, die mithilfe eines magnetischen Drahtes und einer Aufnehmerspule selbst Strom erzeugen. Die Offenlegungsschrift JP 2008-14799 A offenbart eine Verwendung einer Stromerzeugungsvorrichtung zum Versorgen einer elektrischen Reservestromquelle der Messvorrichtung mit elektrischem Strom aus der Stromerzeugungsvorrichtung, die einen Magnet mit einem magnetischem Nordpol und einem magnetischen Südpol mit einer Aufnehmerspule und einem magnetischen Draht mit großem Barkhauseneffekt kombiniert. Die Phasenverschiebung zwischen den Generatorelementen beträgt bei jeder Umdrehung 90 Grad, wobei zwei Stromerzeugungsvorrichtungen vorhanden sind.
Die Offenlegungsschrift der japanischen Gebrauchsmuster-anmeldung JP S63-117504 U offenbart mehrere radial angeordnete Kombinationen aus einem magnetischen Draht und einer Spule, wobei Änderungen in deren Induktivität in elektrische Signale umgewandelt werden.
Die DE 36 19 500 A1 offenbart einen elektromagnetischen Drehzahlgeber mit einem Spulenkern, der draht- oder stabförmig ausgebildet ist und aus einem in sich verspannten Verbundkörper sowie einem dazu parallel befestigten Dauermagneten besteht, so dass bei Überschreiten eines bestimmten Magnetfeldes in einer Richtung unabhängig von der Geschwindigkeitsänderung des Magnetfeldes eine plötzliche Ummagnetisierung des Spulenkerns erfolgt. Der Spulenkern ist ortsfest senkrecht zur Wellenachse in der Nähe eines Wellenendes angeordnet und mit der Welle ist an dem Wellenende mindestens ein Dauermagnet verbunden, durch den oder durch die ein sich mit der Welle drehendes Streufeld hervorgerufen wird, das im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Welle verläuft.
Ein elektromagnetischer Geber zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung eines Rotors mit mindestens einem an dem Rotor angebrachten Dauermagneten und mit mindestens einem seitlich neben dem Rotor angeordneten bistabilen magnetischen Schaltelement mit zugehöriger Sensorspule, das sprungartig in einem großen Barkhausensprung ummagnetisierbar ist, ist aus der EP 0 484 716 A1 bekannt. Das Auslösen des Barkhausensprungs in dem bistabilen magnetischen Schaltelement und das Rücksetzen des bistabilen magnetischen Schaltelements erfolgt durch den gleichen Dauermagneten. Der Dauermagnet ist versetzt zur Achse des Rotors so angebracht, dass seine beiden Magnetpole in Umfangsrichtung des Rotors nebeneinander angeordnet sind.
Das Dokument DE 10 2007 039 051 A1 offenbart einen absoluten feinauflösenden Segment- oder Umdrehungszähler.
Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1 und 3 sind dem Dokument CN 102 306 329 A zu entnehmen.
Unter dem großen Barkhauseneffekt versteht man ein Phänomen, bei dem sich die Magnetisierungen eines magnetischen Drahtes in der Nähe des Bereichs an der Grenze zwischen den S- und N-Polen eines Magneten abrupt und gleichzeitig umkehren. Durch Erfassen der magnetischen Umkehr mithilfe einer Aufnehmerspule können konstante Stromerzeugungsimpulse gewonnen werden, die von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Objekts, beispielsweise eines Motors, dessen Drehungen erfasst werden sollen, unabhängig sind.
Kurzbeschreibung
Technische Problemstellung
Wird ein Magnet, der einen magnetischen S-Pol und einen magnetischen N-Pol aufweist, mit einem Stromerzeugungselement kombiniert, dann erhält man die größte Ausgangsleistung bei einer Anordnung des Stromerzeugungselements zentrisch zum Magneten, d. h. am Drehzentrum. Abhängig vom Herstellungsprozess des magnetischen Drahtes können bei einer Anordnung des Stromerzeugungselements nahe am äußeren Bereich des Magneten im Vergleich zu einer Anordnung des Stromerzeugungselements am Drehzentrum des Magneten nur etwa 40 Prozent der Leistung erzeugt werden. Im Vergleich zu einer Anordnung, bei der sich das Stromerzeugungselement direkt über dem Zentrum des Magneten befindet, nimmt die von einem jeden der Stromerzeugungselemente abgegebene Leistung daher ab, wenn die Stromerzeugungselemente, wie in den Figuren des Patentdokuments 1 veranschaulicht ist, außerhalb des Magnetzentrums angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung bei einer gegenüber dem Zentrum versetzten Anordnung der Elemente nachlässt.
Bei einer Anordnung des Magnetzentrums außerhalb des Drehzentrums dreht sich der Magnet exzentrisch. Im Hinblick auf das Stromerzeugungselement bedeutet dies, dass sich die Lage des Stromerzeugungselements relativ zum Magneten (die Größe des Versatzes zum Magnetzentrum) mit dem Drehwinkel des Magneten ändert. Befindet sich das Stromerzeugungselement in der Nähe des Magnetzentrums, dann ist die durch eine Änderung der Lage des Stromerzeugungselements relativ zum Magneten bewirkte Änderung der Stromerzeugung gering. Ist das Stromerzeugungselement dagegen außerhalb des Magnetzentrums angeordnet, dann ist die durch eine Änderung der Lage des Stromerzeugungselements relativ zum Magneten bewirkte Änderung der Stromerzeugung hoch, wobei die erzeugte Leistung stark schwankt, wodurch die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung nachlässt.
Falls zwei Stromerzeugungseinrichtungen wie in JP 2008-14799 A veranschaulicht so angeordnet werden, dass sie bei einer Drehung eine Phasendifferenz von 90 Grad aufweisen, müssen, wenn die Stromerzeugungselemente oberhalb des Drehzentrums des Magneten angeordnet sind, die zwei Stromerzeugungselemente zur Ermittlung der Drehrichtung übereinander gestapelt werden, falls die oben genannten Problemstellungen gelöst werden sollen. Hierbei treten zwei wie nachfolgend beschriebene Probleme auf. Das erste Problem besteht darin, dass sich die Dicke, wenn der Außendurchmesser der Stromerzeugungselementspulen zum Beispiel 5 mm beträgt und die beiden Stromerzeugungselemente aufeinander gestapelt werden, auf 10 Millimeter summiert und die Messvorrichtung um diesen Dickenbetrag dicker wird. Das zweite Problem besteht darin, dass, wenn der Abstand zwischen dem Magneten und einem unteren Stromerzeugungselement (einem unteren Magnetdraht) G Millimeter beträgt, der Abstand eines oberen Stromerzeugungselements zum Magneten G+5 Millimeter beträgt. Dadurch sind die Abstände der beiden Stromerzeugungselemente zum Magneten unterschiedlich und es besteht die Befürchtung, dass die Erfassungszuverlässigkeit aufgrund des Unterschieds in den Ausgabeimpulsen nachlassen könnte.
Die vorliegende Erfindung wurde durch die oben beschriebenen Probleme veranlasst, wobei eine Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung in der Angabe eines dünnen und hochzuverlässigen Drehzahlmessers besteht, mit dem sich stabilere Stromerzeugungsimpulse erzielen lassen.
Lösung der Problemstellung
Das oben beschriebene Problem und die Aufgabenstellung werden durch einen in den unabhängigen Ansprüchen definierten Drehzahlmesser gelöst bzw. erfüllt, der unter Verwendung einer Stromerzeugungseinheit eine Anzahl von Umdrehungen eines Magneten erfasst, der an einem rotierenden Köper angebracht ist. Bei einem entsprechenden Drehzahlmesser umfass die Stromerzeugungseinheit N (N ist eine natürliche Zahl gleich oder größer 1) Stromerzeugungselemente, von denen jedes einen magnetischen Draht, in dem eine Magnetisierungsumkehr aufgrund eines großen Barkhauseneffekts auftritt, und eine um den magnetischen Draht gewickelte Aufnehmerspule aufweist. Der magnetische Draht der Stromerzeugungselemente ist länger als ein Wicklungsbereich der Aufnehmerspule in Erstreckungsrichtung des magnetischen Drahtes. Der magnetische Draht ist oberhalb des Drehzentrums des Magneten angeordnet. Weiter ist der Abstand zwischen den beiden Wicklungsbereichen eines jeden Stromerzeugungselements so festgelegt, dass der Zeitunterschied, mit dem die Magnetisierungsumkehr von den zwei Wicklungsbereichen jeweils erfasst wird, einen Sollwert annimmt, wobei das Festlegen auf Basis der Geschwindigkeit der Magnetisierungsumkehr und des in jedem der Stromerzeugungselemente angeordneten Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts des magnetischen Drahtes erfolgt.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Drehzahlmesser weist eine hohe Flexibilität auf und kann einerseits eine dünnere Ausführung und andererseits eine Verbesserung in der Zuverlässigkeit der Stromerzeugung ermöglichen.
Figurenliste

1 zeigt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Positionierung eines Drehzahlmessers relativ zu einem Magneten und der erzeugten Ausgangsleistung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht.
3 zeigt eine Detaildarstellung einer Ausführung eines Stromerzeugungselements des Drehzahlmessers gemäß der ersten Ausführungsform.
4 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunktes bei dem Drehzahlmesser gemäß der ersten Ausführungsform.
5-1 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels eines Stromerzeugungsimpulses eines herkömmlichen Drehzahlmessers.
5-2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für einen Stromerzeugungsimpuls eines Drehzahlmessers gemäß der ersten Ausführungsform.
6 zeigt eine Darstellung eines Beispiels für einen anderen Magneten zur Verwendung in dem Drehzahlmesser gemäß der ersten Ausführungsform.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht.
9 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts bei dem Drehzahlmesser gemäß der dritten Ausführungsform.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers gemäß der vierten Ausführungsform in einer Sei tenansich t.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beispielhafte Ausführungsformen eines Drehzahlmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
In 1 ist eine Beziehung zwischen der Positionierung des Stromerzeugungselements und der erzeugten Ausgangsleistung für eine Kombination eines Magneten, der einen magnetischen S-Pol und einen magnetischen N-Pol aufweist, mit einem Stromerzeugungselement dargestellt. Die Position des Stromerzeugungselements relativ zum Magneten (der Abstand zum Zentrum des Magneten) ist hierbei entlang der horizontalen Achse aufgetragen und die von dem Stromerzeugungselement erzeugte Ausgangsleistung ist entlang der vertikalen Achse aufgetragen. Wie 1 zu entnehmen ist die von dem Stromerzeugungselement erzeugte Ausgangsleistung dann am größten, wenn sich das Stromerzeugzeugungselement im Zentrum des Magneten, d. h. im Drehzentrum befindet. Abhängig vom Drahtherstellungsverfahren können bei einer Anordnung des Stromerzeugungselements nahe zum äußeren Rand des Magneten im Vergleich zu einer Positionierung des Stromerzeugungselements am Drehzentrum des Magneten nur etwa 40 Prozent der Ausgangsleistung erzielt werden.
Bei einer Anordnung des Magnetzentrums außerhalb des Drehzentrums dreht sich der Magnet exzentrisch. Das bedeutet, dass sich aus Sicht des Stromerzeugungselements der in 1 entlang der horizontalen Achse aufgetragene Wert (der Abstand zum Zentrum des Magneten) mit dem Rotationswinkel des Magneten ändert. Befindet sich das Stromerzeugungselement nahe an dem Zentrum des Magneten, dann ist die durch eine Änderung entlang der horizontalen Achse von 1 bedingte Änderung der erzeugten Leistung gering. Denn der Absolutwert der Steigung der gekrümmten Kurve von 1 ist gering. Ist das Stromerzeugungselement dagegen außerhalb des Magnetzentrums angeordnet, dann ist die durch eine Änderung entlang der horizontalen Achse bedingte Änderung der Stromerzeugung (der Absolutwert der Steigung der gekrümmten Kurve) hoch, wobei die erzeugte Leistung stark schwankt, wodurch die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung nachlässt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 eine Ausführung eines Drehzahlmessers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers 100 gemäß der ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht. Der der ersten Ausführungsform entsprechende Drehzahlmesser 100 weist eine Welle 4, einen zum synchronen Drehen mit der Welle 4 an dieser angebrachten Magneten 1, eine Stromerzeugungseinheit 2, die bei Drehung des Magneten 1 einen Stromerzeugungsimpuls erzeugt, und eine (nicht dargestellte) Verarbeitungseinheit, zur Durchführung eines Zählvorgangs unter Verwendung der Stromerzeugungsimpulse aus der Stromerzeugungseinheit 2 auf.
Bei dem Magneten 1 handelt es sich um einen radial magnetisierten Magneten, der in radialer Richtung einen magnetischen S-Pol und einen magnetischen N-Pol aufweist, wobei der Magnet 1 so an der Welle 4 angebracht ist, dass das Drehzentrum der Welle 4 und das Zentrum des Magneten im Wesentlichen aneinander ausgerichtet sind. Die Stromerzeugungseinheit 2 besteht aus den zu einer Einheit gepackten Stromerzeugungselementen 30 und 40 und ist bezüglich der Richtung der Drehachse in einen Abstand G zum Magneten 1 angeordnet. Die Stromerzeugungselemente 30 und 40 sind im rechten Winkel zueinander angeordnet und weisen im Hinblick auf eine Drehung des Magneten 1 eine Phasendifferenz von 90 Grad auf. Wie in 3 veranschaulicht ist, weist das Stromerzeugungselement 30 zwei Aufnehmerspulen 31 und 32 auf, wobei die Aufnehmerspulen 31 und 32 um einen magnetischen Draht 33 herum gewickelt sind. Das bedeutet, dass die Aufnehmerspule des Stromerzeugungselements 30 zwei in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnete und in Reihe geschaltete Wicklungsbereiche besitzt. Das Stromerzeugungselement 40 weist einen zum Stromerzeugungselement 30 identischen Aufbau auf.
Die als Wicklungsbereiche realisierten Aufnehmerspulen 31 und 32 sind wie in 3 gezeigt mit einem dazwischenliegenden Abstand L angeordnet und in Reihe geschaltet. Baugerecht ist die Länge J des magnetischen Drahtes 33 in Erstreckungsrichtung größer als die Summe der Längen der Aufnehmerspulen 31 und 32. Das linke Ende der Aufnehmerspule 31 und das rechte Ende der Aufnehmerspule 32 sind mit der Verarbeitungseinheit verbunden. Der Abstand L genügt der Beziehung L>ϕ, wobei ϕ den Außendurchmesser der Spule angibt. Wie 2 zu entnehmen sind die beiden Stromerzeugungselemente 30 und 40 so angeordnet, dass oberhalb des Drehzentrums des Magneten 1 lediglich die magnetischen Drähte übereinander angeordnet sind, wodurch verhindert wird, dass sich die Spulen gegenseitig behindern.
Wenn die beiden Stromerzeugungselemente 30 und 40 so übereinander liegen, dass auch die Spulen übereinander liegen, beläuft sich die Dicke der Stromerzeugungseinheit 2 auf 2ϕ. Sind dagegen nur die magnetischen Drähte übereinander angeordnet, dann erhält man eine Stromerzeugungseinheit 2 mit einer Dicke von ϕ+2W+α (W: Drahtdurchmesser des magnetischen Drahtes, α: Abstand zwischen den beiden magnetischen Drähten). Bei den Stromerzeugungselementen 30 und 40 beträgt ϕ+2W+α zum Beispiel 5,5 Millimeter, wenn ϕ gleich 5 Millimeter, W in etwa gleich 0,2 Millimeter ist und α 0,1 Millimeter angenommen wird. Dies stellt im Vergleich zu 2ϕ, die 10 Millimetern entsprechen, eine deutlich dünnere Ausführung des Drehzahlmessers 100 dar. Unter der Annahme, dass sich das Stromerzeugungselement 30 unterhalb des oberhalb angeordneten Stromerzeugungselements 40 befindet, beträgt der Abstand zwischen dem Magneten 1 und dem Stromerzeugungselement 40 G+W+2α. G befindet sich hierbei zwischen dem Magneten 1 und dem Stromerzeugungselement 30. Nimmt man zum Beispiel an, dass der Abstand G des Magneten 1 zum Stromerzeugungselement 30 3 Millimeter beträgt, dann beträgt der Abstand des Magneten 1 zum Stromerzeugungselement 40 G+W+α und somit 3,3 Millimeter. Die Abstände des Magneten 1 zu den jeweiligen Stromerzeugungselementen 30 bzw. 40 können somit auf eng beieinanderliegende Werte festgesetzt werden. Falls die Spulen der beiden Stromerzeugungselemente 30 und 40 mit den Spulen übereinander angeordnet sind, ergibt sich für den Abstand des Magneten 1 zum Stromerzeugungselement 40 G+ϕ, und somit 8 Millimeter, wodurch der Unterschied zwischen den jeweiligen Abständen des Magneten 1 zu den beiden Stromerzeugungselementen 30 und 40 groß wird.
Im Folgenden wird die Funktion des Drehzahlmessers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. An einem Grenzbereich, bei dem auf einen N-Pol ein S-Pol folgt, wird bei einer Drehung des Magneten 1 in jedem der Stromerzeugungselemente 30 und 40 ein positiver Impuls erzeugt, während an einem Grenzbereich, bei dem auf einen S-Pol ein N-Pol folgt, bei einer Drehung des Magneten 1 ein negativer Impuls erzeugt wird. Weist der Drehzahlmesser 100 nur ein Stromerzeugungselement auf, dann wird bei einer Drehung des Magneten im Uhrzeigersinn (normaler Drehsinn), bei der auf einen N-Pol ein S-Pol folgt, derselbe positive Impuls erzeugt wie bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn (umgekehrter Drehsinn), bei der auf einen S-Pol ein N-Pol folgt. Der Drehsinn lässt sich somit nicht bestimmen. Weist die Anordnung jedoch zwei Stromerzeugungselemente auf, dann können der normale und der umgekehrte Drehsinn aufgrund dessen bestimmt werden, ob von dem Stromerzeugungselement 40 ein positiver oder ein negativer Impuls erzeugt wird, nachdem das Stromerzeugungselement 30 einen positiven Impuls erzeugt hatte.
Im Folgenden wird die Funktion der Stromerzeugungselemente 30 und 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 4, 5-1 und 5-2 beschrieben. Die Aufnehmerspule des Stromerzeugungselements 30 erfasst die Änderungen des magnetischen Feldes bei aufgrund des großen Barkhauseneffektes gleichzeitig auftretenden Umkehrungen der Magnetisierung des magnetischen Drahtes 33. Wie in 4 veranschaulicht beginnt die Magnetisierungsumkehr an einem bestimmten Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkt 10 des magnetischen Drahtes 33 und breitet sich dann über den gesamten magnetischen Draht 33 aus. Der Ausgangspunkt 10 für die Magnetisierungsumkehr ändert sich abhängig vom Draht. Nimmt man an, dass die Entfernungen zwischen dem Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkt 10 und den Aufnehmerspulen 31 und 32 X1 bzw. X2 (=L-X1) betragen und die Geschwindigkeit der Magnetisierungsumkehr V ist, dann führt dies zu einem zeitlichen Abstand T von (X2/V-X1/V) den in den Aufnehmerspulen 31 und 32 erzeugten Stromerzeugungsimpulsen.
5-1 veranschaulicht ein Beispiel eines Stromerzeugungsimpulses (mit der Halbwertsbreite Hw), der mit einem Stromerzeugungselement erhalten wird, das von einer herkömmlichen Kombination eines magnetischem Drahtes mit einer Aufnehmerspule (Wicklungszahl: N) erhalten wird. Die Halbwertsbreite Hw hängt von der Spulenlänge der Aufnehmerspule und davon ab, wo die Aufnehmerspule den magnetischen Draht umgibt, und beträgt zum Beispiel 50 Mikrosekunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Erzeugung bei den beiden Aufnehmerspulen 31 und 32 (Summe der Wicklungszahlen: N) jedoch in einem zeitlichen Abstand T (Unterschied zwischen den Zeiten, zu denen die Magnetisierungsumkehr erfasst wird). Daher weist ein an den einander entgegengesetzten Enden der in Reihe geschalteten Aufnehmerspulen anliegendes Ausgangssignal einen Kurvenverlauf auf, der wie in 5-2 veranschaulicht ist, durch Überlagern von zwei Impulskurven erhalten wird, die um den zeitlichen Abstand T zueinander versetzt sind. Das bedeutet, Hw' = Hw+T. Eine gewünschte Halbwertsbreite Hw' kann somit durch Ändern des Spulenabstands L eingestellt werden. Die Halbwertsbreite Hw' kann beispielsweise einen Wert von 100 Mikrosekunden annehmen.
Beim Berechnen der Drehzahl durch die Verarbeitungseinheit kann die Berechnungszeit bei einer kleinen festen Halbwertsbreite Hw des Stromerzeugungsimpulses limitiert sein, da die Verarbeitungszeit durch die Halbwertsbreite Hw bestimmt ist, sodass Einschränkungen bezüglich der verwendbaren Schaltungselemente bestehen können, die zu einer Erhöhung der Kosten führen können. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch durch ein wie nachfolgend beschriebenes Steuern und Festlegen des zeitlichen Abstands T eine gewünschte Halbwertsbreite Hw' eingestellt werden, die größer als die herkömmliche Halbwertsbreite Hw des Stromerzeugungsimpulses ist. Die Zeitdauer für eine wie oben angeführte Verarbeitung wird durch die Vergrößerung der Halbwertsbreite des Stromerzeugungsimpulses verlängert. Dadurch kann die Verarbeitung durch den Schaltkreis flexibler erfolgen und die Kosten können gesenkt werden.
Abhängig von den magnetischen Drähten liegen unterschiedliche Position des Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts 10 vor, wobei die Magnetisierungsumkehrgeschwindigkeit V im Voraus mittels eines Prüfgeräts gemessen werden kann, das eine Aufnehmerspule aufweist. Um einen Impuls mit der gewünschten Halbwertsbreite Hw' zu erhalten wird der Abstand der Spulen auf Basis der durch Messung bestimmten Lage des Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts 10 und des Messwerts für die Magnetisierungsumkehrgeschwindigkeit V festgelegt. Bei bekannter Lage des Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts 10, die abhängig vom magnetischen Draht unterschiedlich ist, und bekannter Magnetisierungsumkehrgeschwindigkeit V kann der gewünschte zeitliche Abstand T = (X2/V-X1/V) durch Ändern des Spulenabstands eingestellt werden. Daher kann die Halbwertsbreite Hw' selbst dann, wenn die konventionelle Halbwertsbreite Hw (wenn die Aufnehmerspule nur einen Wicklungsbereich aufweist) nicht bekannt ist, auf einen Wert gesetzt werden, der gleich oder größer als ein der Beziehung Hw' = Hw+T entsprechender Sollwert ist. Ist die Halbwertsbreite Hw bekannt, dann kann die Halbwertsbreite Hw' auf einen Sollwert eingestellt werden. Die über den Spulenabstand frei wählbare Breite des Stromerzeugungsimpulses ermöglicht einen größeren Spielraum beim Aufbau des Verarbeitungsschaltkreises.
Die Magnetisierung des Magneten 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde oben unter Verwendung eines Beispiels mit radialer Magnetisierung beschrieben, die einen S-Pol und einen N-Pol ausbildet. Ein Magnet gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann zum Beispiel auch wie in 6 veranschaulicht als doppelseitiger Vierpolmagnet ausgebildet sein. Dies ist aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsformen ersichtlich.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 7 eine Ausführung eines Drehzahlmessers 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers 200 gemäß der zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht. Auch wenn die Ausführung des Drehzahlmessers 200 mit der des Drehzahlmessers 100 der ersten Ausführungsform im Grundsatz identisch ist, unterscheiden sie sich doch in den Einzelheiten der Stromerzeugungseinheit 2. Die Stromerzeugungseinheit 2 wird von den zu einer Einheit zusammengefassten Stromerzeugungselementen 30, 40 und 50 gebildet und weist in Richtung der Drehachse einen Abstand G zum Magneten 1 auf. Die Stromerzeugungselemente 30, 40 und 50 sind gleichmäßig zueinander beabstandet und weisen in Bezug auf eine Drehung des Magneten 1 daher eine Phasenverschiebung von 120 Grad auf. Das Stromerzeugungselement 30 ist wie in 3 dargestellt aus zwei Aufnehmerspulen 31 und 32 und einem magnetischen Draht 33 aufgebaut. Der Aufbau der Stromerzeugungselemente 40 und 50 ist mit dem des Stromerzeugungselements 30 identisch.
Die Aufnehmerspulen 31 und 32 sind wie bei der ersten Ausführungsform mit einem dazwischenliegenden Abstand L angeordnet und in Reihe geschaltet. Das linke Ende der Aufnehmerspule 31 und das rechte Ende der Aufnehmerspule 32 sind mit der Verarbeitungseinheit verbunden. Der Abstand L genügt der Beziehung L > ϕ, wobei φ den Außendurchmesser der Spule angibt und die drei Stromerzeugungselemente 30, 40 und 50 wie in 7 veranschaulicht so angeordnet sind, dass oberhalb des Zentrums des Magneten 1 lediglich die magnetischen Drähte übereinander liegen, wodurch sich die Spulen gegenseitig nicht behindern können.
Wenn die Spulen der drei Stromerzeugungselemente 30, 40 und 50 übereinander liegen, beläuft sich die Dicke der Stromerzeugungseinheit 2 auf 3ϕ. Sind dagegen nur die magnetischen Drähte übereinander angeordnet, dann erhält man eine Stromerzeugungseinheit 2 mit einer Dicke von ϕ+3W+2α (W: Drahtdurchmesser des magnetischen Drahtes, α: Abstand zwischen benachbarten magnetischen Drähten). Im Vergleich zu 3ϕ = 15 Millimetern beträgt die Gesamtsumme ϕ+3W+2α bei Stromerzeugungselementen mit, zum Beispiel, ϕ gleich 5 Millimeter, W in etwa gleich 0,2 Millimeter und mit einem α von angenommen gleich 0,1 Millimeter, im Allgemeinen nur 5,8 Millimeter. Es wird somit eine größere Verschmälerung des Drehzahlmessers erreicht als in der ersten Ausführungsform. Unter der Annahme, dass das Stromerzeugungselement 30 ganz unten und das Stromerzeugungselement 50 ganz oben angeordnet sind, beträgt der Abstand zwischen dem Magneten 1 und dem Stromerzeugungselement 50 G+2W+2α. G befindet sich hierbei zwischen dem Magneten 1 und dem Stromerzeugungselement 30. Nimmt man zum Beispiel an, dass der Abstand G des Magneten 1 zum Stromerzeugungselement 30 3 Millimeter beträgt, dann beträgt der Abstand des Magneten 1 zum Stromerzeugungselement 50 G+2W+2a und somit 3,6 Millimeter. Die Abstände des Magneten 1 zu den jeweiligen Stromerzeugungselementen 30, 40 und 50 können somit auf eng beieinanderliegende Werte festgesetzt werden. Falls die Spulen der drei Stromerzeugungselemente 30, 40 und 50 übereinander angeordnet sind, ergibt sich für den Abstand des Magneten 1 zum Stromerzeugungselement 50 G+2ϕ, und somit 13 Millimeter, wodurch der Unterschied zwischen den jeweiligen Abständen des Magneten zu den drei Stromerzeugungselementen groß wird.
Im Folgenden wird die Funktion des drei Stromerzeugungselemente aufweisenden Drehzahlmessers 200 beschrieben. An einem Grenzbereich, bei dem auf einen N-Pol ein S-Pol folgt, wird bei einer Drehung des Magneten 1 in jedem der Stromerzeugungselemente 30, 40 und 50 ein positiver Impuls erzeugt, während an einem Grenzbereich, bei dem auf einen S-Pol ein N-Pol folgt, bei einer Drehung des Magneten 1 ein negativer Impuls erzeugt wird.
Bei einem Drehzahlmesser 100 gemäß der ersten Ausführungsform können bei einer normalen Erzeugung des Impulses Drehzahl und Drehsinn problemlos bestimmt werden. Geht ein Impuls jedoch aufgrund einer Störung, beispielsweise durch magnetisches Rauschen, verloren, kann keine Erfassung des Drehsinns mehr vorgenommen werden und die Drehzahl wird falsch bestimmt. Ein Drehzahlmesser 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist drei Stromerzeugungselemente auf, und dadurch kann eine Drehung im normalen Drehsinn bei Verlust des vom Stromerzeugungselement 30 erzeugten positiven Impulses selbst dann erfasst werden, wenn in dem Stromerzeugungselement 40 ein positiver Impuls erzeugt wird. Wenn in dem Stromerzeugungselement 50 ein positiver Impuls erzeugt wird, kann auch eine Drehung im umgekehrten Drehsinn erfasst werden. Bei einem ausgefallen Impuls ist somit eine Fehlerbehebung möglich.
In gleicher Weise können bei N Stromversorgungselementen N-2 ausgefallene Impulse ausgeglichen werden. Wenn, um auf diese Weise ausgefallene Impulse zu bereinigen, mehr Stromerzeugungselemente verwendet werden sollen, kann bei einem Drehzahlmesser, bei dem die Stromerzeugungselemente nach dem Verfahren der vorliegenden Ausführungsform übereinander angeordnet sind, die Anzahl der Stromerzeugungselemente erhöht werden, ohne die Dicke der Messvorrichtung wesentlich zu verändern.
Dritte Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Bezug auf 8 ein Aufbau eines Drehzahlmessers 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Drehzahlmessers 300 gemäß der dritten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht. Auch wenn die Ausführung des Drehzahlmessers 300 mit der des Drehzahlmessers 200 gemäß der zweiten Ausführungsform im Grundsatz identisch ist, unterscheiden sie sich doch in den Einzelheiten der Stromerzeugungseinheit 2. Die Stromerzeugungseinheit 2 wird von den zu einer Einheit zusammengefassten Stromerzeugungselementen 30, 40 und 50 gebildet und weist in Richtung der Drehachse einen Abstand G zum Magneten 1 auf. Die Stromerzeugungselemente 30, 40 und 50 sind gleichmäßig zueinander beabstandet und weisen in Bezug auf eine Drehung des Magneten 1 daher eine Phasenverschiebung von 120 Grad auf. Wie 9 zu entnehmen setzt sich das Stromerzeugungselement 30 aus der Aufnehmerspule 31 und dem magnetischen Draht 33 zusammen. Der Aufbau der Stromerzeugungselemente 40 und 50 ist mit dem des Stromerzeugungselements 30 identisch. Die Aufnehmerspule 31 ist oberhalb einer Stelle in der Nähe des Mittelpunkts zwischen dem Drehzentrum des Magneten 1 und dessen äußeren Rand angeordnet. Der magnetische Draht 33 erstreckt sich, wie in 8 veranschaulicht ist, über eine Länge J, die größer als die Länge K der Spule ist, wobei oberhalb des Drehzentrums des Magneten 1 lediglich die drei magnetischen Drähte übereinander angeordnet sind.
Abhängig vom Material des magnetischen Drahtes oder von dessen Herstellungsverfahren kann der Stromerzeugungsimpuls effizienter gewonnen werden, wenn der Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkt 10 wie in 9 veranschaulicht am Ende des magnetischen Drahtes 33 angeordnet wird. In diesem Falle kann ein größerer Stromerzeugungsimpuls erzielt werden, wenn die Enden der magnetischen Drähte wie in 8 veranschaulicht im Drehzentrum des Magneten 1 übereinander angeordnet sind.
Vierte Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Bezug auf die 10 und 11 ein Aufbau eines Drehzahlmessers 400 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Drehzahlmessers 400 gemäß der vierten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht. 11 zeigt eine Seitenansicht davon. Auch wenn die Ausführung des Drehzahlmessers 400 mit der des Drehzahlmessers 300 gemäß der dritten Ausführungsform im Grundsatz identisch ist, unterscheiden sie sich doch in den Einzelheiten der Stromerzeugungseinheit 2. Die Stromerzeugungseinheit 2 besteht nur aus dem Stromerzeugungselement 30. Das Stromerzeugungselement 30 setzt sich aus der Aufnehmerspule 31 und dem magnetischen Draht 33 zusammen. Wie 11 zu entnehmen ist die Aufnehmerspule 31 außerhalb des Magneten 1 in etwa auf derselben Höhe wie der Magnet 1 angeordnet, wobei die Gesamtlänge des magnetischen Drahtes größer als die Spulenlänge K ist und lediglich der magnetische Draht über das Drehzentrum des Magneten 1 geführt ist. Da die Magnetisierungsumkehr in dem magnetischen Draht 33 an einer bestimmten Stelle beginnt und sich aufgrund des großen Barkhauseneffekts davon ausgehend dann über den gesamten Draht ausbreitet, muss die Aufnehmerspule 31 nicht stets dieselbe Länge wie der magnetische Draht 33 aufweisen. Somit kann, solange die erforderliche Leistung erzielt werden kann, die Messvorrichtung weiter auf eine Dicke verschmälert werden, die der der Aufnehmerspule 31 entspricht, indem die Aufnehmerspule 31 wie in dem Stromerzeugungselement 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform nur am Ende des magnetischen Drahtes 31 angeordnet wird. Der magnetische Draht 33 ist an der Außenseite des Magneten 1 umgebogen. Allerdings muss der magnetische Draht nicht immer umgebogen werden, stattdessen kann dessen Form an die Gestaltung des Drehzahlmessers 400 angepasst werden. Das Stromerzeugungselement kann folglich einfach in einen freien Raum eingesetzt werden, wodurch der Gestaltungsspielraum verbessert wird.
Bei herkömmlichen Stromerzeugungselementen wird dem allgemeinen Fachwissen entsprechend angenommen, dass „die Länge des magnetischen Drahtes“ gleich „der Länge der Aufnehmerspule“ sein muss. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist dagegen „die Länge der Aufnehmerspule“ kürzer als „die Länge des magnetischen Drahtes“. Die Aufnehmerspule kann an das Ende des magnetischen Drahtes gesetzt werden, solange nur der magnetische Draht oberhalb des Drehzentrums des Magneten 1 angeordnet ist, d. h. an der Stelle, an der die größte Leistung erzeugt und einer Exzentrizität am besten entgegengewirkt wird. Dadurch kann das Stromerzeugungselement wie oben beschrieben einfach in einem freien Raum angeordnet werden, wodurch sich der Gestaltungsspielraum erhöht. Zudem können sowohl eine Verschmälerung des Drehzahlmessers als auch eine Verbesserung in der Zuverlässigkeit der Stromerzeugung erreicht werden, wenn bei mehreren Stromerzeugungselementen die Stromerzeugungselemente so angeordnet werden, dass sich die magnetischen Drähte nur in den Bereichen übereinanderliegend kreuzen (übereinander angeordnet sind), in denen die Aufnehmerspulen keine Wicklungen aufweisen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Ein erfindungsgemäßer Drehzahlmesser, der als Drehzahlmesser unter Einsatz eines magnetischen Drahtes und zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Körpers verwendbar ist, kann, wie oben ausgeführt ist, auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, beispielsweise in Vorrichtungen zur Fabrikautomatisation und in Fahrzeugen, und eignet sich insbesondere als hochzuverlässiger Drehzahlmesser, der dünn ist und stabilere Stromerzeugungsimpulse liefert.
Bezugszeichenliste

1: Magnet,
2: Stromerzeugungseinheit,
4: Welle,
10: Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkt,
30, 40, 50: Stromerzeugungselement,
31, 32: Aufnehmerspule,
33: magnetischer Draht,
100, 200, 300, 400: Drehzahlmesser.

Claims

Drehzahlmesser (100, 200) zum Erfassen einer Anzahl von Umdrehungen eines an einem rotierenden Körper angebrachten Magneten (1) unter Verwendung einer Stromerzeugungseinheit (2), worin die Stromerzeugungseinheit (2) N, wobei N eine natürliche Zahl gleich oder größer 1 ist, Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) aufweist, von denen jedes einen magnetischen Draht (33), in dem ein großer Barkhauseneffekt zu einer Magnetisierungsumkehr führt, und eine Aufnehmerspule (31, 32) aufweist, die um den magnetischen Draht (33) gewickelt ist, der magnetische Draht (33) der Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) länger als ein Wicklungsbereich der Aufnehmerspule (31, 32) in Erstreckungsrichtung des magnetischen Drahtes (33) ist, die Aufnehmerspule (31, 32) eines jeden Stromerzeugungselements (30, 40, 50) zwei Wicklungsbereiche aufweist, die in einem Abstand (L) zueinander angeordnet sind, der größer als ein Außendurchmesser (ϕ) der Aufnehmerspule (31, 32) ist, und der magnetische Draht (33) oberhalb eines Drehzentrums des Magneten (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (L) zwischen den beiden Wicklungsbereichen eines jeden Stromerzeugungselements (30, 40, 50) so festgelegt ist, dass der Zeitunterschied (T), mit dem die Magnetisierungsumkehr von den zwei Wicklungsbereichen jeweils erfasst wird, einen Sollwert annimmt, wobei das Festlegen auf Basis der Geschwindigkeit (V) der Magnetisierungsumkehr und des in jedem der Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) angeordneten Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts (10) des magnetischen Drahtes (33) erfolgt.
Drehzahlmesser (100, 200) nach Anspruch 1, worin N eine natürliche Zahl gleich oder größer 2 ist und die magnetischen Drähte (33) oberhalb des Drehzentrums in den Bereichen übereinander angeordnet sind, um die keine Aufnehmerspulen (31, 32) der N Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) gewickelt sind.
Drehzahlmesser (100, 200) zum Erfassen einer Anzahl von Umdrehungen eines an einem rotierenden Körper angebrachten Magneten (1) unter Verwendung einer Stromerzeugungseinheit (2), worin die Stromerzeugungseinheit (2) N, wobei N eine natürliche Zahl gleich oder größer 2 ist, Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) aufweist, von denen jedes einen magnetischen Draht (33), in dem ein großer Barkhauseneffekt zu einer Magnetisierungsumkehr führt, und eine Aufnehmerspule (31, 32) aufweist, die um den magnetischen Draht (33) gewickelt ist, der magnetische Draht (33) der Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) länger als ein Wicklungsbereich der Aufnehmerspule (31, 32) in Erstreckungsrichtung des magnetischen Drahtes (33) ist, die Aufnehmerspule (31, 32) eines jeden Stromerzeugungselements (30, 40, 50) zwei Wicklungsbereiche aufweist, die zueinander in einem Abstand (L), der größer als ein Außendurchmesser (ϕ) der Aufnehmerspule (31, 32) ist, angeordnet und in Reihe geschaltet sind, und die Bereiche der magnetischen Drähte (33) übereinander angeordnet sind, um die keine Aufnehmerspulen (31, 32) der N Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) gewickelt sind , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (L) zwischen den beiden Wicklungsbereichen eines jeden Stromerzeugungselements (30, 40, 50) so festgelegt ist, dass der Zeitunterschied (T), mit dem die Magnetisierungsumkehr von den zwei Wicklungsbereichen jeweils erfasst wird, einen Sollwert annimmt, wobei das Festlegen auf Basis der Geschwindigkeit (V) der Magnetisierungsumkehr und des in jedem der Stromerzeugungselemente (30, 40, 50) angeordneten Magnetisierungsumkehr-Ausgangspunkts (10) des magnetischen Drahtes (33) erfolgt.
Drehzahlmesser (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Magnet (1) eine Scheibenform aufweist und radial mit einem S-Pol und einem N-Pol magnetisiert ist oder mit zwei S-Polen und zwei N-Polen doppelseitig vierpolig magnetisiert ist, wobei jede der Seiten einen Polsatz aufweist.