DE19539975A1 - Positionssensor, insbesondere für eine rotierende Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenpositionssensor mit einem aktiven Ende, welches auf eine drehbare Welle ausrichtbar und dicht bei derselben positionierbar ist, um die Wellenposition exakt zu messen.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit Positionssensoren, die geeignet sind, die Position einer Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe magnetischer Lager gelagert ist, mit einer Genauig­ keit von wenigen tausendstel Millimeter zu messen.

Bekanntlich sorgen aktive magnetische Lager für eine berüh­ rungslose Lagerung einer rotierenden Welle, indem rund um die Welle ein Feld von Elektromagneten positioniert wird, und in­ dem der Strom in den Wicklungen der Elektromagneten derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß die Welle schwebend in ei­ ner Position gehalten wird, die bezüglich des Feldes von Elektromagneten mehr oder weniger zentriert ist.

Wellenpositionssensoren, die vorzugsweise ebenfalls berüh­ rungslos arbeiten, sind erforderlich, um die Position der Welle zu erfassen und Wellenpositionssignale an eine Steue­ rung bzw. Regelung zu liefern, die den Strom in den Spulen derart regelt, daß die gewünschte Wellenposition erreicht wird. Dabei sind für jedes Radiallager typischerweise zwei Positionssensoren erforderlich. Aktive magnetische Axiallager bzw. Drucklager, wie sie häufig in Verbindung mit magneti­ schen Radiallagern verwendet werden, erfordern einen weiteren Sensor. Folglich sind für eine Maschine mit zwei Sätzen mag­ netischer Radiallager und einem magnetischen Axiallager fünf Wellenpositionssensoren erforderlich, die hinsichtlich ihrer Position ausreichend nah an den zugeordneten Elektromagneten angeordnet sind, deren Steuerung sie dienen.

Aktive magnetische Lager können bei einer Anzahl verschiede­ ner Anwendungen eingesetzt werden, und eine Luftumwälzmaschi­ ne wird in der vorliegenden Anmeldung als Beispiel für eine Einsatzmöglichkeit gewählt, um die ziemlich starken Beschrän­ kungen zu zeigen, die sich für die Bauelemente im allgemeinen und für die Wellenpositionssensoren im besonderen ergeben.

Luftumwälzmaschinen werden in Flugzeugen zum Kühlen und Kon­ ditionieren von Abzapfluft verwendet, die von einer Gastur­ bine, beispielsweise dem Haupttriebwerk eines Flugzeugs oder einer Hilfsversorgungseinheit, geliefert wird.

Bei einer Luftumwälzmaschine ist ein Ende der drehbaren Welle mit einer Turbine verbunden, während das andere Ende mit ei­ ner Last verbunden ist, bei der es sich typischerweise um ei­ nen Kompressor handelt. Die Abzapfluft passiert zunächst den Kompressor, wo sie weiter verdichtet und infolge der zusätz­ lichen Kompression erwärmt wird. Nach dem Abkühlen mit Hilfe eines Wärmetauschers wird die Druckluft dann in der Turbine expandiert und infolgedessen auf eine sehr niedrige Tempera­ tur zur Verwendung durch die Klimaanlage des Flugzeugs zum Kühlen der Passagierkabine und der Geräte abgekühlt. Die Druckluft, welche auf die Turbine einwirkt, treibt die Welle zu einer Drehbewegung, durch die wiederum der Kompressor an­ getrieben wird.

Zur Lagerung der Welle verwendet eine Luftumwälzmaschine ty­ pischerweise drei Lager, wobei zwei dieser Lager Radiallager sind, welche die Welle und die von ihr getragenen Elemente drehbar lagern. Das dritte Lager ist ein Drucklager, welches die Welle in einer festen axialen Position hält. Für eine op­ timale Leistung müssen zwischen dem Maschinengehäuse und den Spitzen der Kompressor- und der Turbinenflügel sehr kleine Spalte aufrechterhalten werden. Wenn die Lager mehr als ein sehr geringes freies Spiel gestatten, verlagert sich die Wel­ le unter einer Belastung, wobei die Flügelspitzen in Kontakt mit dem sie umgebenden Gehäuse gelangen können. Bei Luftum­ wälzmaschinen, die mit Drehzahlen arbeiten, die typischerwei­ se einen Wert von 100 000 U/min annähern und in einigen Fäl­ len sogar überschreiten, ist für einen erfolgreichen Betrieb der Luftumwälzmaschine eine relativ robuste Lagerung mit La­ gern erforderlich, die in der Lage sind, die Position der Welle präzise aufrechtzuerhalten, und die eine relativ lange Lebensdauer haben.

Elektronisch gesteuerte und elektrisch gespeiste magnetische Lager sind zum Einsatz in einer Luftumwälzmaschine gut geeig­ net, da sie berührungslos arbeitende Lager sind und poten­ tiell eine lange Lebensdauer haben. Bei magnetisch Radialla­ gern sind mehrere Elektromagnete winkelmäßig im Abstand von­ einander rings um die Welle angeordnet und erzeugen, wenn sie erregt werden, magnetische Anzugskräfte, die bewirken, daß die Welle frei im Raum und innerhalb des Gehäuses schwebt.

Eine elektronische Steuerung bzw. Regelung mit geschlossener Regelschleife stellt den Strom, der den einzelnen Elektromag­ neten zugeführt wird so ein, daß die Stärke der magnetischen Kräfte in unterschiedlichen Richtungen und in Abhängigkeit von externen Kräften verändert wird, die auf die Welle ein­ wirken.

Positionssensoren liefern an die Steuerung die erforderliche Wellenpositions-Rückkopplungsinformation. Speziell versorgen zwei Positionssensoren die Steuerung mit Informationen über die radiale Position der Welle in zwei zueinander senkrechten Richtungen an Stellen, die sich jeweils in der Nähe der Ra­ diallager befinden.

Eine Spule aus einem elektrisch leitfähigen Draht, die in der Nähe des Endes des Sensors und angrenzend an das Ziel, bei­ spielsweise die Welle der Luftumwälzmaschine angeordnet ist, bildet den induktiven Teil eines LC-Kreises. Der kapazitive Teil dieses Kreises ist in dem Sensortreiber oder in der Steuerung bzw. der Regelung vorgesehen. Die Steuerung treibt den LC-Kreis mit einer relativ hohen Resonanzfrequenz, um im Bereich des freien Endes des Sensors ein oszillierendes elek­ tromagnetisches Feld zu erzeugen, und überwacht die Spannung über der Spule, um den Abstand zwischen dem Ziel und den Sen­ sor zu bestimmen, wobei die Spannung im wesentlichen linear mit dem Abstand zwischen dem Ziel und dem Sensor verknüpft ist, solange das Ziel sich im Arbeitsbereich des Sensors be­ findet.

Die Genauigkeit, Linearität und Gesamtleistung des Sensors sind mit der Qualität des elektromagnetischen Feldes ver­ knüpft. Im allgemeinen nimmt die Qualität des elektrischen Feldes zu, wenn die Energieverluste der Spule abnehmen, wenn der Spule ein vorgegebener Strom zugeführt wird. Verluste in der Spule sind in erster Linie auf den Widerstand des Drahtes zurückzuführen und auf selbstinduzierte Wirbelströme in dem Draht sowie auf den Skineffekt. Der Widerstand einer bestimm­ ten Spule ist mit der erwünschten oder erforderlichen Feld­ stärke dieser Spule verknüpft. Die Wechselstromverluste, d. h. die Verluste, die auf selbstinduzierte Wirbelströme und den Skineffekt zurückzuführen sind, können jedoch dadurch redu­ ziert werden, daß der Durchmesser der einzelnen Drähte ver­ ringert wird, aus denen die Spule besteht. Litzendraht, d. h. ein Drahtmaterial, bei dem die einzelnen feinen Drähte sorg­ fältig miteinander verflochten sind, ist gut geeignet, die Wechselstromverluste zu minimieren, ist jedoch sehr zerbrech­ lich bzw. empfindlich.

Wirbelstrompositionssensoren sind keinem mechanischen Ver­ schleiß unterworfen, können jedoch ebenfalls mechanisch ver­ sagen. Typischerweise ist die Spule in einem Sensor mit einem Draht relativ kleinen Durchmessers gewickelt, um die selbst­ induzierten Wirbelstromverluste zu minimieren. Ein Draht die­ ser Größe bricht relativ leicht und muß sorgfältig gehandhabt werden. Eine mechanische Belastung dieses dünnen Drahtes wird beim Wickeln der Spule und bei der Herstellung des Sensors sorgfältig vermieden. Andererseits müssen die Zuleitungen von dem Sensor zu der Steuerung relativ dick und robuster sein, damit diese Drähte während der normalen Handhabung und einer vorherzusehenden Fehlbehandlung der Maschine, in der der Sen­ sor montiert wird, nicht brechen. Um eine kontinuierliche elektrische Verbindung zwischen der Spule und den Zuleitungen herzustellen, werden die Anschlüsse der Spule die Zuleitungen typischerweise miteinander verlötet. Infolge des Größenunter­ schiedes zwischen den Anschlüssen der Spule und den Zuleitun­ gen können die wesentlich dickeren Zuleitungsdrähte mechani­ sche und thermische Belastungen in die empfindlichen An­ schlußdrähte an den Enden der Spule einleiten, was dazu füh­ ren kann, daß die Enden der Spulenanschlüsse in der Nähe der Lötverbindung brechen.

Vorbekannte Sensoren sowie andere kleine elektromagnetische Einrichtungen mit einer Spule, die aus einem Draht relativ dünnen Durchmessers gewickelt ist, und mit Zuleitungen, die einen relativ großen Durchmesser haben und mit der Spule ver­ bunden sind, wenden verschiedene Techniken an, um die Bela­ stung der dünnen Drähte zu minimieren. Beispielsweise werden bei einigen vorbekannten Sensoren die Lötverbindungen in ei­ nem kleinen Hohlraum unter der Spule angeordnet und dann mit Hilfe eines Klebebandes oder in anderer Weise in diesem Raum gesichert. Zusätzlich können die Lötverbindungen bei einem vorbekannten Sensor dadurch gesichert sein, daß sie in eine Masse aus hartem Epoxydharz oder in eine formbare Masse aus nachgiebigem Material auf Silikonbasis eingebettet werden. Trotz dieser Bemühungen zum Minimieren der Auswirkungen der Verbindung dicker Zuleitungen mit dünnen Drähten bleibt das Brechen der dünnen Drähte aufgrund von Belastungen in der Nä­ he der Lötverbindungen eine, wenn nicht sogar die primäre Quelle für ein mechanisches Versagen der vorbekannten Senso­ ren.

Die Möglichkeit für ein Brechen des einen geringen Durchmes­ ser aufweisenden Drahtes wird beträchtlich erhöht, wenn der Sensor in einer Umgebung mit hohen Temperaturen und starken Vibrationen eingesetzt wird, wie sie in einer Luftumwälzma­ schine angetroffen werden können. Eine Welle, die sich mit einer Drehzahl im Bereich von 100 000 U/min dreht, kann zu erheblichen, durch Vibrationen herbeigeführten Belastungen in dem einen kleinen Durchmesser aufweisenden Draht führen. Die Temperatur der Abzapfluft auf der Kompressorseite der Luftum­ wälzmaschine kann einen Wert von nahezu 260°C erreichen. Die Temperatur der Luft, die auf der Turbinenseite der Luftum­ wälzmaschine austritt, kann einen Wert von etwa -23°C errei­ chen. Während des Anlaufens der Luftumwälzmaschine werden diese Temperaturen schnell erreicht, und der Draht kleinen Durchmessers kann in der Nähe des Lötpunktes einen erhebli­ chen thermischen Schock oder thermisch induzierte Spannungen erfahren. Infolgedessen besaßen vorbekannte Sensoren trotz der hohen Genauigkeit der Rückkopplungssignale für die Posi­ tionierung, die mit Wirbelstromsensoren erreicht werden kann, in Luftumwälzmaschine häufig eine außerordentlich begrenzte Lebensdauer.

Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend aufgezeig­ ten Problem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten Positionssensor anzugeben, der im Ver­ gleich zu vorbekannten Sensoren zur Verwendung in Verbindung mit magnetischen Lagerkonstruktionen und dergleichen eine er­ höhte Zuverlässigkeit besitzt; dabei wird gleichzeitig ange­ strebt, einen Positionssensor zu schaffen, der zur Verwendung in einer Umgebung mit relativ hohen Temperaturen und starken Vibrationen geeignet ist, wie sie dort häufig auftreten, wo magnetische Lager eingesetzt werden.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen gattungsgemäßen Positionssensor gelöst, der durch die Merkma­ le des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet ist.

Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß ein Wellen­ positionssensor für mit Hilfe magnetischer Lager gelagerte Wellen geschaffen wird, der eine verbesserte Zuverlässigkeit und insbesondere verbesserte (Spulen-)Drahtanschlüsse und Leiterverbindungen mit hoher Zuverlässigkeit aufweist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die ei­ nen relativ kleinen Durchmesser aufweisenden Anschlußdrähte einer elektrischen Spule mechanisch von den relativ dicken Sensorzuleitungen getrennt sind, während eine durchgehende elektrische Verbindung zwischen den Zuleitungen und den Spu­ lenanschlüssen aufrechterhalten wird. Durch diese konstrukti­ ve Ausgestaltung wird verhindert, daß der Draht großen Durch­ messers Belastungen in den Draht kleinen Durchmessers indu­ ziert, um auf diese Weise die Hauptursache für das Versagen der bisher bekannten Sensoren zu vermeiden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile werden nachstehend anhand von Zeichnungen in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsbei­ spielen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand weite­ rer Ansprüche. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten einer Luftumwälzmaschine mit der allgemeinen Position der neuen und verbesserten Positionssensoren, bei de­ nen die Erfindung verwirklicht ist;

Fig. 2 eine Seitenansicht zweier Sensoren gemäß der Erfin­ dung, wie sie in der Luftumwälzmaschine installiert sind, wobei gewisse Teile im Querschnitt dargestellt sind;

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht eines Sensors;

Fig. 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Sen­ sors;

Fig. 5 eine Stirnansicht des Sensors, gesehen von der Linie 5-5 in Fig. 3;

Fig. 6 einen vergrößerten Längsschnitt im wesentlichen längs der Linie 6-6 in Fig. 5;

Fig. 7 einen vergrößerten Teilquerschnitt im wesentlichen längs der Linie 7-7 in Fig. 6 und

Fig. 8 eine der Darstellung gemäß der Fig. 3 ähnliche Dar­ stellung eines teilweise zusammengebauten Sensors, wobei der Basisteil entfernt ist.

Ehe nachstehend auf die einzelnen Zeichnungsfiguren näher eingegangen wird, sei vorausgeschickt, daß im Rahmen der Er­ findung zahlreiche Modifikationen und abgewandelte Konstruk­ tionen gegenüber den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne daß dabei der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden müßte. Die Erfindung ist also nicht auf die speziel­ len, nachstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern soll alle Modifikationen, Alternativen und Äquivalen­ te abdecken, die unter den Grundgedanken der Erfindung fal­ len, wie er sich in den Ansprüchen widerspiegelt.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 zum Zwecke der Erläuterung die Rea­ lisierung der vorliegenden Erfindung bei Wirbelstrom- Positionssensoren 10 und 10A, welche bei Einsatz in Verbin­ dung mit einem geeigneten elektronischen Treiber oder Regler 11 derart betätigbar sind, daß sie den Abstand zwischen dem freien Ende jedes der Sensoren und einem Gegenstand anzeigen, wie z. B. einer Welle 12, die sich in einem elektromagneti­ schen Feld befindet, welches vom freien Ende des betreffenden Sensors ausgeht. Die Sensoren 10 und 10A sind besonders zur Verwendung als Positions-Rückkopplungskomponenten in einer Steuerschaltung für magnetische Lager 13 bzw. 14 geeignet, die die Welle einer Luftumwälzmaschine 15 drehbar lagern. Kurz gesagt, empfängt die Luftumwälzmaschine 15 heiße, unter Druck stehende Abzapfluft von einem Gasturbinenmotor bzw. ei­ ner Gasturbine (nicht gezeigt) eines Flugzeugs und gibt ge­ kühlte Luft in die Klimaanlage des Flugzeugs ab. Die Luftum­ wälzmaschine 15 umfaßt ein Gehäuse 16, die Welle 12, die in dem Gehäuse 12 angeordnet und durch die magnetischen Lager 13 und 14 drehbar gelagert ist, einen Kompressorteil 17 an einem Ende des Gehäuses und einen Turbinenteil 18 am gegenüberlie­ genden Ende des Gehäuses 16. Die magnetischen Lager sind in einem zentralen Teil 19 zwischen dem Turbinenteil 18 und dem Kompressorteil 17 angeordnet. Der Kompressorteil 17 umfaßt einen Einlaß 20 für das Eintreten der Abzapfluft, ein Flügel­ rad 21, das an einem Endbereich der Welle befestigt und im Inneren eines Stators 22 drehbar ist, um die Abzapfluft zu komprimieren, sowie einen Auslaß 23 zum Abgeben der kompri­ mierten Luft bzw. der Druckluft. Der Turbinenteil umfaßt ei­ nen Einlaß 24, der mit dem Auslaß 23 des Kompressorteils Kom­ pressorteil 17 in Verbindung steht, um die Druckluft zu emp­ fangen, ein Flügelrad 25, welches am entgegengesetzten Endbe­ reich der Welle 12 befestigt und in einem Stator 26 drehbar ist, um eine Expansion der Druckluft herbeizuführen und einen Auslaß 27 zum Abgeben der expandierten und gekühlten Luft an die Klimaanlage.

Magnetische Radiallager 13 sind axial im Abstand voneinander im zentralen Teil 19 der Luftumwälzmaschine 15 angeordnet und dienen zur radialen Lagerung der Welle 12 in dem Gehäuse 16. Zwischen den beiden Radiallagern 13 ist ein Drucklager 14 an­ geordnet, welches die Welle 12 in dem Gehäuse 16 in einer vorgegebenen axialen Position hält. Eine detailliertere Of­ fenbarung magnetischer Lager des für den Einsatz in einer Luftumwälzmaschine geeigneten Typs findet sich beispielsweise in der US-PS 5 310 311.

Im allgemeinen liefert der Regler 11 bzw. die elektronische Steuerung 11 einen Strom für die magnetischen Lager 13 und 14 und variiert die Größe dieses Stroms derart, daß die Welle 12 in dem Gehäuse 16 in radialer und axialer Richtung in vorge­ gebenen Positionen gehalten wird. Die Steuerung arbeitet mit einer geschlossenen Regelschleife mit den berührungslos ar­ beitenden Wirbelstromsensoren 10 und 10A, wobei diese Senso­ ren typischerweise mit einer Frequenz von 500 bis 1000 kHz betrieben werden, und die Sensoren liefern an die Steuerung Rückkopplungssignale über die Wellenposition. Typischerweise sind zwei Sensoren 10 winkelmäßig im Abstand voneinander längs des Umfangs der Welle 12 angeordnet, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, und jeweils in der Nähe des zugeordneten Ra­ diallagers 13 an einem Montagebügel 29 befestigt, um die Steuerung mit Informationen bezüglich der radialen Position der Welle 12 an jedem ihrer Enden zu versorgen. Ein einzelner Sensor 10A ist dem Drucklager 14 zugeordnet, um die axiale Position der Welle 12 anzuzeigen. Die Sensoren 10 und 10A sind ähnlich aufgebaut, so daß lediglich einer der Sensoren 10, die den Radiallagern zugeordnet sind, detailliert be­ schrieben werden muß.

Wie Fig. 3 zeigt, umfaßt der voll zusammengebaute Positions­ sensor 10 ein korrosionsfestes Gehäuse 30 mit einem Kragen 31, welcher eine Schulter 32 aufweist und mit einem Gewinde­ teil 33, der von dem Kragen ausgeht und gleitverschieblich von einer Öffnung 34 des Montagebügels 29 aufgenommen wird. Eine Mutter 35, welche auf den Gewindeteil 33 aufgeschraubt ist, zieht die Schulter in Kontakt dem Bügel 29, um den Sen­ sor 10 an dem Bügel 29 zu sichern und ihn bezüglich der Welle 12 auszurichten.

Der Sensor 10 wird für einen vorgegebenen Wellendurchmesser geeicht und vor seiner Installation in der Luftumwälzmaschine 15 in einem vorgegebenen Abstand von der Rückseite 36 (Fig. 2) des Montagebügels 29 angeordnet. Zwischen dem Bügel 29 und der Schulter 32 werden dabei Unterlagscheiben 37 angeordnet, deren Dicke in geeigneter Weise so gewählt wird, daß von dem Sensor ein kalibriertes Ausgangssignal erhalten wird, wenn die Welle 12 in der beschriebenen Weise montiert ist. Der Montagebügel 29 mit den beiden Radialsensoren 10 wird dann in dem Gehäuse 16 mittels mindestens einer Schraube 38 oder der­ gleichen derart befestigt, daß das aktive Ende des Positions­ sensors 10, d. h. das Ende des Sensors, welches die magnetisch aktiven Elemente umfaßt, angrenzend an die Welle und relativ nahe bei dieser angeordnet ist.

Die magnetisch aktiven Elemente des Sensors 10, d. h. diejeni­ gen Elemente, die über das Gehäuse 30 vorstehen und betätig­ bar sind, um ein oszillierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, sind so angeordnet, wie dies am besten aus einem Vergleich der Explosionsdarstellung gemäß Fig. 4 und der De­ taildarstellung gemäß Fig. 8 deutlich wird. Im einzelnen ist eine zylindrische Ferritstange 42 zur Halterung in einer kreisrunden Öffnung montiert, die im freien Ende eines im we­ sentlichen zylindrischen Stützelements bzw. Halters 40 ausge­ bildet ist. Die Ferritstange 42 besteht aus magnetisch hoch­ permeablem Material, und das freie Ende der Ferritstange 42 dient als Element zur Schaffung einer magnetischen Koppelung mit der Welle 12, deren Position erfaßt werden soll. Der Hal­ ter 40 besteht aus Keramikmaterial, welches geeignet ist, um als Halterung für die Ferritstange und andere elektromagneti­ sche Elemente zu dienen, ohne dabei die elektrische Leitfä­ higkeit oder magnetische Flußlinien zu stören. Die Fer­ ritstange 42 ist in der Öffnung des Halters 40 vorzugsweise mit Hilfe eines hochtemperaturfesten Klebers auf Keramikbasis befestigt. Eine Endkappe 43, die ebenfalls aus Keramikmateri­ al besteht, ist am freien Ende der Ferritstange 42 angebracht und ebenfalls mit einem Kleber auf Keramikbasis befestigt. Die vergleichsweise größeren zylindrischen Teile der Endkappe 43 und des Halters 40 definieren zwischen sich einen Spulen­ teil verringerten Durchmessers am äußeren Umfang des durch die Ferritstange 42 gebildeten Ferritkerns. Im Bereich des Spulenteils ist eine Spule 44 direkt auf diesen Ferritkern gewickelt.

Die Gesamtstärke des von dem Sensor 10 erzeugt elektromagne­ tischen Feldes ist gleich der Summe der Beiträge der Fer­ ritstange 42 und der Spule 44 zu diesem Feld. Bei der Reali­ sierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels wurden das Mate­ rial der Ferritstange 42 und die Form der Spule 44 so ge­ wählt, daß Änderungen der Qualität oder der Stärke des elek­ tromagnetischen Feldes auf ein Minimum reduziert wurden, und daß damit Änderungen im Ausgangssignal des Sensors 10 bei sich ändernder Sensortemperatur auf ein Minimum reduziert wurden. Wie bekannt, ist bei einem Sensor mit vorgegebener Spule die Qualität des von dem Sensor erzeugten Feldes pro­ portional zur Permeabilität der Stange bzw. des Ferritkerns. Außerdem ist bei einem Sensor mit vorgegebenem Ferritkernma­ terial, der mit einer konstanten Spulen- bzw. Feldfrequenz arbeitet, die Qualität des von dem Sensor erzeugten Feldes umgekehrt proportional zum Widerstand der Spule. Insbesondere ist die Qualität des von der Spule erzeugten Feldes propor­ tional zum Produkt der Winkelfrequenz der erregten Spule mal der Induktivität der Spule geteilt durch den Widerstand der Spule. Mit anderen Worten ist die Änderung der Qualität oder Stärke des Feldes aufgrund einer Temperaturänderung des Drah­ tes bzw. der Spulenwicklung invers und linear mit der Ände­ rung im Widerstand des (Kupfer-)Drahtes der Spule (0,0039 Ohm/cm/°C) verknüpft.

Zum Minimieren der Änderung in der Gesamtqualität des Feldes, d. h. um zu erreichen, daß die Gesamtqualität und die Stärke des elektromagnetischen Feldes, welches von dem Sensor 10 er­ zeugt wird, über einen weiten Bereich der Betriebstemperatu­ ren der Luftumwälzmaschine relativ konstant bleibt, wird die Zunahme der Qualität des Feldes aufgrund der Erhöhung der Permeabilität der Ferritstange 42 für eine vorgegebene Zunah­ me der Temperatur an die Abnahme der Qualität des Feldes auf­ grund der Zunahme des Widerstandes des Kupferdrahtes für den­ selben Temperaturanstieg angepaßt. Mit anderen Worten wird also die Qualität des Feldes dadurch über den Bereich der sich ändernden Betriebstemperaturen aufrechterhalten, daß der durch die Zunahme des Widerstandes bei steigender Spulentem­ peratur verursachte Abfall der Qualität an die durch die steigende Temperatur verursachte Zunahme der Permeabilität der Ferritstange und die damit verbundene Zunahme der Quali­ tät des Feldes "angepaßt" wird. Wenn die Steigungen der bei­ den entsprechenden Kurven vektoriell addiert werden, erhält man als Gesamtergebnis eine relativ konstante Qualität des Sensors bei sich ändernder Temperatur.

Dementsprechend wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für die Ferritstange 42 ein Ferritmaterial verwendet, welches von der Firma Philip Components, Saugerties, New York, USA, unter der Typenbezeichnung 6B1 in den Handel gebracht wird und eine sich linear ändernde und zunehmende Permeabilität­ scharakteristik (ca. 1,5 µ/°C) über den Arbeitsbereich der Luftumwälzmaschine (ca. -46 bis 260°F) aufweist, so daß die Qualität und Stärke des Feldes des Positionssensors 10 bei steigender Sensortemperatur linear zunehmend.

Weiterhin wird bei der Realisierung des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels die Spule 44 so ausgebildet, daß der Wechsels­ pannungswiderstand aufgrund der Verwendung einer Drahtlitze für die Spulenwicklung auf ein Minimum reduziert wird und ferner so, daß die temperaturabhängige Zunahme des Widerstan­ des durch die temperaturabhängige Zunahme der Permeabilität der Ferritstange 42 kompensiert wird. Speziell besteht die Drahtlitze für die Spule aus 4 Strängen aus Kupferdraht des Typs 40 AWG, wobei die einzelnen Drähte auf ihrer Außenseite mit einer isolierenden Lackschicht versehen sind und in einer solchen Weise miteinander verflochten sind, daß sich auf ei­ ner Drahtlänge von etwa 1,5 m etwa 500 Drehungen ergeben. Die Spule wird vorzugsweise aus etwa 75 Windungen dieser Litze hergestellt, die direkt auf die Ferritstange gewickelt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist der Einfluß der temperaturabhän­ gigen Widerstandszunahme entgegengesetzt gleich zu demjeni­ gender Permeabilitätszunahme der Ferritstange. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser der Spule aus den weiter hinten an­ gegebenen Gründen geringfügig kleiner als der Außendurchmes­ ser der Endkappe 43.

Der zylindrische Träger 40 dient außer zur Schaffung eines zylindrischen Bereichs, der als Stirnwand für die Spule dient, zur Realisierung eines Paares elektrischer Leiter, die von dem Spulenende zum Basisendes des Trägers 40 laufen. Die Leiter, nämlich leitfähige Oberflächen, sind vorzugsweise bis auf ein Niveau des Trägers vertieft angeordnet, welches einen geringeren Durchmesser hat als der zylindrische Teil 40A des­ selben. Bequemerweise wird dies dadurch erreicht, daß man in dem Träger 40 ein Paar von in Längsrichtung verlaufenden Nu­ ten vorsieht (vergl. auch Fig. 6 und 7) und diese Nuten so behandelt, daß sie elektrisch leitfähig werden und in der La­ ge sind, die Anschlußdrähte der Spule 44 und die Sensorzulei­ tungen 46 zu haltern. Leitfähige Streifen 53 eines eutektisch mit dem Trägermaterial verbundenen leitfähigen Materials, vorzugsweise einer Palladium/Silber-Legierung, werden dann in den Nuten 50 ausgebildet. Im einzelnen wird in die Nuten 50 eine handelsübliche Palladium/Silber-Paste derart einge­ bracht, daß zwei Streifen gebildet werden, die sich längs des Trägers 40 von dem Spulenende bis zum Basisende desselben er­ strecken. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die leitfähigen Streifen 53 der Einfachheit halber auf einander diametral gegenüberliegenden Seiten des Trägers 40 vorgese­ hen, wobei die leitfähigen Streifen jedoch auch an anderer Stelle angeordnet werden können, wenn dies erwünscht ist. Nach dem Einbringen der Palladium/Silber-Paste in die Nuten 50 wird der Träger 40 in einem Ofen auf eine Temperatur von etwa 870°C erhitzt, woraufhin sich die elektrisch leitfähig Palladium/Silber-Paste mit dem Keramikmaterial des Trägers 40 verbindet, wobei auf der Oberfläche der Nuten 50 (vergl. Fig. 7) eine dünne Schicht aus Palladium und Silber zurückbleibt.

Nach dem Wickeln der Spule 44 auf dem Spulenteil eines teil­ weise zusammengebauten Sensors werden die beiden freien Enden der Spule 44 dann in der Nähe des Spulenendes des Trägers 40 an den leitfähigen Streifen 53 angebracht. Bei der Realisie­ rung der Erfindung wird in jedem Endbereich 51 der Spulenan­ schlüsse eine Schleife zur Zugentlastung ausgebildet, und der Endbereich wird dann an seinen zugeordneten leitfähigen Streifen 53 angelötet. Mit jedem leitfähigen Streifen wird also ein Spulenanschluß verlötet. In entsprechender Weise werden die Zuleitungen 46, vorzugsweise aus Kupferdraht des Typs 18-20 AWG am gegenüberliegenden Ende bzw. am Basisende der Palladium/Silber-Streifen angelötet, wobei jeweils eine Zuleitung mit jeweils einem der leitfähigen Streifen verlötet wird. Die Zuleitungen werden in einer solchen Weise angelö­ tet, daß sie nicht in körperlichem Kontakt mit den Zuleitun­ gen der Spule stehen, aber mit diesen über die leitfähigen Palladium/Silber-Streifen in elektrischem Kontakt stehen. Aufgrund der relativ hohen Temperatur in der Umgebung der Luftumwälzmaschine 15 wird zum Anlöten der Drähte an die Streifen ein Hochtemperatur-Silberlot verwendet, welches ei­ nen Schmelzpunkt von etwa 254°C hat.

Um die elektrischen Leiter und ihre Verbindungen zu schützen und um die Kräfte zu begrenzen, die auf die vergleichsweise zerbrechliche Ferritstange 42 ausgeübt werden, ist rings um das Stützelement 40 ein rohrförmiger keramischer Mantel bzw. ein keramisches Gehäuse 45 derart fest angebracht, daß es nicht nur den Träger 40 überdeckt, sondern auch die Spule 44 und die Endkappe 43. Das Innere des Keramikgehäuses ist so dimensioniert, daß dieses eng über die Außenseite der Endkap­ pe paßt. Infolgedessen ergibt sich zwischen dem Außendurch­ messer der Spule und dem Innendurchmesser des Keramikgehäuses ein relativ enger Spalt von beispielsweise 0,25 mm. Der Man­ tel bzw. das Keramikgehäuse ist so angeordnet, daß das eine Ende in einer Ebene mit der Außenfläche der Endkappe 43 liegt. Ein hochtemperaturfester Kleber auf Keramikbasis, der an den geeigneten Punkten zwischen dem Keramikgehäuse und der Endkappe vorgesehen wird, dient dazu, daß betreffende Ende des Sensors vollständig zu versiegeln. Die Drahtzuleitungen 46, die im Bereich des Bodens der teilweise fertiggestellten Anordnung vorstehen, werden dann durch das Gehäuse 30 gefä­ delt, bis die Basis des Keramikgehäuses 45 in Kontakt mit der Basis der kreisrunden Öffnung 41 am Ende des Gehäuses 30 ge­ langt. Das Ende des Keramikgehäuses 45 paßt eng in die Öff­ nung 41 und wird darin mit einem keramischen Kleber befe­ stigt. Derselbe Kleber wird außerdem vorzugsweise zum Abdich­ ten des unteren Teils des Metallgehäuses 30 und um die An­ schlußdrähte 46 herum verwendet. Im fertiggestellten Zustand hat der Sensor 10 die in Fig. 6 detailliert gezeigte Form. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Gehäuses kleiner als 6,3 mm, während die Länge des Keramikgehäuses und des Me­ tallgehäuses, die erforderlich ist, um die Spule und die Löt­ verbindungen zu schützen, geringer ist als etwa 2,5 cm, so daß der Sensor in einen relativ kleinen Raum paßt, wie er bei einer Luftumwälzmaschine angetroffen werden kann. Das Metall­ gehäuse des Sensors 10A ist ähnlich ausgebildet wie das Ge­ häuse 30 des Sensors 10 mit dem Unterschied, daß der Träger und die Anschlußleitungen bei dem Sensor 10A rechtwinklig zu­ einander von dem Gehäuse abstehen. Dies wird erreicht, indem die Basis des Gehäuses mit der gewünschten rechtwinkligen Ge­ stalt ausgebildet wird und indem die Drähte 46 durch den rechtwinkligen Teil geführt werden, ehe das Keramikgehäuse in der passenden Ausnehmung des Gehäuses befestigt wird.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Innere des Sensors 10 nicht gefüllt bzw. vergossen und mit Ausnahme des temperaturfesten Klebers, welcher die Komponenten des Sensors miteinander verbindet und das Innere des Sensors gegenüber der äußeren Umgebung versiegelt, bleiben die Räume zwischen den internen Bauteilen ungefüllt. Insbesondere ist die Spule 44 nicht imprägniert oder vergossen, und auch der Zwischen­ raum zwischen dem Außendurchmesser der Spule und dem Innen­ durchmesser des Keramikgehäuses 45 sowie die Nuten 50 sind nicht vergossen. Die schmalen Zwischenräume zwischen dem zu einer Spule gewickelten Litzendraht, der Zwischenraum zwi­ schen der Außenseite der Spule und der Innenseite des Kera­ mikgehäuses 45 und die freien Räume rings um die der Zugent­ lastung dienenden Schleifen gestatten eine freie Expansion und Kontraktion des Drahtes bei sich ändernden Temperaturen ohne Behinderung durch ein Material mit anderem Ausdehnungs­ koeffizienten. Folglich können die Temperaturzyklen, die der Sensor 10 während seines normalen Betriebes durchläuft, den empfindlichen Spulendraht nicht übermäßig belasten.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung wird der Sensor 10 so positioniert, daß er betrieben werden kann, um an die Steuerung 11 ein Positionssignal zu liefern. Die prinzipielle Arbeitsweise eines Wirbelstromsensors ist wohl bekannt. Kurz gesagt bildet die Spule 44, was die Luftumwälzmaschine 15 an­ belangt, die Induktivität eines LC-Kreises, dessen Kapazität in der Steuerung 11 vorgesehen ist. Während des normalen Be­ triebes liefert die Steuerung einen vorgegebenen Strom an die LC-Schaltung und betreibt diese Schaltung mit einer relativ hohen Frequenz, um rund um das freie Ende des Sensors ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches mit einer Reso­ nanzfrequenz oszilliert. Die Ferritstange 42 unterstützt die Konzentration bzw. Bündelung des elektromagnetischen Feldes. Vorzugsweise ist das keramische Gehäuse ausreichend lang, so daß sich das freie Ende des Trägers 40 über den Kragen 31 hinaus erstreckt. Infolgedessen ist die Spule 44 vollständig außerhalb des Metallgehäuses 30 angeordnet, so daß sich das elektromagnetische Feld ohne Störung durch das Metallgehäuse voll entwickeln kann. Der extrem feine Spulendraht reduziert die selbstinduzierten Wirbelstromverluste in der Spule und verbessert die Qualität des elektromagnetischen Feldes im Vergleich zu früheren Sensoren, die in Verbindung mit magne­ tischen Lagern 13 und 14 verwendet wurden. Wenn die Welle 12 nicht in dem elektromagnetischen Feld des Sensors 10 angeord­ net wäre, würde die Amplitude der Spannung über der Spule 44 einen Maximalwert erreichen, wie er sich aus dem Stromfluß und den Verlusten der Spule ergibt. Der Arbeitsbereich des Sensors wird jedoch vorzugsweise so gewählt, daß die Welle über den gesamten Bereich der radialen Wellenbewegungen in dem magnetisch Feld liegt. Folglich führen die Wirbelströme, die in die Welle durch das oszillierende elektromagnetische Feld induziert werden, zu einem Energieverlust für das Feld. Wenn sich die Welle in Richtung auf den Sensor bewegt, ist die Verringerung der Spannung über der Sensorspule proportio­ nal zum Energieverlust des Feldes, während dieser Energiever­ lust im wesentlichen proportional zur Änderung der Position der Welle bezüglich des freien Endes des Sensors ist.

Die Spannung über der Spule 44 ist eine bekannte Funktion des Abstands zwischen der Welle 12 und dem freien Ende des Sen­ sors 10, da der Sensor vor seiner Installation in der Luftum­ wälzmaschine 15 geeicht wird. Während des normalen Betriebes der Luftumwälzmaschine überwacht die Steuerung 11 diese Span­ nung kontinuierlich, um die exakte Position der Welle in dem Gehäuse 16 zu bestimmen. Die Steuerung vergleicht dann die tatsächliche Position der Welle mit der gewünschten Position derselben und regelt den Strom zu den winkelmäßig im Abstand voneinander angeordneten Elektromagneten der magnetischen Ra­ diallager 13 derart, daß die Welle in einer Toleranzzone be­ züglich einer vorgegebenen Drehachse gehalten wird. In ähnli­ cher Weise stellt die Steuerung bzw. Regelung den Strom für die axial im Abstand voneinander angeordneten Elektromagnete des Drucklagers 14 ein, um die Welle in dem Gehäuse in einer vorgegebenen axialen Position zu halten.

Der Sensor 10 ist in der Luftumwälzmaschine 15 sehr schwieri­ gen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Die Temperatur der Luft im Kompressorteil 17 kann Werte bis zu +260°C erreichen. In­ folgedessen können die Sensoren des Radiallagers auf der Kom­ pressionsseite der Luftumwälzmaschine einer Umgebungstempera­ tur in der Nähe von etwa 200°C ausgesetzt sein. Vorteilhaf­ terweise bestehen der Träger 40, die Endkappe 43 und das Ke­ ramikgehäuse 45 aus einem Keramikmaterial, wie z. B. "MACOR", welches einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, um den Fehler im Ausgangssignal des Sensors zu minimie­ ren, der auf die lineare Ausdehnung des Sensors in Richtung auf die Welle 12 zurückzuführen ist. Die genannten Elemente können in den Sensor mit Hilfe eines hochtemperaturfesten Klebers auf Keramikbasis gesichert sein. Zusätzlich können alle Öffnungen oder Zwischenräume rund um das Gehäuse und am Auslaß für die Zuleitungen 46 mit dem hochtemperaturfesten Kleber versiegelt sein, um das Innere des Sensors gegen Feuchtigkeit und andere Verschmutzungen aus der Umgebung der Luftumwälzmaschine zu schützen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung ein neuer und verbesserter Sensor 10 geschaffen wird, bei dem spezielle Vorkehrungen getroffen sind, um eine Temperaturkompensation zu erreichen und um zu verhindern, daß die Zuleitungen 46 die Anschlüsse 51 der Spule 44 mit thermi­ schen und mechanischen Belastungen beaufschlagen, die zu ei­ nem Brechen der dünnen Spulendrähte führen können. Durch das Anlöten der Spulenanschlüsse 51 einerseits und der Zulei­ tungsdrähte andererseits im Abstand voneinander an den Palla­ dium/Silber-Streifen wird einerseits eine durchgehende elek­ trische Verbindung zwischen der Spule und den Zuleitungen ge­ schaffen, während andererseits die empfindlichen Spulenan­ schlüsse geschützt werden. Der Sensor gemäß der Erfindung ist folglich für einen Betrieb bei relativ hohen Temperaturen und starken Vibrationen geeignet. Weiterhin ist der Sensor 10 be­ sonders zur Verwendung in Verbindung mit magnetischen Lagern geeignet, da er gegenüber den vorbekannten Sensoren eine deutlich verbesserte Zuverlässigkeit und Lebensdauer besitzt.

Claims (11)

1. Wellenpositionssensor mit einem aktiven Ende, welches auf eine drehbare Welle ausrichtbar und dicht bei der­ selben positionierbar ist, um die Wellenposition exakt zu messen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Es ist ein keramischer Halter (40) vorgesehen;
• - es ist eine magnetisch permeable Stange (42) vorge­ sehen, die in dem keramischen Halter (40) montiert und an einem Ende desselben befestigt ist;
• - es ist eine Endkappe (43) vorgesehen, die auf der Stange (42) in der Nähe desjenigen Endes derselben montiert ist, welches dem Halter (40) gegenüber­ liegt, wobei zwischen der Endkappe (43) und dem ke­ ramischen Halter (40) ein Spulenteil der Stange (42) gebildet wird;
• - es ist eine Leiterdrahtspule (44) vorgesehen, die auf den Spulenteil der Stange (42) gewickelt ist;
• - an dem keramischen Halter (40) sind zwei leitfähige Oberflächen (53) vorgesehen, welche im wesentlichen von der Spule (44) zu einem Basisende des Halters (40) laufen, welches dem spulenseitigen Ende dessel­ ben gegenüberliegt;
• - die Spule besitzt zwei Anschlüsse in Form freier An­ schlußdrähte (51), die als Zugentlastungsschleifen ausgebildet sind und von denen jeder mit jeweils ei­ ner der leitfähigen Oberflächen (53) in der Nähe des spulenseitigen Endes des keramischen Halters (40) verlötet ist;
• - es ist ein Paar von Zuleitungsdrähten (46) vorgese­ hen, welche einen ausreichenden Durchmesser haben, um mechanischen Belastungen bei der Handhabung des Sensors zu widerstehen, und welche Enden aufweisen, die in der Nähe des basisseitigen Endes des Halters (40) mit den leitfähigen Oberflächen (53) desselben verlötet sind, wobei die Enden der Zuleitungsdrähte (46) körperlich außer Kontakt mit den Enden der An­ schlußdrähte (51) der Spule (44) stehen, jedoch über die leitfähigen Oberflächen (53) damit in elektri­ schem Kontakt stehen; und
• - es sind Befestigungseinrichtungen (29, 30, 35, 38) vorgesehen, mit deren Hilfe der Wellenpositionssen­ sor in einer festen Position in der Nähe der Welle derart montierbar ist, daß er auf die Welle ausricht­ bar ist, um deren Position zu erfassen.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die leitfähigen Oberflächen (53) ein leitfähiges Palladium/Silber-Material vorgesehen ist.

3. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der Spule (44) und den Lötverbindungen eine schützende Abdeckung (45) vorgesehen ist, daß der Halter (40) zwei in Längsrichtung verlaufende Aussparungen (Nuten 50) aufweist und daß in jeder dieser Aussparungen jeweils eine der leitfähigen Oberflächen (53) ausgebil­ det ist, wobei die Aussparungen ausreichend tief sind, um die Spulenanschlüsse (51) und die Anschlußdrähte (46) derart aufzunehmen, daß diese durch die schützende Ab­ deckung (45) im wesentlichen in den Aussparungen einge­ schlossen sind.

4. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (44) aus einem geflochtenen Litzendraht gewickelt ist.

5. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappe (43) und die Abdeckung (45) aus Kera­ mikmaterial bestehen.

6. Positionssensor nach Anspruch 1 zur Verwendung in Ver­ bindung mit aktiven magnetischen Lagern, welche die Wel­ le lagern und mit einer zugeordneten elektronischen Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (44) zur Erzeugung eines Positions-Rückkopplungssignals für die elektronische Steuerung geschaltet ist.

7. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der leitfähigen Oberflächen (53) durch einen dünnen Film aus leitfähigem Material defi­ niert ist, welches eutektisch mit der äußeren Oberfläche des keramischen Halters (40) verbunden ist.

8. Positionssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Ende einen Durchmesser von weniger als etwa 6,4 mm und eine Länge von weniger als etwa 2,54 cm aufweist und die Stange (42), die Spule (44) und die schützende Abdeckung (45) umfaßt.

9. Positionssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (44) nicht vergossen ist, derart, daß zwi­ schen den Windungen des zu einer Spule gewickelten Drah­ tes Zwischenräume verbleiben, welche bei Temperaturände­ rungen der Spule (44) eine freie Expansion und Kontrak­ tion des Drahtes ermöglichen.

10. Positionssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Inneren der Abdeckung (45) und der Außenseite der Spule frei von jeglichem Vergußmate­ rial ist, so daß sich die Spule in Abhängigkeit von ih­ ren Temperaturänderungen frei ausdehnen und zusammenzie­ hen kann, und daß der Raum zwischen der Innenseite der Abdeckung (45) und den Zugentlastungsschleifen der Spu­ lenanschlüsse (51) frei von jedem Vergußmaterial ist, so daß sich die Zugentlastungsschleifen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen frei ausdehnen und zusammenziehen können und so daß unterschiedliche thermische Ausdehnun­ gen und Kontraktionen der Spule (44) und des Halters (40) aufgefangen werden können.

11. Positionssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (42) aus einem Ferritmaterial besteht, und daß die Spule (44) zur Erzeugung eines elektromagne­ tischen Feldes betätigbar und in einer solchen Form ge­ wickelt ist, daß sich eine Widerstands/Temperatur- Charakteristik derselben ergibt, welche über einen vor­ gegebenen Temperaturbereich eine vorgegebene negative Steigung hat, und daß das Material der Ferritstange der­ art ausgewählt ist, daß sich eine Permeabili­ täts/Temperatur-Charakteristik ergibt, welche eine lineare positive Steigung hat, die im wesentlichen kom­ plementär zu der vorgegebenen negativen Steigung der Charakteristik der Spule (44) ist, derart, daß die Stär­ ke des elektromagnetischen Feldes über den vorgegebenen Temperaturbereich relativ konstant ist.