DE19960891C2 - Drehgeber bzw. Lineargeber insbesondere für die Erfassung langsamer Bewegungen und Bewegungsrichtungen - Google Patents
Drehgeber bzw. Lineargeber insbesondere für die Erfassung langsamer Bewegungen und BewegungsrichtungenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Drehgeber bzw. ein Lineargeber insbesondere mit
Bewegungsrichtungserkennung, welcher insbesondere für die Erfassung langsamer
Bewegungen und deren Bewegungsrichtung geeignet ist.
Ein derartiger Drehgeber oder Positionsdetektor ist beispielsweise mit dem
Gegenstand der DE 43 42 069 A1 bekannt geworden.
Bei diesem bekannten Drehgeber wird ebenfalls ein Arm von einer Antriebswelle
drehend angetrieben, wobei auf dem Arm drehfest ein Permanentmagnet
angeordnet ist. Diesem drehbar angetriebenen Permanentmagneten liegen
mindestens zwei wiederum auf Wellen drehbar ausgebildete Permanentmagnete
gegenüber, an denen sich der erst genannte auf dem Arm befindliche
Permanentmagnet vorbei bewegt.
Dieser Permanentmagnet ist also im Zentrum einer Drehachse angeordnet, wobei
radial auswärts eine Reihe (mindestens zwei) drehbar angeordnete
Permanentmagnete angeordnet sind. Dem jeweils radial außen liegenden, drehbar
gelagerten Permanentmagneten ist hierbei weiter radial auswärts eine
Induktionsspule zugeordnet.
Läuft nun der innere, drehend angetriebene Permanentmagnet an einem außen
liegenden, drehbar gelagerten Permanentmagneten vorbei, dann kommt es
entweder zu einer Anziehung oder Abstoßung des jeweils betroffenen, drehbar
gelagerten Permanentmagneten.
Kommt es zu einer Anziehung der sich gegenüber stehenden Permanentmagneten,
d. h. liegt beispielsweise ein Nordpol auf dem drehbar angetriebenen
Permanentmagneten einem gegenüberliegenden Südpol gegenüber, wird in der
dahinter liegenden Spule keine Induktionsspannung induziert. Kommt es hingegen
zu einer Gegenüberstellung von einem Nordpol des drehbaren Permanentmagneten
zu einem Nordpol des drehbar gelagerten, radial auswärts angeordneten
Permanentmagneten, dann dreht sich dieser Permanentmagnet aufgrund der
herrschenden Abstoßungskraft schlagartig um und induziert so eine
Induktionsspannung in der dahinter liegenden Induktionsspule.
Auf diese Weise wird also ein Energiespeicher realisiert, der im wesentlichen aus
drehbar gelagerten Permanentmagneten besteht, wobei diese drehbar gelagerten
Permanentmagnete je nach ihrer Drehlage und Beschleunigung in der radial
auswärts liegenden, jeweils zugeordneten Induktionsspule eine Induktionsspannung
induziert.
Ein derartiger Drehwinkelgeber hat jedoch den Nachteil, daß er sehr kompliziert ist,
denn er setzt drehbar gelagerte Permanentmagnete voraus, die mit zugeordneten
radial auswärts liegenden Induktionsspulen zusammenwirken.
Es gibt hierbei im Bereich des Drehlagers Reibungswiderstände, so daß die Gefahr
besteht, daß ein Permanentmagnet sich sehr schnell schlagartig dreht, während sich
ein anderer verzögert dreht, wodurch der Nachteil besteht, daß die in der jeweiligen
Spule induzierte Spannung nicht gleich groß ist.
Weiterer Nachteil ist, daß der gesamte Aufbau mechanisch relativ aufwendig wird,
teuer in der Herstellung ist und im übrigen auch noch einen großen Platzbedarf
voraussetzt, weil die entsprechenden Spulen radial auswärts angeordnet sind, und
hier ein entsprechend großer Durchmesser erforderlich ist.
Weiterer Nachteil ist, daß bei sehr hohen Drehzahlen die außen liegenden drehbar
gelagerten Permanentmagnete sich nicht mehr mitdrehen und keine
Induktionsspannung mehr erzeugen.
Ein weiterer Nachteil ist im übrigen, daß die jeweilige Drehlage der drehbar
angeordneten Permanentmagnete nicht ohne weiteres feststellbar ist. Steht
beispielsweise ein drehbar gelagerter Permanentmagnet falsch - z. B. verursacht
durch eine Erschütterung - dann stellt sich der gewünschte Umschlageffekt nicht ein,
obwohl er an dieser Stelle vorausgesetzt und erwartet wird. Der drehbar
angetriebene Permanentmagnet dreht dann diesen drehbaren Permanentmagneten
in seine "richtigen Lage", so daß also jeweils eine Korrektur stattfinden muß, die auf
mindestens einer Gesamtumdrehung des drehbar angetriebenen
Permanentmagneten erfolgt.
Damit besteht also der Nachteil, daß eine nicht betriebssichere Erfassung der
Drehlage des Positionsgebers in Kauf genommen werden muß, wenn dieser
Drehgeber erschüttert wird oder die drehbar angeordneten Permanentmagnete
aufgrund anderer Einflüsse in einer nicht erwarteten Drehlage stehen.
Im übrigen besteht noch der weitere Nachteil, daß bei bestimmten dynamischen
Bedingungen, insbesondere bei schlagartigen Drehzahländerungen die Masse des
drehbar gelagerten Permanentmagneten nicht schlagartig dem vorbeilaufenden
drehend angetriebenen Permanentmagneten folgt.
Der Positionsdetektor der DE 43 42 069 A1 hat in seiner einfachsten Form eine
drehbare Welle, die über einen starren radialen Arm einen ersten
Permanentmagneten mitnimmt, dessen N-S-Ausrichtung axial zur Welle ausgerichtet
ist. Axial darüber liegt ein drehfester Halter, an dem radial eine als Energiespeicher
dienende Blattfeder angebracht ist, an deren freiem Ende sich ein zum ersten
Magneten gegensinnig polarisierter zweiter Magnet befindet, welcher in
Ruhestellung des Positionsdetektors in axialer Flucht zum ersten Magneten liegt.
Axial über diesem zweiten Magneten liegt eine ortsfeste Induktionsspule mit
Eisenkern. Wird nun die Welle gedreht, dann nimmt der erste Magnet den axial
darüber befindlichen zweiten Magneten solange mit, bis die Federkraft der Feder
größer ist als die Magnethaltekraft zwischen den beiden Magneten. Die in der Feder
gespeicherte potenzielle Energie wird dann in kinetische Energie umgesetzt und der
zweite Magnet dreht mit Schwung zurück an der ortsfesten Spule vorbei, in der eine
Induktionsspannung erzeugt wird, die ausgewertet werden kann. Demgemäss sind
die beiden Magnete und damit die Welle und die Feder zeitweise über einen
bestimmten Winkelbereich magnetisch miteinander gekoppelt, wobei auch eine
zeitweise mechanische Kopplung über einen bestimmten Winkelbereich beschrieben
ist. Nicht offenbart ist jedoch, dass direkt zwischen Antriebswelle und erstem
Magneten eine lediglich zeitweise mechanische Kopplung besteht und somit keine
zeitweise mechanische Entkopplung über einen bestimmten Winkelbereich erfolgt.
Nachteil ist also, dass viel Bauraum benötigt wird, da die Magnete, sowie die Spule
axial hintereinander in drei Ebenen angeordnet sind. Weiterhin liegen erhöhte
Herstellungskosten vor, da alle Magnete bewegt werden. Eine reduzierte Präzision
ergibt sich durch Energiefreisetzung aus der Feder entgegen der
Bewegungsrichtung der Welle, sowie durch deren Hysterese und Verschleiß.
Eine zweite Ausführung der DE-43 42 069 A1 zeigt einen ersten zentralen
Permanentmagneten, dessen N-S-Ausrichtung radial zur Welle ausgerichtet ist,
dessen Mittelpunkt auf der Längsachse der Welle liegt und sich hierum drehen lässt.
Weiterhin sind zum ersten Magneten radial außen liegende, ebenfalls quer zur
ersten Welle ausgerichtete und um sich selbst drehbare zweite Permanentmagnete
vorgesehen, die mit axial und/oder radial außerhalb zu diesen beabstandeten
Spulen zusammenwirken. Nicht offenbart ist, dass zwischen Antriebswelle und
erstem zentralen Magneten eine lediglich zeitweise mechanische Kopplung besteht
und somit keine zeitweise mechanische Entkopplung über einen bestimmten
Winkelbereich erfolgt. Nachteil ist, dass viel Bauraum benötigt wird, da Spulen und
Magnete hintereinander radial auf drei Umkreisen um die Antriebswelle und axial in
zwei Ebenen angeordnet sind. Weiterhin liegen erhöhte Herstellungskosten vor, da
alle Magnete bewegt werden.
In einer dritten Ausführung der DE-43 42 069 A1 ist ein Lineargeber gezeigt, der auf
einer horizontal und linear verschieblichen Schiene eine Vielzahl von beabstandeten
und in Querrichtung zur Bewegungsrichtung angeordneten ersten
Permanentmagneten besitzt, die alternierend polarisiert sind. Quer zur
Bewegungsrichtung der Schiene und in ihrer Ebene liegen um sich selbst drehbare
zweite Permanentmagnete, sowie zugehörige fluchtende Spulen, welche weiter von
der Schiene entfernt angeordnet sind. Nicht offenbart ist, dass direkt zwischen
Antriebsstange und ersten Magneten eine lediglich zeitweise mechanische Kopplung
besteht und somit keine zeitweise mechanische Entkopplung über einen bestimmten
Winkelbereich erfolgt. Nachteil ist, dass viel Bauraum benötigt wird, da Magnete und
Spulen zwar in einer horizontalen Ebene liegen, aber in drei verschiedenen
vertikalen Ebenen. Weiterhin liegen erhöhte Herstellungskosten vor, da alle Magnete
bewegt werden.
In einer vierten Ausführung der DE-43 42 069 A1 ist ein Drehgeber gezeigt, mit vier
von einer Antriebswelle drehend angetrieben radialen Armen mit je einem darauf
befestigten polarisierten Permanentmagneten, deren N-S-Ausrichtung ebenfalls
radial zur Längsachse der angetriebenen Welle ausgerichtet ist und deren Nordpole
nach radial außen zeigen. Die Winkel zwischen den vier Armen sind 60° und 120°.
Radial außerhalb dieser ersten Magnete liegen zwei Stück zweite
Permanentmagnete, deren N-S-Achse gleich zu den ersten Magneten liegt, jedoch
deren Nordpole nach radial innen zeigen. Diese zweiten Magnete sind je auf einem
radial sich erstreckenden Arm angeordnet, der an einer separaten, nicht
angetriebenen Welle befestigt sind. Wiederum radial außerhalb zu den zweiten
Magneten befinden sich drei Stück dritte aber ortsfeste Permanentmagnete, deren
N-S-Ausrichtung völlig identisch zu den zweiten rotierbaren Magneten ist. Auf dem
gleichen Umkreis um die Antriebswelle wie die dritten Magnete liegen ortsfeste
Spulen, welche gleichmäßig zwischen den dritten Magneten angeordnet sind. Alle
Spulen und alle Magnete sind in einer horizontalen Ebene angeordnet, jedoch auf
drei unterschiedlichen Umkreisen um die Antriebswelle, was zu einem erhöhten
Platzbedarf führt. Die Magnete auf jedem einzelnen der Umkreise sind nicht
alternierend polarisiert, sondern gleichsinnig polarisiert. Es sind wieder sehr viele
bewegte Magnete vorhanden. Hierdurch ist der Drehgeber sehr kompliziert, teuer,
anfällig und platzaufwendig.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Drehwinkelgeber bzw.
Lineargeber mit insbesondere Erkennung der Bewegungsrichtung auch bei
langsamen Bewegungen so weiter zu bilden, daß er wesentlich betriebssicherer
arbeitet, daß er genauer auch unter ungünstigen Umgebungseinflüssen arbeitet, und
daß er kostengünstiger und platzsparender herstellbar ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technischen Lehren
der Ansprüche 1 und 14 gekennzeichnet.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß bei Ausführung als Drehgeber, die
ortsfesten Permanentmagnete alternierend polarisiert angeordnet sind und der auf
dem drehbaren Arm befestigte Permanentmagnet auf einem zum Umkreis axial
beabstandeten und konzentrischen Umkreis bewegbar ist, wobei der Arm relativ zur
Antriebswelle einen Schlupf über einen vorbestimmten Rotationswinkel aufweist,
entlang dem der Arm nicht starr mit der Antriebswelle oder einem der Antriebswelle
vorgeschalteten Element verbunden ist, sondern frei um die Drehachse drehbar
ausgebildet ist.
Wesentliches Merkmal der Erfindung bei Ausführung als Lineargeber ist, daß
mehrere alternierend polarisierte Permanentmagnete entlang einer Führung und
beabstandet davon vorgesehen sind, und zwischen den ortsfesten
Permanentmagneten mindestens je eine Spule angeordnet ist, und ein mit einem
weiteren polarisierten Permanentmagneten versehener Schlitten auf der Führung
längs an den ortsfesten Permanentmagneten vorbei bewegbar und in magnetische
Wechselwirkung bringbar ist, wobei der Schlitten ein begrenztes lineares
Schleppspiel aufweist, entlang dem er nicht starr mit der Führung verbunden ist,
sondern frei relativ zur Führung ausgebildet ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass wesentlich weniger Bauraum benötigt wird,
da Spulen und ortsfeste Magnete in einer Ebene liegen, die zur Ebene des zweiten
Magneten, der mit der Welle verbunden ist, nur einen geringen axialen Abstand
aufweist. Daraus resultieren auch geringere Herstellungskosten, auch deswegen, da
nur ein einziger auf einem Arm befindliche Magnet bewegt wird, nicht aber die zwei
oder mehr ortsfesten Magneten, was eine höhere Präzision der Messung ergibt.
Auch kann auf zahlreiche Bauteile verzichtet werden, was zu einem weiteren
Kostenvorteil führt, die Reparaturanfälligkeit vermindert, sowie die Präzision der
Messung weiter erhöht.
Hauptunterschied zwischen der DE-43 42 069 A1 und der vorliegenden Erfindung ist
also zum einen die spezielle, alternierend polarisierte Anordnung der ortsfesten
Permanentmagnete und der dazwischen liegenden ortsfesten Messspulen und zum
anderen die zeitweise Entkopplung des an der ortsfesten Anordnung der Magnete
und Spulen vorüber bewegten einzigen Permanentmagneten vom Antriebselement
(Winkelschlupf/Schleppspiel) über einen definierten Bewegungsbereich. Hierdurch
erfolgt eine schlagartige Umwandlung der potenziellen in kinetische Energie ohne
Rückkopplung auf den Antrieb und Induktion eines erhöhten Messsignals in den
Messspulen.
Beispielsweise kann dieser Rotationsarm mit Permanentmagnet einen unten
liegenden Nordpol haben, der dann mit den entsprechenden, oben liegenden
Südpolen bzw. Nordpolen auf der darunter liegenden Umkreisebene
zusammenwirkt.
Weiterhin ist wichtig, daß der Arm mit einem Schlupf auf der Antriebswelle drehend
angetrieben wird. Dieser Schlupf wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Arm
auf der Antriebswelle drehbar gelagert ist und zwischen zwei Anschlagkanten
bewegbar ist, die im Bereich einer Ausnehmung der Antriebswelle angeordnet sind.
Auf dieser Weise kann sich der Arm frei zwischen den beiden Anschlagkanten im
Bereich der Ausnehmung der Antriebswelle bewegen, wobei die Antriebswelle selbst
mit einer kontinuierlichen Drehbewegung angetrieben wird.
Es handelt sich also um einen Schlepparm, der im Bereich der Anschlagkanten ein
bestimmtes freies Bewegungsspiel aufweist.
Wird nun der am freien Ende des Arms angeordnete Nordpol über einen ortsfest
angeordneten Südpol auf der Kreisringbahn bewegt, dann wird dieser Arm von dem
Südpol eingefangen und dort festgehalten. Das Festhalten geschieht bei sich weiter
drehender Antriebswelle so lange, bis der in Antriebsrichtung hinten liegende
Anschlag den Arm unter Überwindung der magnetischen Rastkraft über den Südpol
des Magneten hinweg bewegt, wodurch der Arm über eine dazwischen liegende
Spule hinweg bewegt wird.
Nun ist in Drehrichtung hinter dieser Spule ein Nordpol angeordnet, so daß also der
Nordpol auf dem Schlepparm mit diesem ortsfest angeordneten Nordpol eine
Abstoßungswirkung erfährt, so daß dieser Schlepparm noch weiter in Drehrichtung
beschleunigt wird und über die hinter dem ortsfest angeordneten Nordpol
angeordnete Spule hinwegschnellt und dort eine relativ starke Induktionsspannung
erzeugt.
Er wird dann von einem hinter der Spule angeordneten Südpolmagneten
eingefangen und rastet dort magnetisch ein.
Mit dieser Anordnung von alternierender Polung angeordneten Permanentmagneten
besteht also der wesentliche Vorteil, daß der Arm wechselweise von einem
Magneten angezogen wird und dort einrastet und beim Weitertransport dieses
Schlepparmes schlagartig durch ein dazwischen liegenden gleichsinnig
magnetisierten Permanentmagneten beschleunigt wird, bis er wieder auf einen
dahinter liegenden entgegengesetzt polarisierten Permanentmagneten trifft, wo er
wieder magnetisch einrastet.
Wegen dieser abwechselnden Bewegung von Drehrichtung und nachgeschalteter
Beschleunigung kommt es daher zu sehr hohen Induktionsspannungen in den
entsprechenden Spulen, was zu einem sehr kräftigen und energiereichem
Induktionssignal führt.
Es handelt sich also um eine sehr betriebssichere Anordnung, weil bei dieser
Anordnung ortsfeste Magnete abwechselnd zwischen ortsfesten Spulen auf einem
gemeinsamen Umkreis angeordnet sind.
Damit besteht auch der Vorteil, daß ein nur geringer Umkreis-Durchmesser
verwendet werden muß und die gesamte Anordnung sehr klein gehalten werden
kann. Erfindungsgemäß kann somit auch auf eine entsprechende Drehlagerung von
Permanentmagneten und gegebenenfalls auch von Spulen verzichtet werden, weil
alle genannten Bauteile auf dem Umkreis entsprechend ortsfest auf einer Platte, auf
einer Platine oder aber frei gelagert sein können.
Es wird in der folgenden Beschreibung auf die Anordnung dieser beschriebenen
Konstruktion als Lineargeber verzichtet. Es ist ohne weiteres verständlich und wird
auch in verschiedenen Druckschriften beschrieben, daß man anstatt einer
Drehbewegung eine entsprechende lineare Verschiebebewegung durchführt, um mit
dieser Art der magnetischen Rastmomente und der Beschleunigung eines Armes
einen entsprechenden Lineargeber zu erzeugen.
Im Falle der Linearbewegung des Schlepparmes wird hierbei ein längs einer Schiene
oder Führung bewegbarer Schlitten verwendet, dieser Schlitten mit einem
Permanentmagneten gekoppelt ist, der in einer bestimmten Richtung polarisiert ist
und der mit ebenfalls abwechselnd polarisierten ortsfest angeordneten und längs
einer Bahn befindlichen Permanentmagneten zusammen wirkt, zwischen denen die
entsprechenden Spulen angeordnet sind.
Vorteil der gesamten Anordnung ist es, daß durch die Schleppbewegung und durch
die nachfolgende Beschleunigungsbewegung eine eigenständige Spannung in den
Spulen induziert wird, so daß mit dieser induzierten Spannung die gesamte
Elektronik mit Energie versorgt werden kann. Es handelt sich also um ein autonomes
System, bei dem auf eine Batterieversorgung oder einer Netzversorgung verzichtet
werden kann.
Die in den nacheinander folgend angeordneten Spulen induzierten
Induktionsspannungen erzeugen jeweils einen Impuls, welche Impulsfolge für die
Bewegungsrichtung des Armes über dieser Anordnung eine Aussage trifft.
Damit ist also die Bewegungsrichtung genau festlegbar, weil die Impulsfolge genau
festgestellt werden kann, ob z. B. zuerst in der ersten Spule, dann in der zweiten
Spule und danach in der dritten Spule eine Spannung induziert wurde.
Ebenso kann die Anzahl der Umdrehungen bzw. Hubbewegungen festgestellt
werden, weil ja eine Vollumdrehung bzw. ein Vollausschlag eine definierte Anzahl
von Impulsen in den auf dem Umkreis bzw. der Linearführung angeordneten Spulen
induziert.
In einer Minimalkonfiguration ist lediglich erforderlich, daß man eine volle
Umdrehung erfassen will. Hierzu reichen zwei Spulen aus, die auf einem Umkreis
angeordnet werden können, um die Drehrichtung in einer Richtung zu erfassen.
Kommt es hingegen darauf an, daß man die Drehrichtung in zwei entgegengesetzten
Richtungen erfaßt, benötigt man vier Spulen, die mit entsprechenden, dazwischen
liegenden und alternierend polarisierten Permanentmagneten abgewechselt sind.
Für diesen Fall würden dann fünf Permanentmagnete benötigt.
Mit dieser Anordnung können auch größere Rüttelbewegungen eleminiert werden.
Es ist hierbei nicht notwendig, diese Anordnung auf einem Umkreis-Segment von
180° anzuordnen, es können auch beliebige andere Umkreis-Segmente verwendet
werden, wie z. B. 90°, 30°, 60° oder dergleichen mehr. Es genügt ja, auf einem
Umkreis von 360° nur an einer bestimmten Stelle diese Anordnung unterzubringen,
weil man ja nur einen einzigen Durchlauf dieses Armes über einen Winkel von 360°
entsprechend seiner Drehrichtung erfassen will.
Die Drehrichtungszählung erfolgt so, daß die in einer Spule oder in mehreren Spulen
induzierte Spannung in einen Prozessor eingespeist wird und dort in einem Speicher
abgelegt wird, um die Anzahl der durchlaufenden Voltumdrehungen mit Vorzeichen
richtig zu zählen.
Vorteil dieser Maßnahme ist, daß diese Zählung der Drehung der Antriebswelle auch
im stromlosen Zustand passieren kann, d. h. wenn das Gesamtsystem ausgeschaltet
ist und keine Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Dies kommt häufig bei
Werkzeugmaschinen vor, bei denen der Betriebsstrom abgestellt wird und die noch
einen bestimmten Nachlauf haben und es ist hierbei dann nicht möglich, unter
Spannung die noch ablaufenden Leerlaufumdrehungen zu zählen. Hier gibt es
mechanische Systeme, die mit einem mechanischen Getriebe gekoppelt sind. Also
eine Antriebswelle ist mit einem mechanischen Getriebe gekoppelt ist, um im
stromlosen Zustand die Umdrehung der Antriebswelle zu zählen.
Es gibt andere Systeme, bei denen eine Versorgungsbatterie verwendet wird, um
ebenfalls bei Wegfall der Versorgungsspannung die noch bestehenden
Umdrehungen der Antriebswelle zu zählen.
Hier setzt die Erfindung ein, die eben vorsieht, daß auch bei Wegfall der
Versorgungsspannung eine eigene Spannung induziert wird, die nun ausgelesen
und abgespeichert werden kann.
Beim Wiedereinschalten des Systems werden die gezählten Vollumdrehungen
ausgelesen und im System als Anfangswert zur Verfügung gestellt.
Bei dieser Art der Auswertung wird also die Anzahl der Umdrehungen erfaßt, die
spannungslos durchgeführt wurden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur darauf beschränkt, daß das System
spannungslos arbeitet, es kann selbstverständlich eine Auswertung der in den
Spulen induzierten Spannungen auch dann erfolgen, wenn die
Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Dies ist der Regelfall.
Der hier dargestellte Vollumdrehungszähler ist noch mit einer Codierscheibe
kombiniert, auf der absolut der Drehwinkel auslesbar ist, so daß beim
Wiederschalten des Systems die Anzahl der Vollumdrehungen über den hier
erfindungsgemäß dargestellten Vollumdrehungszähler erfaßt werden kann und
zusätzlich noch die absolute Lage des Systems insgesamt, weil hierzu die
Codierscheibe ausgelesen wird. Daraus ergibt sich die Absolutposition des
Gesamtsystems.
Der Begriff Codescheibe ist hier nur als Beispiel gemeint, es gibt auch andere
absolute Codierungssysteme, wie z. B. einen induktiven Geber, eine kapazitiven
Geber und dergleichen mehr.
Der Vollumdrehungszähler ist also allgemein mit einem absoluten
Positionserfassungsgeber gekoppelt.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem
Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der
einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben
und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche
Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in
Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege
darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und
ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der
Erfindung hervor.
Es zeigen:
Fig. 1: schematisiert einen Vollumdrehungszähler nach der Erfindung in der
Draufsicht
Fig. 2: die gleiche Darstellung wie in Fig. 1 in einem anderen
Funktionszustand
Fig. 3: schematisiert einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 2
Fig. 4: die Ausbildung der Anordnung als Lineargeber
Fig. 5: die Ausbildung der Anordnung nach Fig. 1-3 mit einem
Hohlwellengeber
Fig. 6: schematisiert einen Schnitt durch den Hohlwellengeber nach Fig. 5
In Fig. 1 ist der Drehgeber so aufgebaut, daß auf einer ortsfesten Platte 1 in einem
bestimmten Kreissektor von einem Winkel 31 von beispielsweise 170° eine
Hintereinanderanordnung von Permanentmagneten 9-13 und Spulen 14-17 auf
einem Umkreis 8 angeordnet ist.
Dem als obliegenden Südpol polarisierten Magneten 9 folgt in Drehrichtung eine
Spule 14, der wiederum ein als Nordpol polarisierter Permanentmagnet 10, dem
wiederum eine Spule 15 folgt, der wiederum einen Südpol polarisierter
Permanentmagnet 11 folgt, dem wiederum eine Spule 16 folgt, dem ein als Nordpol
polarisierter Permanentmagnet 12 folgt, dem eine Spule 17 folgt und dem schließlich
ein Permanentmagnet 13 folgt, der als Südpol polarisiert ist.
Auf einer im Uhrzeigersinn angetriebenen Antriebswelle 2 ist hierbei in der
Drehachse ein Arm 18 montiert, der drehbar auf der Antriebswelle gelagert ist.
Dieser Arm 18 ist im Bereich einer Ausnehmung 3 frei verdrehbar und wirkt zur
Drehwinkelbegrenzung mit links- und rechtsseitigen Anschlagkanten 4, 5 im Bereich
dieser Ausnehmung 3 zusammen.
Der Winkel 6 dieser Ausnehmung steht in einem bestimmten Verhältnis zum Winkel
7 zwischen zwei gleichsinnig gepolten Permanentmagneten 11, 13.
Hierbei sollte der Winkel 6 größer sein als der Winkel 7, um zu vermeiden, daß beim
Einrasten des Armes 18 mit seinem als Nordpol polarisierten Magneten 19 dieser
Arm an der Anschlagkante 4 anschlägt, wenn der Permanentmagnet 19 an dem
Magneten 11 einrastet.
In Fig. 2 ist ein erster Funktionszustand dargestellt, wobei der lediglich der
besseren zeichnerischen Verdeutlichung wegen der am Arm 18 montierte
Permanentmagnet 19 größer dargestellt ist als der darunter liegenden
Permanentmagnet 13. Die Magneten sind in der Praxis gleich ausgebildet.
Es ist jedoch auch möglich, den Permanentmagneten 19 anders in seiner Größe
auszubilden als die darunter liegenden und ortsfest angeordneten
Permanentmagneten 9-13.
Wird nun die Antriebswelle 2 um ihre Drehachse 32 in Pfeilrichtung 23 angetrieben,
dann schlägt die Anschlagkante 5 am Arm 18 an, der somit in Pfeilrichtung 33
mitgenommen wird. Er wird also entsprechend der Drehgeschwindigkeit der
Antriebswelle zunächst über die Spule 17 bewegt, wo er eine geringe
Induktionsspannung induziert.
Nun gelangt der Nordpol des Magneten 19 über den gleichfalls als Nordpol
polarisierten Magneten 12 und wird dort abgestoßen, so daß er stark in Pfeilrichtung
33 beschleunigt wird und mit relativ hoher Geschwindigkeit über die in Drehrichtung
sich anschließend angeordnete Spule 16 hinweg schnellt, wo eine beträchtliche
Induktionsspannung induziert wird. Damit ist gewährleistet, daß auch bei beliebig
langsamer Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle in Pfeilrichtung 23 immer eine
gewisse Mindestspannung in der Induktionsspule 16 induziert wird, weil die Induktion
allein durch die Abstoßungskraft zwischen den beiden Nordpol-Permanentmagneten
erfolgt und diese nicht mehr abhängig ist von der Drehgeschwindigkeit der
Antriebswelle 2 selbst.
Es erfolgt nämlich ein freies Bewegen des Schlepparmes 18 im Bereich dieser
Ausnehmung 3, so daß also diese Bewegung von der Bewegung der Antriebswelle 2
entkoppelt ist.
Nach dem Hinwegschnellen über die Spule 16 wird der als Nordpol polarisierte
Permanentmagnet 19 von dem sich in Drehrichtung anschließenden Magneten 11
eingefangen, der als Südpol polarisiert ist. Er rastet dort magnetisch ein und verharrt
dort bei Position 34. Hierbei sollte die Anschlagkante 4 in Drehrichtung 23 hinter der
Position 34 liegen, um zu vermeiden, daß der Arm 18 beim Einrasten auf dem
Magneten 11 an der Anschlagkante anschlägt. Daher ist der Winkel 6 größer zu
wählen als der Winkel 7.
Mit zunehmender Weiterdrehung der Antriebswelle 2 holt dann die Anschlagkante 5
den in Position 34 verharrenden Arm 18 wieder ein, nimmt diesen wieder mit und
transportiert diesen noch über die weitere Anordnung gemäß Fig. 1, wo sich das
gleiche Spiel wiederholt.
Es sind also zwei identische Anordnungen, auf dem Umkreis über einen Winkel von
etwa 170° (Winkel 31) gemäß Fig. 1 verteilt.
Diese Anordnung, die auf dem Winkel 7 beschrieben wurde, ist die
Minimalkonfiguration. Die andere Konfiguration, die sich auf dem weiteren Weg
ergibt, ist nicht lösungsnotwendig.
Wird nämlich in Position 34 die Drehrichtung der Antriebswelle geändert und dreht
sich diese dann beispielsweise in Gegenrichtung zur Pfeilrichtung 23, dann erfolgt
das Abreißen des Magneten 19 von dem Magneten 11 in Richtung über die Spule
16, in der nur eine geringe Induktionsspannung induziert wird und der
Permanentmagnet wird dann von dem Magneten 12 abgestoßen und in der Spule 17
wird eine entsprechend starke Induktionsspannung induziert.
Es wurde aber oben angegeben, daß die Anordnung, welche im Winkelbereich des
Winkels 7 liegt, ausreicht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch die gleiche Anordnung im
Winkelbereich 7' angeordnet.
Es reicht also aus, die Anordnung im Winkel 7, bestehend aus drei Magneten und
zwei Spulen, zu verwenden, um einwandfrei eine Vollumdrehung zu erfassen und
hierzu auch die Drehrichtung zu bestimmen.
Eine Verdoppelung der Anordnung - d. h. also die Anordnung der
Hintereinanderfolge von Magneten 9, 10, 11 zusammen mit den Spulen 14, 15 wird
jedoch bevorzugt, weil dann ein Drehrichtungswechsel auch sehr feinfühlig in
anderen Drehbereichen der Antriebswelle erfaßt werden kann. Um die Feinfühligkeit
noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, daß jeder Quadrat eine Anordnung
erhält.
Im übrigen dient die Anordnung, welche im Winkelbereich von 7' angeordnet ist,
auch noch zur Verfügungstellung einer redundanten Information, denn wenn sich
beispielsweise bei der Auswertung der Drehrichtung in der Anordnung im
Winkelbereich 7 herausstellt, daß ein bestimmter Drehwinkel festgelegt wurde und
beim weiteren Drehen der Antriebswelle nun der Drehwinkel im Bereich der
Anordnung des Winkels 7' erfaßt wird, kann festgestellt werden, ob der mit der
Anordnung im Winkelbereich 7 festgestellte Drehsinn mit der Anordnung im
Winkelbereich 7' festgestellt Drehsinn übereinstimmt.
In Fig. 3 ist schematisiert ein Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 und 2
dargestellt, wo erkennbar ist, daß der Permanentmagnet 19 am freien Ende des
drehbaren Schlepparmes 18 angeordnet ist, der in Pfeilrichtung 23 um die
Drehachse 32 gedreht wird.
Ortsfest ist hierbei die Platte 1 angeordnet, auf deren Umkreis die Magneten 9-13
und Spulen 14-17 jeweils zueinander abwechselnd angeordnet sind.
Im Gehäuse 20 ist hierbei die weitere Elektronik für den Drehwinkelgeber
angeordnet.
Wird ein System benötigt, daß keine Drehrichtungserkennung voraussetzt, wird nur
ein Magnet mit zwei Spulen verwendet (Spule 17 und 16 mit Magnet 12).
In Fig. 4 ist die analoge Darstellung und Ausbildung des Drehwinkelgebers als
Lineargeber dargestellt. Für diese Ausführung wird gesonderter Schutz beansprucht,
der unabhängig ist von dem Schutz des Drehwinkelgebers. Es gelten jedoch alle
Erläuterungen, die für den Drehwinkelgeber gegeben wurden, in analoger Weise
auch für den in Fig. 4 dargestellten Lineargeber.
Hierbei wird ein Schlitten 21 längs einer Führung 22 in Pfeilrichtung 23 dadurch
angetrieben, daß ein entsprechendes gabelförmiges Antriebsteil 35 mit seinem
linken Gabelzinken an dem Schlitten 21 angreift und das Antriebsteil 35 damit in
Pfeilrichtung 23 bewegt wird. Der Schlitten 21 hat hierbei das im Zusammenhang mit
der Ausnehmung 3 erwähnte Schleppspiel im Bereich der Gabel 35, so daß
wiederum der Effekt entsteht, daß der am Schlitten 21 angeordnete
Permanentmagnet 19 auf dem Magneten 13 einrastet.
Er wird bei weiterer Bewegung in Pfeilrichtung 23 über die Spule 17 bewegt, von
dem Magneten 12 abgestoßen und schnellt dann vom Magneten 12 ausgehend über
die Spule 16 in Pfeilrichtung 33, bis er an dem Magneten 11 einrastet.
Hierbei wird in der Spule 16 aufgrund der Abstoßungskraft zwischen dem Magneten
12 und dem Magneten 19 die entsprechende, beträchtliche Induktionsspannung
induziert.
Die Fig. 5 zeigt das Drehwinkelprinzip nach den Fig. 2-3 in Form eines
Hohlwellengebers.
Hierbei ist - in Verbindung mit Fig. 6 - eine untere, ortsfeste Scheibe 24 als Ring
ausgebildet, auf dem die Anordnung von Spulen und Magneten angeordnet ist, wie
dies anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.
Darüber liegend ist auf der Drehachse ein oberer Ring 26 drehbar montiert, der axial
nach oben ragende Anschläge 29, 30 aufweist.
Die Antriebswelle 2 mit ihrer Drehachse 32 ist drehfest mit einer oberen
Antriebsscheibe 36 gekoppelt, an der ein axial nach unten gerichteter Anschlagstift
28 angeordnet ist.
Mit dem Drehantrieb der Antriebsscheibe 36 in Pfeilrichtung 23 nimmt somit der
Anschlagstift 28 durch Anlage an den Anschlag 29 den Ring 26 mit, der
dementsprechend mitgeschleppt wird, bis der Permanentmagnet 19, der auf dem
Ring 26 befestigt ist, an dem auf dem Ring 24 befestigten ersten
Permanentmagneten 13 einrastet.
Es erfolgt dann der gleiche Bewegungsablauf wie anhand der Fig. 1-3
beschrieben wurde.
Es gelten im übrigen auch für diese Ausführungen die gleichen Erläuterungen.
Die vorliegenden Ausführung unterscheidet sich von der erst genannten Ausführung
im wesentlichen nur dadurch, daß statt des Armes 18 ein entsprechender Ring 26
verwendet wird, der mit zugeordneten Anschlägen 29, 30 ausgerüstet ist, und der mit
dem als Antrieb dienenden Stift 28 zusammenwirkt.
Es werden immer zwei Impulse dem Steuersystem pro Umdrehung zugeführt. Vom
Uhrzeigersinn aus betrachtet ist die Reihenfolge der induzierten Spannungen Spule
16 dann Spule 14. Gegen den Uhrzeigersinn ist die Reihenfolge Spule 15 und dann
Spule 17.
Wird die Drehrichtung innerhalb des Permanentmagnet-; Spulen-System geändert
(Permanentmagnet 19 verharrt über Permanentmagnet 11) wird eine Spannung an
Spule 17 (bzw. Spule 14) ein zweites Mal erzeugt. Das Steuersystem kann aus der
Reihenfolge der induzierten Spannungen die Zählrichtung feststellen und die
Zählimpulse addieren bzw. subtrahieren.
Wird die Drehzahl langsam erhöht, so werden nahtlos die induzierten Spannungen
zu Zählimpulsen durch den Beschleunigungseffekt der Drehzahl gemacht. Es wird
garantiert, daß über den gesamten Drehzahlbereich die Umdrehungen gezählt
werden. Auch der Übergang von einer hohen Drehzahl zu Null wird so durch das
System abgefangen.
Die induzierte Spannung wird zusätzlich als Spannungsversorgung für das
Steuersystem ausgenutzt. Dies hat zur Folge, daß keine Fremdversorgung
notwendig ist, wenn die Versorgungsspannung nicht zur Verfügung steht.
1
Platte
2
Antriebswelle
3
Ausnehmung
4
Anschlagkante
5
Anschlagkante
6
Winkel
7
Winkel
7
'
8
Umkreis
9
ortsfester Permanentmagnet
10
ortsfester Permanentmagnet
11
ortsfester Permanentmagnet
12
ortsfester Permanentmagnet
13
ortsfester Permanentmagnet
14
Spule
15
Spule
16
Spule
17
Spule
18
Arm
19
Permanentmagnet auf
18
20
Gehäuse
21
Schlitten
22
Führung
23
Pfeilrichtung
24
Ring (unten)
25
-
26
Ring (oben)
27
-
28
Anschlagstift
29
Anschlag
30
Anschlag
31
Winkel
32
Drehachse
33
Pfeilrichtung
34
Position
35
Gabel
36
Antriebsscheibe
Claims (15)
1. Drehgeber insbesondere mit Drehrichtungserkennung, mit einem von einer
Antriebswelle (2) um eine Drehachse (32) drehend angetriebenen Arm (18) mit
einem darauf befestigten polarisierten Permanentmagneten (19), welcher an
mindestens zwei gegenüberliegenden ortsfesten polarisierten
Permanentmagneten (9-13) mit dazwischen liegender ortsfester Spule (14,
17), die etwa auf einem Umkreis (8) angeordnet sind, vorbei bewegbar und
dadurch in magnetische Wechselwirkung bringbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die ortsfesten Permanentmagnete (9-13) alternierend
polarisiert angeordnet sind und der auf dem drehbaren Arm (18) befestigte
Permanentmagnet (19) auf einem zum Umkreis (8) axial beabstandeten und
konzentrischen Umkreis bewegbar ist, wobei der Arm (18) relativ zur
Antriebswelle (2) einen Schlupf über einen vorbestimmten Rotationswinkel (6)
aufweist, entlang dem der Arm (18) nicht starr mit der Antriebswelle (2) oder
einem der Antriebswelle (2) vorgeschalteten Element verbunden ist, sondern
frei um die Drehachse (32) drehbar ausgebildet ist.
2. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Polarisationsvektor des auf dem Arm (18)
befestigten Permanentmagneten (19) mit dem Polarisationsvektor desjenigen
ortsfesten Permanentmagneten (9-13) und/oder der Symmetrielinie
derjenigen ortsfesten Spule (14, 17), welcher in wesentlicher magnetischer
Wechselwirkung zum auf dem Arm (18) befestigten Permanentmagneten (19)
steht, etwa in einer gemeinsamen Ebene liegt.
3. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (18) etwa radial sich erstreckend an
der Antriebswelle (2) angebracht ist.
4. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (19) des Armes (18) an
dessen freiem Ende angeordnet ist.
5. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Schlupf dadurch erreicht wird, daß
der auf der Antriebswelle (2) gelagerte Arm (18) im Bereich des
Rotationswinkels (6) zwischen zwei Anschlagkanten (4, 5) frei drehbar ist,
welche im Bereich einer Ausnehmung (3) der Antriebswelle (2) angeordnet
sind.
6. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Energieversorgung des Drehgebers mit den
induzierten Spannungen der Spulen (14-17) bewerkstelligbar ist und dadurch
eine Batterieversorgung oder Netzversorgung mindestens teilweise und/oder
zeitweise entfallen kann.
7. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens zwei ortsfeste Spulen (14-17) vorgesehen
sind und ein ortsfester Permanentmagnet (9-13) mehr, wie ortsfeste Spulen
(14-17).
8. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfesten Spulen (14-17) und die
ortsfesten Permanentmagnete (9-13) lediglich auf einem vorbestimmten
Segment des Umkreises (8) innerhalb eines Winkels (31) angeordnet sind.
9. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß bei mehreren identischen Anordnungen von ortsfesten
Spulen (14-17) und ortsfesten Permanentmagneten (9-13) der Winkel (31)
des Segmentes des Umkreises (8) etwa 170° beträgt und bei einer
Minimalkonfiguration von lediglich einer Anordnung von ortsfesten Spulen (16
und 17) und ortsfesten Permanentmagneten (11-13 bzw. 12) der Winkel (7)
des Segmentes des Umkreises (8) etwa 85°.
10. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationswinkel (6) des Armes (18) größer
ist als der Winkel (7", 7) einer Anordnung von ortsfesten Spulen (14 und 15
bzw. 16 und 17) und ortsfesten Permanentmagneten (9-11 bzw. 11-13).
11. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der letzte ortsfeste
Permanentmagnet (9, 11 bzw. 11, 13) auf dem Umkreis (8) oder der Führung
(22) entgegengesetzt polarisiert sind wie der Permanentmagnet (19) auf dem
Arm (18) der Antriebswelle (2) bzw. dem Schlitten (21).
12. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeber mit einem absoluten
Positionserfassungsgeber gekoppelt ist.
13. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der absolute Positionserfassungsgeber eine
Codierscheibe ist.
14. Lineargeber insbesondere mit Bewegungsrichtungserkennung, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere alternierend polarisierte Permanentmagnete (9
-13) entlang einer Führung (22) und beabstandet davon vorgesehen sind,
und zwischen den ortsfesten Permanentmagneten (9-13) mindestens je eine
Spule (14, 17) angeordnet ist, und ein mit einem weiteren polarisierten
Permanentmagneten (19) versehener Schlitten (21) auf der Führung (22)
längs an den ortsfesten Permanentmagneten (9-13) vorbei bewegbar und in
magnetische Wechselwirkung bringbar ist, wobei der Schlitten (21) ein
begrenztes lineares Schleppspiel aufweist, entlang dem er nicht starr mit der
Führung (22) verbunden ist, sondern frei relativ zur Führung (22) ausgebildet
ist.
15. Lineargeber insbesondere mit Bewegungsrichtungserkennung nach
Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Spulen (14, 17), deren
Symmetrieachsen und sämtliche Permanentmagnete (9-13 und 19) und
deren Polarisierungsvektoren etwa in einer Ebene liegen.
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