DE3219491C2 - Anordnung zur Impulserzeugung für eine Drehzahl- und Positionsmessung hoher Auflösung an rotierenden Teilen von Maschinen - Google Patents

Abstract

Magnetische Drehpulsgeber mit Wiegand-Moduln haben den Vorteil, daß keine Hilfsenergie benötigt wird. Allerdings ist bei bekannten Drehimpulsgebern mit Wiegand-Moduln die höchste erreichbare Impulsfolgefrequenz auf etwa 10 kHz begrenzt. Die Ursache dafür sind Ummagnetisierungsvorgänge im Wiegand-Draht, die eine gewisse Zeit erfordern. Die erfindungsgemäße Lösung umgeht diese Schwierigkeit, indem der Wiegand-Modul (5) aus mehreren in der Drehrichtung des Laufrades (1) nebeneinander angeordneten Einzel elementen (7) aufgebaut wird und die Zähne (6.1, 6.2) des Laufrads (1) so breit ausgeführt werden, daß sie mehrere Einzelelemente (7) des Moduls (5) abdecken. Die Elemente des Moduls sind in Serie oder parallel geschaltet. Nach dem Durchlauf eines Zahnes durch den Impulsgeber gibt der Modul eine Kette von Impulsen ab. Die maximale Impulsfolgefrequenz läßt sich durch diese Maßnahme etwa um den Faktor (10) gegenüber der bekannten Lösung steigern.

Description

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (1) so ausgebildet wird, daß die Zähne (6.1,6.2) am Umfang des Laufrades (1) in axiale Richtung weisen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiegand-Elemente (7) so angeordnet werden, bzw. die Zähne (6.1, 6.2) am Laufrad (1) so ausgebildet werden, daß die seitlichen Kanten der Zähne (6.1,6.2) und die Längsachsen der Wiegand-Elemente (7) parallel verlaufen.

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Impulserzeugung für eine Drehzahl- und Positionsmessung hoher Auflösung an rotierenden Teilen von Maschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Anordnungen zur Impulserzeugung an rotierenden Teilen von Maschinen — auch Drehimpulsgeber genannt — sollen in einem großen Drehzahlbereich auswertbare Impulse abgeben und besonders für die Positionsmessung eine Winkelauflösung mit hoher Genauigkeit ermöglichen. Sie sollen unempfindlich sein für elektromagnetische Störungen und Verschmutzung.

Am häufigsten werden Drehimpulsgeber eingesetzt, die nacb -einem optischen oder magnetischen Verfahren arbeiten. Optische Drehimpulsgeber sind empfindlich für mechanische Beeinflussung und Verschmutzung, magnetische Drehimpulsgeber besonders für elektromagnetische Störungen.

In neueren Lösungen für magnetische Drchimpulsgeber werden Wiegand-Moduln eingesetzt (MacLIne Design, April 26, 1979, Seite 154 bis 158). Sie haben den besonderen Vorteil, daß keine elektrische Hilfsenergie benötigt wird. Der in solchen Drehimpulsgebern benutzte Wiegand-Effekt ist nach seinem Entdecker John R. Wiegand benannt (Funkschau 1930, Heft 8, Seite 78 bis 80). Der Effekt bewirkt, daß in einem nach einem speziellen Verfahren hergestellten Draht mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes eine sprunghafte Magnetisicrungsänderung ausgelöst werden kann, die in einer in der Nähe des Drahtes befindlichen Spule einen Spannungsimpuls erzeugt Durch das spezielle Herstellverfahren werden die magnetischer. Eigenschaften des Drahtes in der Weise selektiv verändert daß ein weichmagnetischer Kern und eine hartmagnetische Schale entstehen. Wird kein externes Magnetfeld an einen solchen Wiegand-Draht gelegt, bestimmt das Magnetfeld der äußeren Schale die Richtung der Feldlinien im Kern. Außerhalb des Drah.es tritt nur ein sehr schwaches Feld auf. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes (Setzmagnet), dessen Verlauf parallel zur Längsrichtung des Drahtes ist, ändert sich die Richtung des Feldes im Drahtkern sehr schnell, sobald ein Schwellwert des äußeren Feldes erreicht wird. Die magnetischen Feldlinien verlaufen nun außerhalb des Drahtes und die schnelle Änderung dieses Feldes kann durch eine Aufnahmespule erfaßt werden. Wird die Polarität des angelegten Magnetfeldes geändert (Rückstellmagnet), so kehrt das Kernfeld in die ursprüngliche Richtung zurück, sobald die Stärke des angelegten Feldes den Schwellwert für die Rückstellung erreicht hat

Drehimpulsgeber mit Wiegand-Moduln bestehen prinzipiell aus nachstehenden Komponenten: Einem Wiegand-Draht von z. B. 3 cm Länge, einer Spule, die entweder um den Draht gewickelt ist oder in der Nähe des Drahtes angeordnet ist, und je einem Setz- und Rückstell-Magneten (Dauer- oder Elektromagnete). Spannungsimpulse werden in der Spule erzeugt, indem der Draht nacheinander durch die Magnetfelder bewegt wird oder indem mit Hilfe eines bewegten Abschirmbleches eine Magnetfeldänderung herbeigeführt wird. Die optimale induktive Kopplung von Draht und Spule wird erreicht, wenn die Spule um den Wiegand-Draht gewikk*:lt wird; eine solche Anordnung wird Wiegand-Modul genannt.

Aus Machine Design, April 26, 1979, Seite 157, Bild unten, ist eine Anordnung für Drehimpulsgeber bekannt, die auch in Elektronik 1980, Heft 7, Seite 43 bis 50, auf Seite 47 beschrieben und dort besonders für genaue Positionsmessungen vorgeschlagen wird. Dabei werden in einer feststehenden Einrichtung zwei gegensätzlich gepolte Magnete in einem bestimmten Abstand übereinander angeordnet. Die beiden Magnete erzeugen Magnetfelder von sehr unterschiedlicher Feldstärke. Der Setzmagnet ist der stärkere Magnet In dem Zwischenraum, und zwar in der Nähe des Rückstellmagneten, ist ein Wiegand-Modul so angeordnet, daß die Richtung der Feldlinien mit der Längsachse des Wiegand-Drahtes übereinstimmt. Zwischen dem Setzma-

gneten und der Spule verbleibt ein Zwischenraum, durch den die Zähne eines ferromagnetische!! Rades als Abschirmbleche hindurchgeführt werden. Die Impulserzeugung bei der Drehbewegung des gezahnten Rades erfolgt durch folgenden Ablauf: Wenn kein Abschirmblech, also eine Zahnlücke vorhanden ist, dominiert das Feld des Setzmagneten, der den weichmagnetischen Kern im Wiegand-Draht in die gleiche Richtung wie den Mantel des Wiegand-Drahts magnetisiert. Sobald sich das Rad weiter-it^eht und dadurch der Setzmagnet abgeschirmt wird, bestimmt der Rücksetzmagnet die Feldrichtung. Die dadurch geänderte Richtung des äußeren Feldes am Wiegand-Modul bewirkt eine sprunghafte Änderung der Magnetisierungsrichtung des Drahtkerns, wodurch in der Spule ein Spannungsimpuls erzeugt wird.

Durch relativ langsam verlaufende Umorientierungsvorgänge im Wiegand-Draht ist die mit der beschriebenen Anordnung erreichbare Impulsfolgefrequenz auf etwa 10 kHz begrenzt. Eine Begrenzung tritt durch die Veränderung der Impulsform bei höheren Frequenzen ein und durch die Änderung des Schaitones der durch die bei hohen Frequenzen zur Ummagnetisiti ung notwendigen höheren Feldstärken verursacht wird. Diese Schwierigkeiten lassen sich mit den bekannten Wiegand-ModuIn nicht beheben, auch nicht mit dem aus Machine Design, April 26, 1979, Seite 158 bekannten Aufbau des Wiegand-Moduls, bei dem mehrere Wiegand-Drähte mit einer gemeinsamen Spule umwickelt werden. Damit läßt sich nur die Höhe des Spannungsimpulses steigern, nicht aber die durch die Ummagnetisierungsvorgänge begrenzte Impulsfolgefrequenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten und oben beschriebenen Drehimpulsgeber so zu verbessern, daß seine obere Impulsfolgefrequenz wesentlich, etwa um den Faktor 10 erweitert wird. Außerdem so!! die impulsform möglichst unabhängig von der Drehzahl und von elektromagnetischen Störfeldern sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung zur Impulserzeugung für eine Drehzahl- und Positionsmessung hoher Auflösung an rotierenden Teilen von Maschinen durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzielten Vorteile bestehen unter anderem darin, daß durch die Anordnung mehrerer Wiegand-EIemente nebeneinander im Modul und durch die so breite Ausgestaltung der Abschirmzähne, daß jeweils mehrere Elemente abgedeckt werden, die für die Ummagnetisierungsvorgänge notwendige Zeit nicht mehr maßgeblich ist für die obere Impulsfolgefrequenz und damit für die mögliche Auflösung des Drehwinkels bzw. der Drehzahl. Die Impulsfolgefrequen/ läßt sich gegenüber bisher etwa 10 kHz auf etwa 100 kHz steigern. Sie ist nur noch durch die Dauer des Einzelimpulses nach oben begrenzt. Am Ausgang des Moduls erscheint eine durch die Elementeanordnung bedingte Impulsfolge. Die maximale Auflösung wird erreicht, und eine Unterbrechung der Impulsfolge beim Übergang von einem Sektor — der aus Zahn und Lücke besteht — zum nächsten Sektor wird vermieden, wenn der Wiegand-Modul den ganzen Sektor abdeckt. Ein äußeres elektromagnetisches Störfeld kann die Funktion nicht beeinträchtigen, solange die Feldstärken am Wiegand-Element zur Magnetisierung in beiden Richtungen noch ausreichen.

Das Laufrad kann vorteilhaft topfförmig ausgebildet werden, so daß die zweckmäßigerweise rechteckförmigen Zähne am Rand in axiale Richtung weisen. Damit ist eine optimale Anpassung an den zweckmäßig durch parallele, nebeneinander liegende Anordnung der Wiogand-EIemente gebildeten Modul möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Anordnung von Laufrad und Impulsgeber, Fig.2 Aufbau des Wiegand-Moduls mit Einzelelementen,

F i g. 3 Schnittbild von Laufrad und Impulsgeber. Wie F i g. 1 und 3 zeigen, sind das Laufrad 1 und der Impulsgeber 2 so zueinander angeordnet, daß bei der Drehbewegung des Laufrades 1 die Zähne 6.1, 6.2 zeitweise eine magnetische Abschirmung zwischen dem Setzmagneten 4.1 und dem Wiegand-Modul 5 herbeiführen. Der Modul 5 befindet sich in der Nähe des Rücksetzmagneten 4.2 und deckt den Sektor S mit dem Winkel α ab, der durch je einen Zahn 6.1,6.2 und eine Lücke gebildet wird. Die Magnete 4.1,4.2 und der Modul 5 sind in der Halterung 3 des Impulsgebers,-' ungeordnet.

In F i g. 2 ist der erfindungsgemäße Arfbau des Wiegand-Moduls dargestellt: mehrere Wiegand-EIemente 7 (dargestellt sind zwei), bestehend aus je einer Spule 8 mit einem Wiegand-Draht 9 ais Kern, sind parallelgeschaltet 'Serienschaltung ist ebenfalls möglich).

Zur Beschreibung der Funktion der Anordnung wird ein Element 7 des Wiegand-Moduls 5 betrachtet, das gerade noch nicht durch einen Zahn 6.1 abgeschirmt wird. Bei dieser Stellung des Laufrades 1 dominiert das Feld des Setzmagneten 4.1: der weichmagnetische Kern im Wiegand-Draht 9 wird entsprechend magnetisiert. Wenn nun beim Weiterdrehen des Laufrades 1 der Setzmagnet 4.1 durch den Zahn 6.1 abgeschirmt wird, überwiegt das Feld des Rücksetzmagneten 4.2. Sobald der notwendige Schwellwert des Feldes überschritten ist und innere Vorgänge im Wiegand-Draht 3 abgeschlossen sind, ändert der Kern des Wiegand-Drahts 9 sprungartig seine Magnetisierungsrichtung, wodurch i.i der Spule 8 ein Spannungsimpuls erzeugt wird. Verläßt der Zahn 6.1 den Bereich des gerade betrachteten Elementes / wieder, so wird das Element 7 erneut durch den Setzmagneten 4.1 ummagnetisiert, wobei nicht nur der notwendige Schwellwert des Feldes erreich» sondern auch Ummagnetisierungsvorgänge im Wiegand-Draht 9 abgeschlossen sind, ehe der nächste Zahn 6.2 das Feld des Setzmagneten 4.1 abschirmt.

Die Ummagnetisierungsvorgänge im Wiegand-Draht erfordern also eine gewisse Breite der Zähne und Lükken, wenn der Drehimpulsgeber für hohe Drehzahlen geeignet sein soll. Wäre nur ein Element im Wiegand-Modul vorhanden, würden größere Pausen zwischen den abgegebenen Impulsen auftreten. Diese Pausen werde , durch die Anordnung mehrerer Elemente verkleinert oder vermieden, wodurch die Auflösung gesteigert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Impulserzeugung für eine Drehzahl- und Positionsmessung hoher Auflösung an rotierenden Teilen von Maschinen, bestehend aus

a) einem ferromagnetischen, gezahnten Laufrad (1) und

b) einem feststehenden Impulsgeber (2), der in einer Halterung (3)

— einen Setzmagneten (4.1) und einen Rücksetzmagneten (4.2), sowie

— einen Wiegand-Modul (5) enthält,

die so angeordnet sind, daß zwischen dem Setzmagneten (4.1) und dem Wiegand-Modul (5) eine Aussparung entsteht, durch die die Zähne (6.1, 6.2) des Laufrades (1) geführt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß

c) der Wiegand-Modul (5) aus mehreren, in der Drehritiäung des Laufrades (1) nebeneinander ■angeordneten Elementen (7) besieht, die jeweils aus

— einer Spule (8) mit

— einem Wiegand-Draht (9) als Kern aufgebaut und

— elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sind, wobei

— die Anzahl (Z) der benötigten Elemente (7) sich nach der Formel Z=A ■ λ/360 berechnen läßt, worin bedeuten.

A = gewünschte Auflösung in Impulsen pro Umdrehung des I-aufrades (1)

<x = Winkel im Sektor (φ, der durch je einen

Zahn (6.1, b.2>und eine Lücke gleicher Breite am Laufrad \\) gebildet wird,

— der Sektor (S) bestimmt wird aus den Ummagnetisierungszeiten, die durch die Eigenschaften des Wiegand-Elementes (7) vorgegeben sind, und der maximalen Drehzahl des Laufrades(l),

— die Grenze der Auflösung (A) durch die Breite des vom Wiegand-Element (7) abgegebenen Impulses bestimmt wird.