DE3834994A1 - Einrichtung zur erfassung der drehzahl einer welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl einer Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus "Elektronisches Messen mechanischer Größen", Albert Haug, 1969, Carl Hanser Verlag München, Seite 187 bis 188 als bekannt hervorgeht.

Bei einer Einrichtung nach der eingangs erwähnten Literaturstelle dient ein mit einer Welle mitrotierender Permanentmagnet zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfeldes im Bereich einer Induktionsspule. Aufgrund des sich ändernden magnetischen Flusses wird in der Induktionsspule eine periodische Folge von Spannungsimpulsen induziert, aus denen sich mittels einer geeigneten Auswerteschaltung die Drehzahl der Welle ableiten läßt. Bei ausreichendem Bauraum wird die Induktionsspule in unmittelbarer Nähe des Permanentmagneten angeordnet, da dann die induzierten Spannungsimpulse am stärksten sind. Wegen der ständig vorhandenen magnetischen Störfelder und der daraus in der Induktionsspule resultierenden Induktionsströme ist der Meßbereich der Einrichtung aber eingeschränkt. Bei niedrigen Drehzahlen kommt der Pegel der aus den magnetischen Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse in den Bereich des Pegels der durch den rotierenden Permanentmagneten induzierten Spannungsimpulse, so daß die Erfassung sehr niedriger Drehzahlen nicht mehr möglich ist. Noch schwächer wird das Nutzsignal, wenn die Induktionsspule in größerem Abstand zum Permanentmagneten liegt. Eine meßstellenferne Anordnung muß jedoch häufig gewählt werden, wenn der Bauraum unmittelbar an der Welle beschränkt ist, oder größere Einbauten dort aus sonstigen Gründen nachteilig sind.

Bei einem Abgasturbolader nach dem JP-Abstract 56-8 552 würde sich der Einbau der Induktionsspule im Strömungsraum des Verdichters in unmittelbarer Nähe der Verdichterwelle in ungünstiger Weise auf die Strömungsausbildung auswirken. Der Anbau der Induktionsspule außerhalb des Strömungsgehäuses im Abstand zur Verdichterwelle, auf der der Permanentmagnet befestigt ist, schränkt jedoch den Meßbereich für niedrige Drehzahlen ein.

Aus der FR-PS 14 21 256 ist eine Einrichtung zur Messung der Verschiebung einer Zahnstange bekannt. Die Lücken zwischen den Zähnen und die Zahnbreiten sind dabei jeweils gleich groß. Da die Kernstücke zweier Induktionsspulen in einem der Zahnbreite entsprechenden Abstand oder einem Vielfachen davon zueinander angeordnet sind, erfolgen bei einer Verschiebung der Zahnstangen gegensätzliche, jedoch betragsmäßig gleich große Flußänderungen in den Induktionsspulen. Die Induktionsspulen sind derart in Serie geschaltet, daß die induzierten Spannungen addiert werden und damit die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung verdoppelt wird. Magnetische Störfelder oder Vibrationen der Zahnstange, die gleichgerichtete Flußänderungen in den Induktionsspulen bewirken, werden kompensiert.

Aus einem Artikel "Elektronische Drehzahlmessung" von Bruno Braun, in der DE-Z "Messen und Prüfen", September 1970, Seite 738, wird darauf hingewiesen, daß ein Wechselspannungsgenerator als Impulsquelle für die elektronische Drehzahlmessung eingesetzt werden kann.

Aus "Wie funktioniert das?" Meyers erklärte Technik, Band I, herausgegeben von der Fachredaktion Technik des Bibliographischen Instituts, Mannheim/Zürich, 1963, Seite 94 bis 95, ist ein Wechselstromgenerator dargestellt, wie er jedoch nicht zur Drehzahlmessung vorgeschlagen wird. In einer feststehenden, gegensinnig gewickelten Ankerwicklung wird durch einen rotierenden Permanentmagneten mit mehreren Polen eine Wechselspannung induziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung von Drehzahlen aufzuzeigen, die unempfindlich gegen magnetische Störfelder ist, und deshalb starke störsignalfreie Meßsignale liefert, so daß der Meßbereich der Einrichtung sich insbesondere auch auf niedrigste Drehzahlen erstreckt, oder eine meßstellenferne Anordnung der magnetischen Aufnehmer ermöglicht wird, ohne daß der Meßbereich empfindlich dadurch eingeschränkt würde.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Bei Verwendung eines Permanentmagneten mit diametral angeordneten Polen gleicher Polarität ergeben sich gleichgerichtete Spannungsimpulse und damit eine Verdopplung des Meßsignals in zwei radial zur Welle gerichteten Induktionsspulen, wenn diese in Reihe geschaltet sind und der Umlaufsinn der Windungen der hintereinandergeschalteten Induktionsspulen unterschiedlich ist, da der vom Magnetfeld des Permanentmagneten herrührende Fluß in den Induktionsspulen zwar betragsmäßig gleich ist, aber unterschiedliches Vorzeichen besitzt. Spannungsimpulse aufgrund von Störfeldern werden bei dieser Spulenschaltung kompensiert, da ein magnetisches Störfeld beide Induktionsspulen in gleicher Richtung durchsetzt.

Zur Kompensation der von Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse bei einer Meßanordnung mit nur einer Induktionsspule mit radialer Erstreckungsrichtung eignet sich eine Schaltung mit einer weiteren Induktionsspule, die mit gleicher Erstreckungsrichtung wie die erste Induktionsspule angeordnet ist, jedoch tangential zur Drehrichtung der Welle. Bei Hintereinanderschaltung der Induktionsspulen mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen werden die in den beiden Induktionsspulen aufgrund von Störfeldern induzierten Spannungsimpulse subtrahiert. In einer weiteren Ausgestaltung nach einem Unteranspruch wird die Empfindlichkeit der Meßanordnung verdoppelt, wenn jeweils zwei Spulenpaare verwendet werden. Bei Verwendung eines Permanentmagneten mit diametral angeordneten Polen unterschiedlicher Polarität werden in zwei sich radial erstreckenden Induktionsspulen erzeugte Spannungsimpulse addiert, wenn sie mit gleichem Umlaufsinn der Windungen hintereinander geschaltet sind. Da dann jedoch auch von externen Störfeldern hervorgerufene Spannungsimpulse addiert werden, ist zu deren Kompensation mit dem ersten Paar von Induktionsspulen ein weiteres Paar Induktionsspulen mit gegenüber dem ersten Paar unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen in Reihe geschaltet. Das zweite Paar ist ebenso wie das erste Paar ausgerichtet, liegt jedoch tangential zur Drehrichtung der Welle, so daß im zweiten Spulenpaar im wesentlichen nur Spannungsimpulse durch Störfelder erzeugt werden. Da mit den Meßeinrichtungen störspannungsfreie Meßsignale erhalten werden, erstreckt sich deren Meßbereich auch auf niedrigste Drehzahlen, wobei auch eine meßstellenferne Lage der magnetischen Aufnehmer keine empfindliche Einschränkung hinsichtlich des Meßbereichs bringt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Meßanordnung mit einem Permanentmagneten mit diametral angeordneten Polen gleicher Polarität;

Fig. 2 eine Prinzipskizze der Meßanordnung mit einem Permanentmagneten mit diametral angeordneten Polen unterschiedlicher Polarität und zwei Paaren von Induktionsspulen, von denen ein Spulenpaar zur Kompensation von Störimpulsen dient;

Fig. 3 die Meßanordnung nach Fig. 1 in Anwendung auf einen Abgasturbolader.

In der in Fig. 1 in einer Prinzipskizze dargestellten Meßanordnung ist ein als Magnetscheibe ausgebildeter Permanentmagnet 1 mit vier magnetischen Polen der Welle zugeordnet, deren Drehzahl gemessen werden soll. Gleichartige Pole liegen einander dabei jeweils diametral gegenüber. Ebenfalls diametral angeordnet sind zwei Induktionsspulen 3, 4, die auf gleichem Abstand zum rotierenden Permanentmagneten 1 liegen. Die beiden Induktionsspulen 3, 4 sind mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen in Reihe geschaltet, und besitzen dasselbe Produkt aus Windungszahl und Querschnittsfläche jeder Drahtwindung. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Induktionsspulen 3, 4 gleich- oder gegensinnig gewickelt sind. Die Induktionsspulen 3, 4 sind mit einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung 5 verbunden, die aus den Spannungsimpulsen eine entsprechende Drehzahl ermittelt. Der in den Induktionsspulen 3, 4 aufgrund des vom Permanentmagneten 1 erzeugten Magnetfelds auftretende magnetische Fluß besitzt jeweils gleichen Betrag aber unterschiedliches Vorzeichen. Durch den unterschiedlichen Umlaufsinn der Windungen induzieren Magnetflußänderungen, welche in beiden Induktionsspulen 3, 4 in diametral entgegengesetzten Richtungen erfolgen, Spannungsimpulse, die sich addieren. Magnetflußänderungen, die von einem magnetischen Störfeld herühren, sind aber in beiden Induktionsspulen betrags- und vorzeichenmäßig gleichgerichtet, weshalb sich die dadurch induzierten Spannungen subtrahieren. Auf diese Weise ergibt sich eine Meßeinrichtung, bei der sich die Nutzsignale addieren und die Störsignale externer Störfelder kompensiert werden. Da auf diese Weise starke, von Störimpulsen nicht überlagerte Meßsignale erhalten werden, können auch niedrige Drehzahlen der Welle erfaßt werden, auch wenn die Induktionsspulen auf Abstand zum Permanentmagneten 1 liegen. Anstelle eines Permanentmagneten 1 mit vier Polen kann auch ein Permanentmagnet beispielsweise mit acht Polen verwendet werden. Es können dann vier Induktionsspulen verwendet werden, die zur Verstärkung des Meßsignals hintereinandergeschaltet sind. Um induzierte Spannungsimpulse aus Störfeldern zu kompensieren, sind dann die Induktionsspulen wieder mit entsprechendem Umlaufsinn der Windungen hintereinandergeschaltet, besitzen das gleiche Produkt aus Windungszahl und Querschnittsfläche der Drahtwindungen, liegen auf gleichem Abstand zum Permanentmagneten, und sind paarweise diametral angeordnet.

Bei der Meßanordnung nach Fig. 2 weist der Permanentmagnet 1 zwei diametral gegenüberliegende Pole unterschiedlicher Polarität auf. Der in den radial ausgerichteten Induktionsspulen 3, 4 auftretende magnetische Fluß ist betragsmäßig jeweils gleich und besitzt auch gleiches Vorzeichen. Bei gleichem Umlaufsinn der Windungen der beiden Induktionsspulen 3, 4 werden die induzierten Spannungsimpulse addiert und damit die Empfindlichkeit der Meßanordnung verdoppelt. Die von externen Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse werden bei derart geschalteten Induktionsspulen jedoch ebenfalls addiert und somit dem Meßsignal überlagert. Zur Kompensation der Spannungsimpulse aus externen Störfeldern ist zu dem ersten Paar von Induktionsspulen 3, 4 ein weiteres, zweites Paar von Induktionsspulen 12, 13 in Reihe geschaltet, jedoch mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen gegenüber dem ersten Paar. Das zweite Paar von Induktionsspulen 12, 13 ist hinsichtlich des Spulenaufbaus identisch zum ersten Paar ausgebildet. Auch die Erstreckungsrichtung der Induktionsspulen (3, 4, 12, 13) ist gleich. Da auch die Nutzsignale sich aufheben würden, wenn das zweite Spulenpaar ebenso wie das erste radial ausgerichtet wäre, ist das zweite Spulenpaar tangential zur Drehrichtung der Welle angeordnet. Es wird erreicht, daß die von Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse des ersten und zweiten Paares subtrahiert werden. Eine Kompensation der Störspannungen, jedoch ohne Verdoppelung des Nutzsignals wird auch erreicht, wenn nur zwei Induktionsspulen, beispielsweise die Induktionsspulen 3 und 12 mit unterschiedlichem Umlaufsinn in Reihe geschaltet werden, wobei die Erstreckungsrichtungen gleich sind, jedoch die eine Induktionsspule 3 radial und die andere Induktionsspule 12 tangential zur Welle liegt.

Fig. 3 zeigt eine Anwendung der Meßanordnung an einem Verdichter eines Abgasturboladers. Es ist ein Längsschnitt durch den Verdichter dargestellt. Auf der Laufradwelle 6 ist der Permanentmagnet 1 befestigt. Auf dem Einströmstutzen 7 des Verdichtergehäuses ist ein Ring 8 aufgeschoben, der Aussparungen für die Aufnahme der Induktionsspulen 3, 4 enthält. Im Bereich einer Induktionsspule ist eine Gerätedose 9 zur Aufnahme einer nicht weiter dargestellten Auswerteeinrichtung 5 angeordnet. Bei einer solchen Anordnung bleibt der Strömungsraum 10 des Verdichters frei von sperrigen Einbauten, die die Strömung stören würden.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl einer Welle, mit einem mit der Welle mitrotierenden radial magnetisierten Permanentmagneten, und einer im Magnetfeld des Permanentmagneten angeordneten Induktionsspule mit radialer Erstreckungsrichtung, in der infolge der Änderungen des magnetischen Flusses bei Rotation des Permanentmagneten Spannungsimpulse induziert werden, die zur Ermittlung der Drehzahl der Welle einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) mit wenigstens zwei Polen gleicher Polarität ausgebildet ist und die Pole gleicher Polarität jeweils symmetrisch zur Wellenachse und diametral zueinander liegend angeordnet sind, und wenigstens eine weitere Induktionsspule (3 oder 4) mit radialer Erstreckungsrichtung vorgesehen ist, und die Induktionsspulen (3 und 4) mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen in Reihe geschaltet sind, wobei die Induktionsspulen (3 und 4) jeweils das gleiche Produkt aus Windungszahl und Querschnittsfläche jeder Drahtwindung aufweisen und derart angeordnet sind, daß sie in periodischem Wechsel jeweils gleichzeitig zwei verschiedenen Polen gleicher Polarität im gleichen Abstand gegenüberliegen.

2. Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (3 oder 4) mit einer weiteren Induktionsspule (12 oder 13) mit gleicher Windungszahl mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen in Reihe geschaltet ist, wobei die Induktionsspule (12 oder 13) mit gleicher Erstreckungsrichtung wie die Induktionsspule (3 oder 4) angeordnet ist, jedoch tangential zur Drehrichtung der Welle.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) mit wenigstens zwei Polen unterschiedlicher Polarität ausgebildet ist, und die Pole unterschiedlicher Polarität jeweils symmetrisch zur Wellenachse und diametral zueinander liegend angeordnet sind, und zwei weitere Induktionsspulen vorgesehen sind, und die Induktionsspulen (3, 4 und 12, 13) einander jeweils paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Induktionsspulen (3, 4, 12, 13) jeweils das gleiche Produkt von Windungszahl und Querschnittsfläche jeder Drahtwindung aufweisen, und die Induktionsspulen (3, 4) des ersten Paares, die mit gleichem Umlaufsinn hintereinander geschaltet sind, radial ausgerichtet sind, und symmetrisch zur Wellenachse liegen, und die Induktionsspulen (12, 13) des zweiten Paares, die ebenfalls mit gleichem Umlaufsinn hintereinander geschaltet sind, mit gleicher Erstreckungsrichtung wie die Induktionsspulen (3, 4) des ersten Paares angeordnet sind, jedoch tangential zur Drehrichtung der Welle, und die Induktionsspulen (3, 4) des ersten Paares jeweils mit unterschiedlichem Windungssinn zu den Induktionsspulen (12, 13) des zweiten Paares in Reihe geschaltet sind.