DE4123128A1 - Wirbelstrom-drehzahlsensor - Google Patents
Wirbelstrom-drehzahlsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Drehzahlmesser mit Ausnutzung
des Wirbelstromeffektes.
In DE-A-16 73 439 ist ein Drehzahlmesser mit Ausnutzung des
Wirbelstromeffektes mit folgenden Merkmalen beschrieben:
- - einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung mit Luftspalt;
- - einem Rotor, der den Luftspalt durchläuft;
- - einer Magnetfeld-Meßeinrichtung, die die Stärke des Mag netfeldes an den Stellen mißt, an denen der Rotor aus dem Magnetfeld austritt bzw. in es eintritt;
- - und eine Meßschaltung, die aus den Meßwerten ein Signal bildet das die Drehzahl des Rotors anzeigt.
Die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung bei diesem Drehzahlmes
ser besteht aus einem Magnetkern und zwei Permanentmagneten,
die zwischen sich den genannten Luftspalt einschließen. Die
Magnetfeld-Meßeinrichtung verfügt über mindestens einen mag
netischen Sensor, der nach einem beliebigen Verfahren magne
tische Felder mißt. Vorzugsweise sind zwei oder vier Senso
ren vorhanden, die so zusammengeschaltet sind, daß der Dif
ferenzsensor eine Halb- oder Vollbrücke bildet. Sind zwei
Sensoren vorhanden, ist jeweils einer nahe den beiden Enden
des Luftspaltes, gesehen in Umfangsrichtung des Rotors, an
geordnet. Bei stehendem Rotor wird die Brücke mit Hilfe
eines Nullabgleichs so abgeglichen, daß das Ausgangssignal,
das die Drehzahl anzeigt, Null ist.
Drehzahlmesser mit Ausnutzung des Wirbelstromeffektes haben
den Vorteil, daß sie dazu in der Lage sind, bereits sehr
kleine Drehzahlen zuverlässig ermitteln zu können. Damit
eignen sie sich insbesondere für die Anwendung bei Servo
antrieben jeder Art, sei es in Verstellgliedern von Werk
zeugmaschinen oder z. B. in Fahrzeuglenkungen.
Zum Messen sehr kleiner Drehzahlen werden bisher typischer
weise besonders ausgestaltete Tachos verwendet. Diese sind
jedoch in der Regel sehr filigran auszuführen und sorgfältig
herzustellen, damit sie zuverlässig arbeiten. Zum Ausgleich
thermischer Längenveränderungen der Wellen muß der Tacho in
der Regel mit dem Servomotor über eine Faltenbalgkupplung
verbunden werden. Dies gilt insbesondere in der Fahrzeug
technik, da dort relativ große Temperaturunterschiede be
rücksichtigt werden müssen.
Die erheblichen thermischen Schwankungen, denen Servoantrie
be häufig unterliegen, wie z. B. in der bereits genannten
Fahrzeugtechnik, haben auch zur Folge, daß ein Wirbelstrom-
Drehzahlmesser der eingangs genannten Art nicht realisier
bar ist, da der Luftspalt sehr groß gewählt werden müßte, um
im gesamten Bereich der axialen Toleranz sicherzustellen,
daß der Rotor nicht an den Begrenzungen des Luftspalts hän
genbleibt. Wird der Luftspalt jedoch groß gemacht, steigt
der Einfluß von Störungen auf das Magnetfeld, das zur Mes
sung dient. Außerdem nimmt die Feldstärke ab, was die Em
pfindlichkeit verringert.
Es bestand demgemäß der Wunsch, einen Drehzahlmesser mit
Ausnutzung des Wirbelstromeffektes so auszubilden, daß er in
einem relativ großen Temperaturbereich zuverlässige, Messun
gen liefert.
Der erfindungsgemäße Drehzahlmesser weist die Merkmale des
oben genannten Drehzahlmessers auf, wobei jedoch der Rotor
topfförmig ausgebildet ist, d. h. mit einem sich in axialer
Richtung erstreckenden umlaufenden Steg, und er derartig
relativ zur Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung angeordnet und
sein Steg so hoch ausgebildet ist, daß letzterer innerhalb
der vorgegebenen axialen Toleranz dauernd das Feld im Luft
spalt im wesentlichen ganz durchsetzt.
Dadurch, daß die Messung nun mit Hilfe eines sich in axialer
Richtung erstreckenden Stegs am Rotor vorgenommen wird, wird
der Steg bei allen axialen Stellungen des Rotors vom Luft
spaltfeld des Magneten dauernd im wesentlichen ganz durch
setzt. Es ist so gewährleistet, dar die Messung von der
axialen Stellung des Rotors, die maßgeblich von der jeweili
gen Temperatur abhängt, fast gänzlich unabhängig ist.
Da die meisten Arten von Magnetfeldsensoren einen Tempera
turgang aufweisen, ist es von Vorteil, wenn die Meßschaltung
des Drehzahlmessers eine Temperaturkompensation zum Ausglei
chen eines solchen Temperaturganges aufweist.
Durch den zusätzlichen Steg am Rotor des erfindungsgemäßen
Drehzahlmessers nimmt das Trägheitsmoment des Rotors zu. Um
dieses dennoch auf kleinen Absolutwerten zu halten, ist es
von Vorteil, den Rotor als Kunststoffteil auszubilden, bei
dem mindestens eine Umfangswand des Stegs metallbeschichtet
ist.
Hohe Meßempfindlichkeit beim Abtasten des Stegs läßt sich
erzielen, wenn die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung über
einen Magnetkern verfügt, dessen Begrenzungen radial verlau
fen und/oder der, gesehen in Richtung der Rotorachse, zu
beiden Seiten des Stegs U-förmig ausgebildet ist, mit auf
den Steg zuweisenden Schenkeln.
Fig. 1 Teil-Längsschnitt durch einen Rotor, eine Magnet
feld-Erzeugungseinrichtung und eine Magnetfeld-Meßeinrich
tung eines Drehzahlmessers, entlang der Linie I-I von Fig. 2,
sowie Blockdarstellung einer Meßschaltung;
Fig. 2 Teil-Querschnitt durch den Rotor, die Magnetfeld-Er
zeugungseinrichtung und die Magnetfeld-Meßeinrichtung gemäß
Fig. 1, entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 Blockschaltbild einer Meßschaltung zum Bestimmen der
Drehzahl des Rotors im Drehzahlmesser gemäß Fig. 1; und
Fig. 4 detaillierte Darstellung einer Meßschaltung ähnlich
der prinzipiellen Schaltung von Fig. 3.
Der Drehzahlmesser gemäß den Fig. 1 und 2 verfügt über einen
Rotor 10 mit Rotorscheibe 10.1 und Rotorsteg 10.2, eine Mag
netfeld-Erzeugungseinrichtung 11 mit einem Magnetkern 11.1
und vier Permanentmagneten 11.2, eine Magnetfeld-Meßein
richtung mit zwei Feldplatten als Sensoren 12a und 12b sowie
eine Meßeinrichtung 13.
Aus der Draufsicht von Fig. 2 ist erkennbar, daß der Magnet
kern 11.1 gesehen in Richtung der Achse 14 des Rotors 10 ra
diale Begrenzungen aufweist und daß er zu beiden Seiten des
Stegs 10.2 U-förmig ausgebildet ist, mit auf den Steg zuwei
senden Schenkeln. In jedem der vier Schenkel ist jeweils
einer der vier Permanentmagneten 11.2 untergebracht. Diese
sind dabei in ihrer Polarität so angeordnet, dar in den bei
den äußeren Schenkeln die Nordpole auf den Steg 10.2 zuwei
sen, während in den beiden inneren Schenke in die Südpole zum
Steg hin gerichtet sind. Die Polarität der Magneten kann
auch umgekehrt gewählt werden. Eingebettet in die Enden der
beiden äußeren Schenkel ist jeweils einer der beiden Senso
ren 12a bzw. 12b. Diese könnten jedoch auch auf die Enden
der Schenkel aufgesetzt sein.
Der Rotor 10 besteht aus Kunststoff, mit einer Metallbe
schichtung 10.3 auf der Außenseite des Stegs 10.2. Eine sol
che Beschichtung kann aber auch auf der Innenseite oder bei
den Seiten angebracht sein. In dieser Metallbeschichtung
werden dann, wenn sich der Steg 10.2 durch den Luftspalt
11.3 des Magnetkerns 11 hindurchbewegt, wenn sich also der
Rotor 10 dreht, Wirbelströme induziert. Das von den Wirbel
strömen erzeugte Magnetfeld ist dort, wo die Metallbeschich
tung 10.3 aus dem Luftspalt 11.3 austritt, so gerichtet, daß
das Feld im Luftspalt verstärkt wird, während es an der
Eintrittsseite so gerichtet ist, daß das Feld im Luftspalt
geschwächt wird. Anders gesagt, entsteht an der Austritts
seite eine Polung, die versucht, die sich aus dem Luftspalt
herausbewegende Metallbeschichtung zurückzuhalten, während
an der Eintrittsseite die Polung so gerichtet ist, daß sie
versucht, das Eindringen der Beschichtung in den Luftspalt
zu hindern. Je schneller sich der Rotor 10 dreht, je schnel
ler sich also die Metallbeschichtung 10.3 durch den Luft
spalt 11.3 hindurchbewegt, desto unterschiedlicher werden
die Magnetfelder, die die beiden Sensoren 12a und 12b mes
sen.
Wie aus Fig. 1 erkennbar, ragt der Steg 10.2 mit der Metall
beschichtung 10.3 ein ganzes Stück durch den Luftspalt 11.3
hindurch. Dieses überragen ist so bemessen, daß selbst dann,
wenn sich der Rotor 10 im Rahmen axialen Spiels z. B. durch
thermische Ausdehnung nach oben bewegt (gemäß der Darstel
lung von Fig. 1), die magnetischen Verhältnisse im Luftspalt
11.3 im wesentlichen unverändert bleiben, weil der Steg mit
seiner Metallbeschichtung auch dann noch den Magnetspalt im
wesentlichen ganz durchsetzt.
Die in Fig. 1 nur als einzelner Block dargestellte Meßschal
tung 13 ist in Fig. 3 als prinzipielles Blockschaltbild und
in Fig. 4 als detailliertes Schaltbild mit einigen Änderun
gen gegenüber dem vereinfachenden Blockschaltbild von Fig. 3
dargestellt. Gemäß diesen Schaltbildern werden die Sensoren
12a und 12b von einer Konstantstromquelle 15 mit Konstant
strom versorgt. Jeder der Sensoren 12a und 12b ist an einen
Differenzverstärker 16a bzw. 16b über eine jeweilige Kompen
sationsschaltung 17a bzw. 17b zur Offsetkorrektur und Ther
mokompensation angeschlossen. In einem Endverstärker 18 wird
die Differenz der Signale 16a und 16b gebildet und als Sig
nal ausgegeben, die die Drehzahl w des Rotors 10 anzeigt. Um
bei stehendem Rotor für ein Ausgangssignal vom Wert Null zu
sorgen, ist noch ein Nullabgleich 19 vorhanden. Zum Aufbau
der Schaltungsabschnitte 15 bis 19 wird auf Fig. 4 verwie
sen. Angemerkt sei hier lediglich, daß die Offsetkorrektur
mit Hilfe von Potentiometern P1a bzw. P1b in der jeweiligen
Kompensationsschaltung 17a bzw. 17b und der Nullabgleich mit
Hilfe eines Potentiometers P2 in der Nullabgleichsschaltung
19 erfolgt. Zur Thermokompensation ist in den Kompensations
schaltungen 17a und 17b jeweils ein temperaturabhängiger
Widerstand NTCa bzw. NTCb vorhanden. Diese Widerstände sind
so ausgewählt, daß sie einen Temperaturgang aufweisen, der
im wesentlichen demjenigen der Sensoren 12a und 12b ent
spricht. Zumindest diese temperaturabhängigen Widerstände
werden so angebracht, daß sie dauernd im wesentlichen die
selbe Temperatur aufweisen wie die Sensoren 12a und 12b. Es
kann jedoch die gesamte Meßschaltung 13 in gutem Wärmekon
takt mit dem Magnetkern 11 und damit mit den Sensoren ange
ordnet sein.
Bei Verwendung eines Rotors 10 mit einem Stegdurchmesser von
5 cm und einer Feldstärke von 270 mT wurde bei Verwendung
von Feldplatten als Sensoren eine Empfindlichkeit von
33 µV/(U/min) gemessen, während unter Verwendung von Hall
sensoren die Empfindlichkeit 17 µV/(U/min) betrug.
Claims (6)
1. Drehzahlmesser mit Ausnutzung des Wirbelstromeffektes,
mit:
- - einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (11) mit Luftspalt (11.3);
- - einem Rotor (10), der den Luftspalt durchläuft;
- - einer Magnetfeld-Meßeinrichtung (12a, 12b), die die Stärke des Magnetfeldes an den Stellen mißt, an denen der Rotor aus dem Luftspalt austritt bzw. in ihn eintritt;
- - und einer Meßschaltung (13), die aus den Meßwerten ein Signal bildet, das die Drehzahl des Rotors anzeigt;
dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) topfförmig ausge
bildet ist, d. h. mit einem sich in axialer Richtung er
streckenden, umlaufenden Steg (10.2), und der derartig rela
tiv zur Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (11) angeordnet und
sein Steg so hoch ausgebildet ist, daß letzterer innerhalb
der vorgegebenen axialen Toleranz dauernd das Feld im Luft
spalt (11.3) im wesentlichen ganz durchsetzt.
2. Drehzahlmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (11) über einen
Magnetkern (11.1) mit, gesehen in Richtung der Rotorachse
(14), radial verlaufenden Begrenzungen aufweist.
3. Drehzahlmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (11.1), gesehen in
Richtung der Rotorachse (14), zu beiden Seiten des Stegs
(10.2) U-förmig ausgebildet ist, mit auf den Steg zuweisen
den Schenkeln.
4. Drehzahlmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) ein Kunststoffteil
ist, bei dem zumindestens eine Umfangswand des Stegs metall
beschichtet (10.2) ist.
5. Drehzahlmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (13) eine Thermo
kompensation (17a, 17b, NTCa, NTCb) zum Ausgleich des Tempe
raturganges der Magnetfeld-Meßeinrichtung (12a, 12b) auf
weist.
Priority Applications (4)
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