DE4123128A1 - Wirbelstrom-drehzahlsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlmesser mit Ausnutzung des Wirbelstromeffektes.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

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.