DE10011820B4 - Messeinrichtung für Wälzlager - Google Patents

Abstract

Messeinrichtung für Wälzlager bestehend aus einem am rotierenden Laufring angeordneten drehenden magnetischen Encoder (10) mit mehreren Nord- und Südpolen, der mit einer nicht ferromagnetischen Scheibe (6, 9) abgedeckt ist und dessen magnetische Impulse von einem externen Sensor (20) abgetastet werden, wobei an der nicht ferromagnetischen Scheibe (6, 9) mindestens ein Mikrospulenschwingkreis (13, 15, 18), bestehend aus Minispule (15, 18) und Kondensator (14), angeordnet ist und der drehende magnetische Encoder (10) in der Minispule (15, 18) eine Induktivitätsänderung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitätsänderung von einer gekoppelten Spule (19) in einem mit einer Frequenz > 5 MHz schwingenden Schwingkreis des externen Sensors (20) erfassbar ist und die Minispule (15, 18) in Form einer planaren Spule (18) ausgeführt ist, die direkt auf dem ebenfalls planaren Kondensator (14) angeordnet ist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft die Messeinrichtung für Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Hintergrund der Erfindung
• Die Drehzahlerfassung zwischen stehendem und rotierendem Laufring in einem Wälzlager ist schon seit langem Stand der Technik. Hierbei gibt es verschiedene Prinzipien der Drehzahlerfassung.
• So wird die Drehzahl beispielsweise über Einrichtungen, die am Wälzlager angeordnet sind erfasst und die ermittelten Daten werden über Kabel zur Datenauswertung weitergeleitet. Diese Kabel sind dann direkt am Wälzlager angebracht. So gibt es auch Einsatzfälle, bei denen diese direkt am Wälzlager angebrachten Kabel stören und deshalb die Drehzahl aber extern angeordnete Sensoren erfasst wird. Ein Einsatzbeispiel für eine externe Anordnung von Sensoren ist das Radlager. Um mehr konstruktive Freiheiten um das Radlager zu bekommen, werden die Sensoren immer weiter von dem Radlager entfernt angebracht. In der DE 196 44 744 A1 wird die Drehzahl über einen Halleffektsensor erfasst. Hierbei dreht sich der magnetische Encoder hinter einer feststehenden nicht ferromagnetischen Scheibe. Der Halleffektsensor ist außerhalb des Wälzlagers angeordnet. Der maximale Abstand, der mit einer solchen Anordnung problemlos überbrückt werden kann beträgt maximal 3 mm. Auch vergleichbare Meßprinzipien wie MR (magnetoresistive Sensoren) oder GMR (Gigant magnetoresistive Sensoren) erreichen nur Übertragungsabstände in Luft von bis zu 3 mm. Sind grössere Abstände zwischen Encoder und Halleffektsensor zu überbrücken, funktionieren diese Systeme nicht mehr betriebssicher.
• In der DE 19632345 A1 sind unter anderem auch ein Telemetriesender und Telemetrieempfänger gezeigt. Die übertragbare Entfernung, die mit diesem System erreicht werden kann, hängt im wesentlichen von der eingesetzten Sendeleistung des Senders ab. Diese Telemetriesender- und Telemetrieempfängereinheiten sind aufwendig gebaut, da diese für die Stromversorgung der aktiven Systeme auf der Empfängerseite die Energie zur Verfügung stellen müssen. Diese Energie wird mit elektromagnetischen Wellen vom Sender außerhalb des Wälzlagers zum aktiven Messsystem am Wälzlager übertragen, mit einer Antenne empfangen, gleichgerichtet, gespeichert und dem aktiven Sensor zugeführt. Die Messwerte werden dann zum Telemetrieempfänger außerhalb des Lagers zurückgeschickt.
• Im Aufsatz Microcoil Speed and Position Sensor for Automotive Applications, (MME '96, Micromechanics Europe, 21–22 October 1996, Barcelona, Spain) wird ein Sensorsystem gezeigt, das auf planaren Spulen aufbaut. Bei dieser Anwendung dreht ein magnetischer Encoder, und die Drehzahl sowie Drehrichtung werden über die planaren Minispulen erfasst. Diese beiden Spulensysteme sind zusammen angeordnet und magnetisch gekoppelt. Das Problem dieser Anordnung ist, dass das erste Spulensystem zur Energieversorgung genutzt wird und das zweite Spulensystem das Drehzahlsignal zur Verfügung stellt. Aufgrund dieser Konstellation müssen beide Spulensysteme an Kabel angeschlossen werden. Der maximale Abstand der zwischen dem Magneten und der Spule, die die Drehzahl erfasst, beträgt nur wenige mm. Um die Drehzahlimpulse in einem Wälzlager zu erfassen, muss deshalb der Sensor (bzw. die beiden Spulensysteme) sehr nahe am Wälzlager angeordnet werden.
• Aus der DE 197 10 337 A1 ist eine telemetrische Messanordnung für ein Wälzlager bekannt, die in einem ersten Schwingkreis einvulkanisierte Ringspulen an einer Dichtscheibe und einen externen Sensor mit einem zweiten Schwingkreis aufweist. Dabei ist der zweite Schwingkreis zur induktiven Kopplung mit den Ringspulen des ersten Schwingkreises vorgesehen.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem aufzuzeigen, mit dem die aktuelle Drehzahl des Wälzlagers berührungslos über mehrere Millimeter Entfernung fehlerfrei erfasst werden kann und das aus einfachen Elementen aufgebaut ist.
• Beschreibung der Erfindung
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 6 beschreiben vorteilhafte Ausführungsvarianten.
• Die Vorteile dieser Messeinrichtung bestehen darin, dass nur die Induktivitätsänderung der Spule bzw. Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager vom externen Sensor erfasst wird. Die Energie, die vom Schwingkreis am Wälzlager benötigt wird, um als Schwingkreis zu arbeiten wird vom externen Sensor über die magnetische Kopplung zur Verfügung gestellt. Da der Schwingkreis am Wälzlager nur den Bruchteil der Energie der aktiven Messsysteme im Stand der Technik benötigt, kann die Drehzahlerfassung so mit einfachsten Mitteln bis über mehrere Millimeter hinweg realisiert werden. Der externe Sensor kann unabhängig vom Wälzlager angeordnet werden, und direkt am Wälzlager sind keine Kabel angebracht, die bei der Handhabung stören könnten. Eine Energieversorgung in Form einer Batterie wird auch nicht benötigt. Durch den drehenden magnetischen Encoder mit seinen Nord- und Südpolen wird die Induktivität der Spule im stationär angeordneten Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager geändert. Ausserhalb des Wälzlagers ist in einem Sensor der zweite Mikrospulenschwingkreis angeordnet. Dieser zweite Mikrospulenschwingkreis wird mit einer Frequenz von > 5 MHz angesteuert. Durch die Veränderung der Induktivität der Spule im Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager wird die Gesamtinduktivität des Spulensystems verändert. Das Drehzahlsignal wird dann über eine Strom- oder Spannungsänderung oder Phasenverschiebung an der externen Spule ermittelt wobei die Hüllkurve der ansteuernden Frequenz ausgewertet wird.
• Der mathematische Zusammenhang ist durch die Grundgleichungen eines einfachen Spulensystems gegeben:

  
• Aus dieser Formel geht hervor, dass die Veränderung der Induktivität einer Spulenseite (hier am Wälzlager), bei sonst konstanten Grössen, zur Veränderung der Spannung an der anderen Spulenseite (hier im Sensor) führt.
• Das heisst, dass die Anzahl der Übergänge zwischen Nord- und Südpol auf dem drehenden Encoder unter der Spule direkt am Wälzlager sich im Spannungsverlauf in der Spule des Sensors abbilden. Bei Kenntnis der Nord- und Südpole auf dem Encoderring kann so direkt auf die Drehzahl des Wälzlagers geschlossen werden.
• Die Minispulen werden in Form von planaren Spulen ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass diese Spulen äusserst flach bauen (10 mu m bis 100 mu m) und in bekannter galvanischer Additivtechnik oder durch ein Aufdrucken erzeugt werden und direkt auf dem Kondensator angeordnet sind.
• Gemäss Anspruch 2 werden die Schwingkreise am Wälzlager und im externen Sensor an ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Dieser Betriebspunkt hat den Vorteil, dass die auszuwertenden Messsignale im Sensor die deutlichsten messbaren Unterschiede im Spannungsverlauf oder Stromverlauf oder Phasenverschiebung aufweisen.
• Gemäss Anspruch 3 werden die planaren Mikrospulen so aufgebaut, dass die Streukapazität zwischen den einzelnen Windungen der Spule als Kondensator genutzt wird. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Kondensatoren eingesetzt werden müssen, um einen Schwingkreis zu erzeugen.
• Gemäss Anspruch 4 werden diese Mikroschwingkreise in die stationäre Dichtscheibe, die aus nicht ferromagnetischem Material besteht, integriert und mit einvulkanisiert. Dadurch sind diese Spulen vor äusseren Einflüssen geschützt.
• Gemäss Anspruch 5 werden einzelne Mikroschwingkreise in einem engen Abstand gleichmässig über die Oberfläche der feststehenden nicht ferromagnetischen Dichtscheibe verteilt. Dadurch wird erreicht, dass bei dem Einbau des Wälzlagers die Position des Mikroschwingkreises nicht auf den externen Sensor ausgerichtet werden muss. Das Wälzlager kann aufgrund der vielen Mikroschwingkreise so lageunabhängig eingebaut werden.
• Gemäss Anspruch 6 werden die planaren Spulen der Mikroschwingkreise auf welch magnetischem Trägermaterial angeordnet, um die Induktivität der planaren Spule zu erhöhen. Die Einheit aus planarer Spule und Trägermaterial ist auf der nicht ferromagnetischen Dichtscheibe angebracht. Durch diese Anordnung wird die Übertragungsstrecke zwischen dem Mikroschwingkreis am Wälzlager und dem externen Sensor vergrössert.
• Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Die Erfindung wird anhand von mehreren Zeichnungen beschrieben.
• In 1 wird das grundsätzliche Schaltungsschema der Erfindung dargestellt.
• In 1a wird der Verlauf des gemessenen Signals dargestellt.
• In 2a werden die wesentlichen Bauteile in perspektivischer Darstellung gezeigt.
• In der 2b wird die Anordnung mehrerer planaren Spulen gezeigt.
• 3 zeigt ein Konstruktionsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehzahlmesseinrichtung mit drehendem Außenring.
• In der 3a ist die Spule mit Kondensator in die Dichtscheibe dargestellt.
• 4 zeigt ein Konstruktionsbeispiel mit drehendem Innenring.
• Die 4a zeigt den Aufbau der planaren Spule.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
• In 1 wird das Schaltschema der erfinderischen Messeinrichtung gezeigt. Die zwei Spulen bzw. die Mikroschwingkreise (externer Schwingkreis 19, Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager 13) sind über das Medium Luft gekoppelt, wobei die Induktivität der Spule L₂, die auf der Dichtscheibe des Wälzlagers angeordnet ist, durch den rotierenden magnetischen Encoder geändert wird. Die Spule L₁, die sich im externen Sensor befindet, wird mit einer Frequenz > 5 MHz angesteuert. Über die magnetische Kopplung M₁₂ bewirkt die Induktivitätsänderung der Spule L₂ eine Änderung des Stromes i₁ und der Spannung u₁ in der Spule L₁. Deutlich wird an diesem Schaltschema, dass die Spule L₂ ohne eine Spannungsversorgung auskommt. In 1a ist der graphische Verlauf des elektrischen Signals, das zur Auswertung der Drehzahl des Wälzlagers genutzt wird, gezeigt. Die Induktivitätsänderung der Spule L₂ ist im Signalverlauf der Hüllkurve sichtbar. Der sinusförmige Spannungsverlauf entspricht der angesteuerten Frequenz.
• In der 2a wird die Anordnung der wesentlichen Bauteile zur Drehzahlerfassung dargestellt. Das Wälzlager ist in dieser Darstellung nicht gezeigt. Der Encoder 10, der am drehenden Teil des Wälzlagers angeordnet ist, enthält in seiner Oberfläche eine Vielzahl von Nord- und Südpolen. Diese Pole drehen unter der am stehenden Ring des Wälzlagers angeordneten planaren Spule 18 und bewirken die Induktivitätsänderung der Spule 18. In dieser Darstellung ist nur eine planare Spule 18 auf dem Teil 9 gezeigt. Diese planare Spule 18 muss auf die externe Spule 19 lagemäßig im Einbaufall ausgerichtet werden. Die externe Spule 19 ist in dem Gehäuse 20 angeordnet und ist über Kabel 21 angeschlossen.
• In der 2b sind als einziger Unterschied zu 2a viele planare Spulen 18 auf dem Teil 9 angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass diese über den Umfang gleichmäßig verteilten Spulen 18 bei der Montage des Wälzlagers nicht auf den externen Schwingkreis 19 ausgerichtet werden müssen, da bei jeder Winkellage eine Spule 18 in Richtung des externen Schwingkreises 19 im extern angeordneten Sensor 20 steht.
• In der 3 wird ein Wälzlager im Schnitt parallel zur Rotationsachse dargestellt. Zwischen dem feststehenden Innenring 2 und dem rotierenden Außenring 1 sind die Wälzkörper 3, die im Käfig 4 geführt werden, angeordnet. Am rotierenden Außenring ist über das Teil 5 der rotierende Encoder 10 angebracht. Der Encoder 10 wird über verschiedene Dichtungen 7, die am Teil 6 befestigt sind, vor Verschmutzung geschützt. Das Teil 6 ist aus nicht ferromagnetischem Material gefertigt und ist gleichzeitig der Träger für die Spule 15. Die Spule 15 ist gegenüber dem Träger 6 elektrisch isoliert. Im Beispiel ist die Spule 15 von dem aufvulkanisierten Material der Dichtung umgeben und so vor Verschmutzung geschützt. Der externe Schwingkreis 19 ist im Gehäuse 20 angeordnet. Dieser wird über die Kabel 21 mit der Energieversorgung und Auswerteelektronik verbunden. In der 3a wird ein Beispiel des Schwingkreises, der aus Spule 15 mit Eisenkern und Kondensator 14 besteht, gezeigt. Unter der Spule 15 dreht sich der magnetische Encoder 10 und verändert so das Magnetfeld und damit die Induktivität der Spule 15. Der externe Sensor 20 ist in diesem Bild nicht gezeigt. Aus diesem Beispiel geht hervor, dass auch nicht planare Spulen eingesetzt werden können.
• In der 4 wird die gleiche Anordnung wie in 3 gezeigt, wobei der Unterschied darin besteht, dass in diesem Anwendungsfall der Außenring 1 steht und der Innenring 2 rotiert. Demzufolge ist der Encoder 10 nun über das Teil 8 mit dem Innenring 2 verbunden. Die planare Spule 18 ist auf weich ferromagnetischem Trägermaterial 17 aufgebracht, diese Einheit ist auf dem nicht ferromagnetischen Dichtungsteil 9 angeordnet. Der Außenring 1 ist mit dem Dichtungsteil 9 verbunden. Das welch ferromagnetische Trägermaterial erhöht die Induktivität der planaren Spulen 18. In der 4a wird die Einzelheit der planaren Spule in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt. Ein möglicher Schichtaufbau unter der planaren Spule ist dargestellt. Die gestrichelten Linien 24 zeigen die elektrische Verbindung zu Flächen, die als Kondensatorfunktion genutzt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Außenring

2

Innenring

3

Wälzkörper

4

Käfig

5

Drehendes Dichtungsteil

6

Stehendes nicht ferromagnetisches Dichtungsteil

7

Dichtlippen

8

Drehendes Dichtungsteil

9

Stehendes nicht ferromagnetisches Dichtungsteil

10

Magnetischer Encoder

11

Aufvulkanisiertes Material

13

Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager

14

Kondensator

15

Spule am Wälzlager mit Eisenkern

16

Dielektrikum

17

Weich magnetisches Trägermaterial

18

Planare Spule

19

Externer Schwingkreis

20

Gehäuse

21

Elektroanschluß der externen Spule

22

Isolationsschicht

23

Trägermaterial der planaren Spule

24

Elektrische Verbindung zur Kondensatorfuktion

Claims (6)

1. Messeinrichtung für Wälzlager bestehend aus einem am rotierenden Laufring angeordneten drehenden magnetischen Encoder (10) mit mehreren Nord- und Südpolen, der mit einer nicht ferromagnetischen Scheibe (6, 9) abgedeckt ist und dessen magnetische Impulse von einem externen Sensor (20) abgetastet werden, wobei an der nicht ferromagnetischen Scheibe (6, 9) mindestens ein Mikrospulenschwingkreis (13, 15, 18), bestehend aus Minispule (15, 18) und Kondensator (14), angeordnet ist und der drehende magnetische Encoder (10) in der Minispule (15, 18) eine Induktivitätsänderung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitätsänderung von einer gekoppelten Spule (19) in einem mit einer Frequenz > 5 MHz schwingenden Schwingkreis des externen Sensors (20) erfassbar ist und die Minispule (15, 18) in Form einer planaren Spule (18) ausgeführt ist, die direkt auf dem ebenfalls planaren Kondensator (14) angeordnet ist.
2. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrospulenschwingkreis (13, 15, 18) auf dem Wälzlager und der Schwingkreis (19) im externen Sensor (20) die gleiche Resonanzfrequenz haben.
3. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kondensator die Streukapazität der planaren Minispule (18) genutzt wird.
4. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospulenchwingkreise in der Dichtscheibe (6, 9) des Wälzlagers einvulkanisiert sind.
5. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (6, 9) aufgrund der im Umfang gleichmäßig angeordneten Mikrospulenschwingkreise (15, 18) im Bezug auf den externen Sensor (20) lageunabhängig eingebaut werden kann.
6. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die planaren Mikrospulenschwingkreise (18) in weichmagnetisches Material (17) integriert sind.

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