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Die
Erfindung betrifft eine Drehzahlerfassungseinrichtung für eine Welle,
insbesondere für eine
Welle eines Abgasturboladers oder eines Verbrennungsmotors, sowie
eine Drehzahlerfassungselektronikeinheit nach den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Es
ist bekannt, die Drehzahl der Welle eines Abgasturboladers mittels
eines Drehzahlsensors zu erfassen. Dies muss in einem weiten Drehzahlbereich
von wenigen hundert bis weit über
hunderttausend Umdrehungen pro Minute erfolgen. In der Regel muss
der Drehzahlsensor mit hoher Genauigkeit und mit geringen Abständen zu
rotierenden Teilen montiert werden. Der teure Drehzahlsensor läuft im Betrieb
Gefahr, durch mechanische Erschütterungen oder
durch Berührung
mit beispielsweise der Laderschaufel beschädigt zu werden. Teilweise muss
der Abgasturbolader zur Montage des Drehzahlsensors Span abhebend
bearbeitet werden.
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Es
sind verschiedene Anordnungen bekannt, um die Drehzahl der Welle
eines Abgasturboladers zu erfassen.
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Aus
der DE-C1-38 01 171 ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Stabmagnet
in radialer Richtung stirnseitig auf einer Welle eines Abgasturboladers montiert
ist. An den Wellenum fang heran führen
zwei Schenkel eines ferromagnetischen Bauteils mit einer Induktionsspule,
in der aufgrund der Änderung
des magnetischen Flusses bei der Rotation des Stabmagneten Spannungsimpulse
induziert werden. Das ferromagnetische Element durchgreift dabei
das Gehäuse
des Abgasturboladers.
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Aus
der JP-A-62194466 ist bekannt, eine Befestigungsmutter einer Turbinenschaufel
zu magnetisieren und deren Magnetfeld bei der Rotation der Welle
mit einer durch die Gehäusewand
des Abgasturboladers in die Nähe
der Befestigungsmutter geführten
elektromagnetischen Erfassungseinheit zu erfassen.
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Aus
der JP-A-57070917 ist eine Anordnung bekannt, bei der ein senkrecht
zur Drehachse magnetisierter Permanentmagnet in einer Befestigungsmutter
eingebettet ist, mit der eine Rotorschaufel am Ende der Turbinenwelle
befestigt ist. Um Platz zum Einbetten des Permanentmagneten zu schaffen,
ist die Befestigungsmutter axial verlängert. Das Magnetfeld des mit
der Welle rotierenden Permanentmagneten wird von einer in die Gehäusewand
eingegossenen Spule erfasst.
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Aus
der JP-A-56008552 ist bekannt, in eine Befestigungsmutter eines
Schaufelrads einen Ringmagneten einzulassen, der in radialer Richtung
magnetisiert ist. Dreht sich die Welle, kann ein elektromagnetisches
Detektionsmittel außerhalb
des die Welle wenigstens teilweise umgebenden Gehäuses das wechselnde
Magnetfeld des Ringmagneten erfassen. Aus dem Signal wird die Drehzahl
der Welle abgeleitet. Dazu ist eine elektrische Einheit vorgesehen,
in der das von der elektromagnetischen Erfassungseinheit erfasste
Signal verstärkt
wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlerfassungseinrichtung
zur Erfassung einer Drehzahl einer Welle, insbesondere einer Welle eines
Abgasturboladers anzugeben, die große Toleranzen bei der Montage
zulässt,
leicht zu montieren ist und keine aufwändige Bearbeitung der Vorrichtung voraussetzt,
an der er montiert wird. Weiterhin soll eine Drehzahlerfassungselektronikeinheit
dazu angegeben werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Die
Drehzahlerfassungseinrichtung für
eine um eine Wellenachse drehbare Welle gemäß der Erfindung, insbesondere
einer Welle eines Abgasturboladers oder eines Verbrennungsmotors,
weist in einem Magnethalter zwei in radialer Richtung magnetisierte
Magnete beidseits der Wellenachse auf, die mit der Welle mitrotieren.
Vorzugsweise sind die Magnete aus Seltenerdmaterialien und/oder
kobalthaltigen Materialien aufgebaut, insbesondere aus CoSm. Die Anordnung
der Magnete ergibt ein relativ langreichweitiges Magnetfeld, das
mit einem entfernten Detektionsmittel, insbesondere einer Induktionsspule, leicht
erfasst werden kann. Ferner können
die Magnete im Magnethalter leicht montiert werden. Ein mittels
einer erfindungsgemäßen Drehzahlerfassungseinrichtung
ausgerüsteter
Turbolader oder Motor kann einfach wieder rückgerüstet werden, so dass keine
Veränderungen
gegenüber
dem Ursprungszustand verbleiben.
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Günstige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Sind
die Magnete innen liegend in einem gewuchteten, an der Welle befestigbaren
Magnethalter angeordnet, können
diese besonders leicht mit der Welle verbunden werden. Der Magnethalter
stört die Rotation
der Welle nicht. Der Magnethalter kann als kompakte Einheit vorgefertigt
werden. Bevorzugt ist der Magnethalter als Bolzen oder Mutter ausgebildet und
einfach auf die welle stirnseitig aufschraubbar. Es sind keine bleibenden
Umbauten an der Welle bzw. an einem bevorzugten Abgasturbolader
notwendig. Der Magnethalter ist wieder verwendbar und kann an verschiedenen
Wellen bzw. Abgasturboladern montiert werden. Zweckmäßigerweise
ist der Magnethalter an den Durchmesser der Welle, auf die er aufgeschraubt
werden soll, so angepasst, dass eine mechanische Beschädigung durch
rotierende Teile vermieden werden kann.
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Zweckmäßigerweise
sind die Magnete so magnetisiert, dass die jeweils außenumfangsnahen Pole
ungleichsinnig sind. Es kann eine besonders einfache und zweckmäßige Anordnung
des Detektionsmittels mit hoher Nachweisempfindlichkeit erreicht
werden, wenn das Detektionsmittel tangential zur Welle, etwa an
einem Umfang des Gehäuses,
angeordnet ist. Der Abstand zwischen Detektionsmittel und Magnethalter
bzw. Welle kann mindestens einige Millimeter, wenn etwa zwischen
Magnethalter und Detektionsmittel ein bevorzugtes Aluminiumgehäuse angeordnet
ist, und bis zu mehreren Zentimetern betragen, insbesondere wenn
kein Gehäusematerial zwischen
Magnethalter und Detektionsmittel angeordnet ist. So konnten Messungen
mit 5 mm Abstand bis 50 mm Abstand mit einem Aluminiumgehäuse zwischen
Detektionsmittel und Magnethalter durchgeführt werden. Es können Drehzahlen
zwischen wenigen hundert Umdrehungen pro Minute und bis über hunderttausend
Umdrehungen pro Minute sicher nachgewiesen werden.
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Besonders
zweckmäßig ist
eine Ausdehnung der Magnete, die in radialer Richtung der Welle geringer
ist als senkrecht dazu, entsprechend einer tangentialen Richtung.
Geringe axiale Verschiebungen des Detektionsmittels bezogen auf
die axiale Position des Magnethalters auf der Welle können ohne wesentlichen
Empfindlichkeitsverlust toleriert werden. Vorzugsweise ist die Ausdehnung
der Magnete auch in axialer Richtung größer als in radialer Richtung.
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Ist
das Detektionsmittel zur Detektion eines magnetischen Signals als
Induktionsspule ausgebildet, kann vorteilhaft eine käufliche
Induktivität
verwendet werden. Deren Induktivitätswert beeinflusst die Empfindlichkeit
der Drehzahlerfassungseinrichtung.
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Das
Detektionsmittel kann vorzugsweise mit einer bevorzugten Drehzahlerfassungselektronikeinheit
verbunden sein, die Mittel zur Erzeugung eines Rechtecksignals aus
einem Spannungssignal des Detektionsmittels aufweist. Die Drehzahlerfassungselektronikeinheit
kann in einem separaten Gehäuse angeordnet
und beliebig untergebracht sein. Bei entsprechender Auslegung kann
eine Umdrehung des Magnethalters als ein TTL-Impuls ausgegeben werden.
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Die
erfindungsgemäße Drehzahlerfassungselektronikeinheit
weist einen ersten Verstärker
zur Signalverstärkung
eines Signals des Detektionsmittels auf, an den ausgangsseitig ein
zweiter Verstärker
als Komparator angeschlossen ist. Der erste Verstärker weist
eine Verstärkung
des Signals von wenigstens 1000 auf, vorzugsweise wenigstens 3000,
besonders bevorzugt etwa 5000. Der Komparator weist vorzugsweise
eine einstellbare Schwelle auf, die unter 1 V liegt, vorzugsweise
um etwa 0,5 V.
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Vorzugsweise
ist wenigstens einer der Verstärker
ein Präzisions-Instrumentenverstärker mit Einfachspannungsversorgung.
Zweckmäßigerweise sind
beide Verstärker
so ausgebildet.
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Zur
elektrischen Versorgung der Verstärker ist zweckmäßigerweise
eine Spannungsreglereinheit vorgesehen. Zur Störunterdrückung kann vorteilhaft die
Spannungsreglereinheit einen DC/DC-Wandler umfassen.
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Die
Erfindung ist besonders zur Drehzahlerfassung von Abgasturboladern
geeignet. Wegen der einfachen Montage und Zuverlässigkeit kann sie jedoch auch
sehr vorteilhaft zur Drehzahlerfassung von Verbrennungsmotoren eingesetzt
werden und dort als Ersatz für
passive integrierte Schaltungschips oder Hallsensoren dienen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten
und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
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Dabei
zeigen:
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1a,
b, c; eine Draufsicht auf einen bevorzugten Magnethalter (a), einen
Schnitt durch den Magnethalter (b) und eine schematische Ansicht
des auf eine Welle geschraubten Magnethalters mit Detektionsmittel
(c),
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2 eine
Schaltung einer bevorzugten Drehzahlerfassungselektronikeinheit,
und
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3 eine
bevorzugte störarme
Spannungsreglereinheit.
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In
den Figuren sind der Übersichtlichkeit
halber für
funktionell gleiche Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1a, 1b, 1c zeigen
schematisch eine Drehzahlerfassungseinrichtung für eine Welle 10, insbesondere
einer Welle 10 eines Abgasturboladers. Die Draufsicht auf
einen bevorzugten Magnethalter 12 zeigt 1a.
Der in diesem Beispiel als Mutter ausgebildete Magnethalter 12 weist
eine Bohrung 15 mit einem Gewinde auf, mit dem der Magnethalter 12 beispielsweise
auf eine üblicherweise vorstehende
Welle 10 eines Abgasturbo laders aufgeschraubt werden kann.
Im Magnethalter 12 sind symmetrisch beidseits der Bohrung 15 Taschen 13 angeordnet,
in die Magnete 14, 14' eingeführt werden können, so
dass diese innenliegend in dem gewuchteten Magnethalter 12 angeordnet
sind. Die Magnete 14, 14' sind unterhalb des Magnethalters 12 gezeichnet und
so magnetisiert, dass die außen
liegenden Pole der beiden Magnete ungleichsinnig sind und sich über den
Magnethalter 12 senkrecht zur Welle 10 ein Magnetfeld 16 in
radialer Richtung einstellt, wie durch den Pfeil angedeutet ist.
Die Pole der Magnete 14, 14' ist durch eine unterschiedliche
Färbung
der Segmente der Magnete 14, 14' angedeutet. In ihrer Ausdehnung
sind die Magnete 14, 14' in radialer Richtung der Welle 10 kleiner
als senkrecht dazu, so dass eine tangentiale Ausdehnung der Magnete 14, 14' größer ist
als eine radiale Ausdehnung.
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Der
Magnethalter 12, welcher als Hutmutter ausgestaltet werden
kann, jedoch bevorzugt als beidseitig offene Mutter mit durchgehender
Gewindebohrung ausgestaltet ist, ist in 1b im
Schnitt durch die Bohrung 15 dargestellt. Die Ausgestaltung
als beidseitig offene Mutter hat den Vorteil, dass der Magnethalter 12 beliebig
auf der Achse, insbesondere sehr nahe an der Ladeschaufel positioniert
werden kann. Die Magnete 14, 14' nehmen einen relativ großen Volumenanteil
des Magnethalters 12 ein. Eine schematische Ansicht des
auf eine Welle 10 geschraubten Magnethalters 12 mit
einem Detektionsmittel 17 ist aus 1c ersichtlich.
Die Welle 10 ist um eine Wellenachse 11 drehbar.
Ein Magnethalter 12 ist mit einer Bohrung 15 mit
Gewinde auf die Welle 10 so aufgeschraubt, dass die im
Magnethalter 12 angeordneten Magnete 14, 14' mitrotieren.
Deren dabei drehendes Magnetfeld kann von dem als Induktionsspule
ausgebildeten Detektionsmittel 17 erfasst werden, wobei
das Detektionsmittel 17 außerhalb eines die Welle 10 wenigstens
teilweise umgebenden Gehäuses 18 angeord net
ist. Aufgrund der großen Ausdehnung
der Magnete 14, 14' in
tangentialer Richtung und in axialer Richtung ist zur Montage des als
Induktionsspule ausgebildeten Detektionsmittels keine allzu hohe
Genauigkeit notwendig.
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Das
als Induktionsspule ausgebildete Detektionsmittel 17 ist
mit einer bevorzugten Drehzahlerfassungselektronikeinheit 20 verbunden,
deren Schaltung in 2 wiedergegeben ist.
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Die
Drehzahlerfassungselektronikeinheit 20 umfasst einen ersten
Verstärker 21 zur
Signalverstärkung,
an den ausgangsseitig ein zweiter Verstärker 22 als Komparator
angeschlossen ist. Die Drehzahlerfassungselektronikeinheit 20 transformiert
ein aufgrund des rotierenden Magnethalters 12 erzeugtes wechselndes
Spannungssignal des Detektionsmittels 17 in ein Rechtecksignal.
Das Detektionsmittel 17 ist koaxial an einen Eingang 36 der
Drehzahlerfassungselektronikeinheit 20 angeschlossen und
das Rechtecksignal kann an einem Ausgang der Drehzahlerfassungselektronikeinheit 20 abgegriffen
werden. Die Ausgangsgröße ist ein
positiver TTL-Impuls pro Umdrehung des Magnethalters 12.
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Der
Verstärker 21 weist
vorzugsweise eine hohe Verstärkung,
etwa um einen Faktor um 5000, auf. Der zweite Verstärker 22 weist
eine einstellbare Schwelle auf, die mit einem einstellbaren Widerstand 33 eingestellt
werden kann. Die Schwelle wird bevorzugt auf etwa 0,5 V eingestellt.
Die Verstärker 21, 22 sind
vorzugsweise Präzisions-Instrumentenverstärker mit
Einfachspannungsversorgung des Typs AMP04. Die üblichen Standardnummerierungen
der jeweiligen Pins sind am jeweiligen Verstärkersymbol der Verstärker 21, 22 gesondert
angegeben.
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Zur
elektrischen Versorgung der Verstärker 21, 22 eine
ist Spannungsreglereinheit 23 vorgesehen, die einen Spannungsreg ler 24 des
Typs 7805 umfasst und zwischen dessen Eingang bzw. Ausgang jeweils
eine Kapazität 25, 26 gegen
Masse angeschlossen ist. In 2 sind die
Werte der beiden Kapazitäten
gleich und betragen beispielsweise 5 μF. Parallel dazu ist eine weiterer
Kapazität 27 mit
beispielsweise 100 nF angeschlossen.
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In
den Verschaltungen der Verstärker 21, 22 sind
ohmsche Widerstände 31, 32 dem
ersten Verstärker 21 und
neben dem regelbaren Widerstand 33 noch zwei weitere Widerstände 34 und 35 dem
zweiten Verstärker 22 zugeordnet.
Die beispielhaften Werte sind für
Widerstand 31 ein Widerstandswert R von R = 75 kΩ, für den Widerstand 32 R
= 22 Ω,
für den
Widerstand 33 ein maximaler Wert von R = 5 kΩ, für den Widerstand 34 R
= 100 kΩ.
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Eine
bevorzugte Spannungsreglereinheit 23 ist in 3 angegeben.
Diese ist als Längsregler ausgebildet
und umfasst einen DC/DC-Wandler 30, vorzugsweise des Typs
NME 0505, der einen typischen Leistungsbereich von etwa 1 W aufweist.
Eine Eingangsspannung von 10 V bis 15 V wird auf einen Ausgangswert
von 5 V gewandelt. Der DC/DC-Wandler 30 sorgt durch die
Potentialtrennung für
eine ausreichende Störunterdrückung. Die
vor und hinter dem Spannungsregler 24, vorzugsweise ein
Spannungsregler 24 des Typs 7805, angeordneten Kapazitäten 25, 26 sind
vorzugsweise als Elektrolytkondensatoren ausgebildet, wobei beispielhaft
die Kapazitäten
ungleich sind mit einem Kapazitätswert C
von C = 2,2 μF
für die
Kapazität 25 und
C = 10 μF für die Kapazität 26.
Am Ausgang des DC/DC-Wandlers 30 ist
eine weitere Kapazität 28 mit
beispielsweise C = 100 nF sowie parallel dazu eine als Elektrolytkondensator
ausgebildete Kapazität 29 mit
C = 1 μF angeschlossen.