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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Positionsmessung einer magnetisch gelagerten Welle, wobei Spulen enthaltende Sensoren in Brückenschaltung zur Messung vorgesehen sind. Die Lagerung der Welle kann dabei vollständig aktiv oder kombiniert aktiv und passiv magnetisch erfolgen.
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Im Stand der Technik sind Anordnungen zur Weg- beziehungsweise Positionsmessung einer magnetisch gelagerten Welle bekannt. Hierbei werden neben kapazitiven oder optischen Sensoren verschiedene Arten von induktiven Positionssensoren verwendet. Oft werden so genannte Wirbelstromsensoren eingesetzt, welche mit einem parallel geschalteten Kondensator zu einem Schwingkreis ergänzt und über einen Vorwiderstand meist mit einer Rechteckspannung angesteuert werden. Nachteile dieses Verfahrens sind ein schwieriger Abgleich, eine Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen, eine Empfindlichkeit gegenüber beziehungsweise Abhängigkeit von der Länge, der Verlegung und der Temperatur des Verbindungskabels zu den Wirbelstromsensoren, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Störspannungen, welche von getaktet betriebenen Magnetlager-Aktoren eingekoppelt werden, sowie eine geringe Messempfindlichkeit bei Spaltrohr-Anwendungen.
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Weiterhin sind induktive Sensoren bekannt, welche über einen Vorwiderstand mit einer amplituden- und frequenzkonstanten Sinusspannung angesteuert werden. Die Erzeugung dieser sinusförmigen Spannung ist aufwändig und erfordert bei einer vollständig aktiv magnetisch gelagerten Welle aufgrund der Vielzahl der Sensoren ein hohes Maß an elektrischer Energie, da ein linear arbeitender Leistungsverstärker mit schlechtem Wirkungsgrad erforderlich ist und zusätzliche Verluste an den Vorwiderständen auftreten. Ein weiterer Nachteil ist auch hier die Empfindlichkeit gegenüber Störspannungen, die von getaktet betriebenen Magnetlager-Aktoren eingekoppelt werden.
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Um den Einfluss der Temperatur auf die bekannten Schaltungsanordnungen zu minimieren, wird in der
DE 36 03 950 A1 ein induktiver Stellungsmelder beschrieben, bei dem eine Messspule und eine baugleiche Kompensationsspule in einer Wechselbrückenschaltung vorgesehen sind. Die Messspule umgibt einen Tauchanker hoher magnetischer Permeabilität, der innerhalb der Messspule verschiebbar ist und in Abhängigkeit von seiner Lage eine unterschiedliche Spuleninduktivität bewirkt. Durch Verwendung von zwei Spulen sollen gemäß dieser Druckschrift Widerstandsänderungen der Wicklungen aufgrund von Temperatureinflüssen weitestgehend kompensiert werden. Allerdings benötigt diese Schaltungsanordnung einen Sinusoszillator, und die Anordnung ist empfindlich gegenüber induktiver Störeinkopplung in die Sensorspulen.
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In der
EP 1 036 951 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches den Einfluss der Leitungslänge zwischen Sensor und Auswerteelektronik auf die erreichbare Messgenauigkeit minimieren soll. Die beiden darin beschriebenen Sensoren sind in Reihe geschaltet und räumlich getrennt angeordnet, so dass im Betrieb nicht von identischen Temperaturen und damit nicht von gleichen ohmschen Widerständen der Spulen ausgegangen werden kann. Dies führt zu zusätzlichen Messfehlern aufgrund der thermischen Randbedingungen. Weiterhin ist die Anordnung empfindlich gegenüber Störungseinkopplung auf der Verbindungsleitung, da sich die zur Auswertung vorgesehenen Halbbrücken an unterschiedlichen Kabelenden befinden. Auch dieses Verfahren benötigt einen Sinusoszillator mit dem zuvor schon beschriebenen Nachteil.
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Die Druckschrift
JP S61-153014 A offenbart mit den
3 bis
5 eine Anordnung zur Positionsmessung einer magnetisch gelagerten Welle, wobei Spulen enthaltende Sensoren in Brückenschaltung zur Messung vorgesehen sind, wobei zwei oder mehr Sensoren radial zu der Welle angeordnet sind, wobei ein Sensor zumindest zwei elektrisch in Reihe geschaltete Einzel-Sensorspulen enthält und wobei die Sensorspulen elektrisch zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet sind. Es ist jedoch nicht offenbart, wie Einzel-Sensorspulen eines Sensors räumlich anzuordnen sind, um störende Einflüsse auf das Messsignal möglichst weitgehend zu vermeiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Anordnung zur Positionsmessung vorzusehen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist und insbesondere bei magnetisch gelagerten Wellen die Empfindlichkeit gegenüber Störspannungen, die durch getaktete Magnetlager-Aktoren eingekoppelt werden, so gering wie möglich hält.
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Dieses technische Problem wird ausgehend von einer Anordnung zur Positionsmessung einer magnetisch gelagerten Welle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass zwei oder mehr Sensoren radial und/oder zumindest ein Sensor axial zu der Welle angeordnet sind bzw. ist, wobei ein Sensor zumindest zwei elektrisch in Reihe geschaltete Einzel-Sensorspulen enthält, wobei ein Spulenkörper zum Aufnehmen der zumindest zwei Einzel-Sensorspulen vorgesehen ist und wobei die Sensorspulen elektrisch zu einer Vollbrücke geschaltet sind.
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Obiges technische Problem wird auch durch eine Anordnung zur Positionsmessung nach dem Oberbegriff des Anspruches 8 dadurch gelöst, dass in dem axial angeordneten Sensor zumindest vier konzentrisch zur Welle angeordnete Einzel-Sensorspulen (3, 4, 5, 6) axial versetzt und die benachbart zueinander entlang der Welle (1) angeordnet sind und dass die Einzel-Sensorspulen (3, 4, 5, 6) jeweils zu zweit elektrisch in Reihe geschaltet und zu einer Vollbrücke (60) zusammengeschaltet sind.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren abhängigen Ansprüchen definiert.
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Dadurch wird eine Anordnung zur Positionsmessung beziehungsweise zum Erfassen der radialen und axialen Position einer Welle geschaffen, mit der die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können. Aufgrund der Verwendung einer Verschaltung der Sensorspulen zu einer Vollbrücke gehen bei gebräuchlichen Kabellängen Länge, Temperatur und die Art der Verlegung eines Verbindungskabels kaum in das Messsignal ein. Hierdurch ist eine sehr genaue Bestimmung der Position einer Welle möglich. Störeinkopplungen in die Sensoren aufgrund von hochfrequent-magnetischen Störflüssen sind aufgrund der dichten räumlichen Anordnung der zwei Sensorspulen in diesen etwa gleich und in der Vollbrückenschaltung ändert sich infolge dessen das Potential am Verbindungspunkt zwischen den beiden Sensorspulen eines Sensors im Wesentlichen nicht. Lediglich die an der Reihenschaltung der beiden Sensorspulen eines Sensors anliegende Versorgungsspannung kann von der Störspannung geringfügig amplitudenmoduliert werden. Bei abgeglichener Vollbrücke wird sich diese Modulation nicht auf das Nutzsignal auswirken. Bei verstimmter Vollbrücke wird die Auswirkung sehr gering sein, weil die Störspannung sehr klein gegenüber der vorzugsweise rechteckförmigen Versorgungsspannung ist. Störeinflüsse aufgrund von Temperaturschwankungen sind ebenfalls nicht zu erwarten, da im Unterschied zum Stand der Technik die Einzel-Sensorspulen verhältnismäßig dicht benachbart zueinander vorgesehen sind, die Widerstandsänderungen daher für beide Einzelspulen gleich sind und das Potential am Mittenabgriff sich folglich nicht ändert.
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Ein Sensorabgleich ist beim Einsatz hochwertiger Wickelautomaten bei der Fertigung der Sensorspulen vorteilhaft in der Regel nicht erforderlich, was den Aufwand und damit die Stückkosten der Sensoren niedrig hält. Die Empfindlichkeit bei Spaltrohr-Anwendungen ist im Unterschied zu der Verwendung von Wirbelstromsensoren mit Schwingkreis gemäß Stand der Technik hoch.
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Alle beschriebenen Verfahren des Standes der Technik sind empfindlich gegen Einkopplungen von Störspannungen in die Sensoren oder in die Sensorleitungen, welche eine Frequenz in der Nähe der Sensorfrequenz sowie deren ungeraden Vielfachen haben. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sensorspulen zur Positionsmessung ist es möglich, die Störeinkopplung beziehungsweise Störspannung bei Pulsweitenmodulation (PWM) von in der Nähe der Sensoren befindlichen, getaktet angesteuerten Leistungsspulen zu minimieren. Derartige Leistungsspulen sind beispielsweise die krafterzeugenden Aktorspulen der Magnetlager. Im Unterschied zum Stand der Technik der induktiven Sensoren ist die Empfindlichkeit der Sensoren gegenüber Störspannungen bei Pulsweitenmodulation, die durch getaktet betriebene Magnetlager-Aktoren eingekoppelt werden, also gering.
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Bevorzugt sind nach Anspruch 2 bei zur radialen Positionsmessung vorgesehenen Radialsensoren die Sensorspulen zweier hinsichtlich der Welle gegenüberliegender Sensoren elektrisch zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet. Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn nach Anspruch 3 die Sensorspulen gleiche Windungszahlen aufweisen.
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Zur vollständigen Erfassung der radialen Position der Welle in einer Ebene sind vorteilhaft vier Sensoren vorgesehen, bei denen je zwei hinsichtlich der Welle gegenüberliegende Sensoren elektrisch zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Besonders vorteilhaft sind nach Anspruch 6 die vier Sensoren so angeordnet, dass die Verbindungslinien der jeweils gegenüberliegenden Sensoren orthogonal zueinander sind.
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Als vorteilhaft zum Erzeugen einer unterschiedlichen Induktivitätsänderung bei radialer Verschiebung der Welle in den Sensorspulen erweist es sich, wenn nach Anspruch 4 eine der Sensorspulen eines Sensors einen geringeren Abstand zu der Welle aufweist als die zumindest eine andere benachbarte Sensorspule. Durch Differenz-Auswertung der gegenläufigen Induktivitätsänderung der Sensorspulen gegenüber einander kann vorteilhaft das Messergebnis linearisiert werden.
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Vorzugsweise erfolgt eine Ansteuerung der Radialsensoren oder Axialsensoren nach Anspruch 9 mit Rechteckimpulspaketen oder einer Rechteckspannung, welche mittels getakteter Vollbrücke generiert wird. Vorwiderstände werden hierbei nicht benötigt. Dabei wird nach Anspruch 10 die Rechteckspannung so gewählt, dass die halbe Periodendauer der Rechteckspannung und/oder der Rechteckimpulspakete klein gegenüber der elektrischen Zeitkonstanten der Sensorspulen ist. Alternativ zur Rechteckspannung kann nach Anspruch 11 eine sinusförmige Spannung als Ansteuerspannung vorgesehen sein. Allerdings kann eine Rechteckspannung einfacher und kostengünstiger bereitgestellt werden. Weiterhin ist zur Erzeugung einer Rechteckspannung ein geringerer Energiebedarf erforderlich als für eine sinusförmige Spannung. Vorzugsweise weist die Vollbrücke zum Generieren der Rechteckspannung eine Einrichtung zum Takten auf, da hierüber die Rechteckspannung einfach erzeugt werden kann.
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Die Sensoranordnung kann nach Anspruch 5 in einer Ausführungsform drei Sensoren umfassen, die gleichmäßig über den Umfang der Welle verteilt angeordnet sind, das heißt in einem Winkel von 120° zueinander. Bei Vorsehen von sechs Sensorspulen der drei Sensoren sind diese bevorzugt nach Anspruch 7 elektrisch zu einer Dreiphasenbrücke, die dann ebenfalls eine Vollbrücke darstellt, zusammengeschaltet.
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Bei Vorsehen zumindest eines Axialsensors zur axialen Positionsmessung sind die Sensorspulen bevorzugt nach Anspruch 14 so angeordnet, dass zum Reduzieren des Streufeldes der Anordnung die Stromflussrichtung des ersten Sensorspulenpaares umgekehrt zur Stromflussrichtung des benachbarten zweiten Sensorspulenpaares ist. Bei Vorliegen von hochfrequenten stark magnetischen Störsignalen ist die Welle außerdem vorzugsweise nach Anspruch 15 eine elektrisch leitfähige, magnetisch im Wesentlichen nicht leitfähige Welle. Außerdem induzieren aus einer magnetisch gestörten Umgebung herrührende weitgehend homogene Störflüsse in den Sensorspulen annähernd gleiche Störspannungen, die durch die Vollbrückenschaltung in ihrer Wirkung aufgehoben werden können.
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Anstelle einer Abtastung der Welle direkt kann alternativ nach Anspruch 16 eine die Welle umgebende zylindrische Buchse vorgesehen sein, die zum Erfassen der Position der Welle abtastbar ist. Die zylindrische Buchse kann nach Anspruch 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Aluminium bestehen. Sie kann außerdem beziehungsweise alternativ nach Anspruch 18 auf die Welle, insbesondere eine Stahlwelle auf schrumpfbar sein. Außerdem kann ein magnetisch oder elektrisch leitfähiger Abschirmbecher zum Anordnen der Radialsensoren oder Axialsensoren in dem Abschirmbecher vorgesehen sein. Der Abschirmbecher ist vorteilhaft als mit einem Boden versehener Becher und/oder als bodenloser Ring und/oder mit oder als Flanschelement, insbesondere als Befestigungsflansch zum Befestigen des oder der Axialsensoren in der Umgebung der Welle oder in einer anderen sich konzentrisch um die Sensoren erstreckenden Form ausgebildet. Der Abschirmbecher dient zum Abschirmen der Spulen nach außen gegenüber der Umgebung. Er kann mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet sein. Aufgrund seines mehrteiligen Aufbaus ist eine einfache Montage möglich, da beide Teile leicht auf den Spulenkörper auf geschoben werden können. Zum Abgleichen eines Offsets des Positionssignales eines Radialsensors oder Axialsensors kann vorteilhaft der Abschirmbecher verschiebbar gelagert sein. Vorzugsweise besteht der Abschirmbecher bei einem Axialsensor zum Bewirken einer hochfrequent magnetischen Kapselung der Messanordnung aus dem gleichen Material wie die Welle beziehungsweise die zylindrische Buchse.
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Bei Vorsehen zumindest eines Axialsensors ist vorteilhaft nach Anspruch 24 zumindest eine Einrichtung, die bei einer elektrisch leitfähigen Welle gegenüber den Sensorspulen als Kurzschlusswicklung und/oder bei einer magnetisch leitfähigen Welle als verschiebbarer Eisenkern wirkt, vorgesehen. Die zumindest eine Einrichtung kann nach Anspruch 25 Nuten, insbesondere drei Nuten umfassen mit dazwischen angeordneten schmalen Scheiben aus Wellenmaterial. Zwischen den jeweiligen Sensorspulen befindet sich je eine schmale Scheibe aus Wellenmaterial, welche im Falle einer elektrisch leitfähigen Welle gegenüber den Sensorspulen als Kurzschlusswicklung wirkt, da bei Bewegung einer elektrisch leitfähigen Welle in den benachbarten zu einem Sensorpaar verschalteten Einzelspulen eine gegenläufige Induktivitätsänderung entsteht.
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Wie weiter oben erwähnt ist erfindungsgemäß ein Spulenkörper zum Aufnehmen der zumindest zwei Einzel-Sensorspulen vorgesehen. Der Spulenkörper ist dabei nach Anspruch 26 vorteilhaft so ausgebildet, dass die Sensorspulen durch Wandungen voneinander getrennt sind.
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Vorteilhaft umfasst vorteilhaft die Anordnung nach Anspruch 34 zumindest eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der Radial- und/oder Axialsensoren und zumindest eine Auswerteschaltung zum Auswerten der Sensoren. Das Ausgangssignal. der Auswerteschaltung ist eine zur Position der Welle proportionale Gleichspannung, die leicht in ein digitales Format überführt werden kann, um zur weiteren Verarbeitung beziehungsweise Anzeige zur Verfügung zu stehen. Vorzugsweise ist nach den Ansprüchen 40, 41 eine Klemmschaltung für die Sensorauswertung vorgesehen. Eine solche ist prinzipiell aus der Fernsehtechnik bekannt und dient dort zur Wiedergewinnung der nicht übertragenen Gleichspannungskomponente eines Videosignales. Erfindungsgemäß wird diese Schaltungstechnik der Klemmschaltung zur Demodulation im Sinne einer Synchrongleichrichtung des Sensorsignales verwendet. Für die Sensorauswertung werden bevorzugt Frequenzbereiche verwendet, in welchen das Pulsweitenmodulations(PWM)-Störsignal die kleinste spektrale Leistungsdichte aufweist.
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Vorteilhaft ist zur Dämpfung von Schwingungen der Welle der Radialsensor als Geschwindigkeits- und Positionssensor ausgebildet, so dass zusätzlich zum Positionssignal ein Geschwindigkeitssignal erfassbar ist. Zur Dämpfung von radialen Schwingungen der Welle ist es günstig, für die Regelung der radialen Freiheitsgrade der Welle zusätzlich zum Positionssignal ein Geschwindigkeitssignal zur Verfügung zu haben, um die mit einer Differentiation des Positionssignales einhergehenden Probleme zu vermeiden. Daher erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Radialsensor in der Lage ist, zusätzlich die radiale Geschwindigkeit der Welle zu liefern. Vorzugsweise ist eine gemeinsame Leitung zur Übertragung des Positions- und des Geschwindigkeitssignales vorgesehen. Zu diesem Zweck ist an jedem Radialsensor ein Permanentmagnet vorgesehen, der ein statisches Magnetfeld liefert. Der Permanentmagnet ist vorteilhaft bezüglich der Sensorspulen so angeordnet, dass durch das von diesem ausgehende statische Magnetfeld im Querschnitt der Sensorspulen bei Bewegungen der Welle unterschiedliche Flussänderungen auftreten. Besonders bevorzugt ist dabei der Permanentmagnet konzentrisch axial versetzt hinter den Sensorspulen angeordnet. Durch die Verwendung eines solchen Permanentmagneten können die Radialsensoren dem Positionssignal überlagert das gewünschte radiale Geschwindigkeitssignal ebenfalls liefern. Zur Übertragung des Geschwindigkeitssignales ist kein zusätzlicher Leitungsaufwand erforderlich. Bevorzugt weist die Auswerteschaltung zum Abtrennen des Signales für die radiale Geschwindigkeit der Welle vom Positionssignal eine Verstärkungseinrichtung mit Tiefpassverhalten auf, durch deren Bandbreite die Grenzfrequenz des Geschwindigkeitssignales bestimmt werden kann.
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Der Leistungsbedarf der Ansteuerung der Anordnung ist vorteilhaft gering, da vorzugsweise Freilaufdioden von MOS-FET-Schaltern (Feldeffekttransistoren) innerhalb der Ansteuerschaltung der Anordnung vorgesehen sind, über die eine weitgehende Rückgewinnung der in die Sensoren eingespeisten Energie erfolgt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung zur Positionsmessung einer magnetisch gelagerten Welle nur beispielhaft dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht durch eine magnetisch gelagerte Welle mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Positionsmessung in einer ersten Ausführungsform, wobei vier orthogonal zueinander angeordnete Radialsensoren vorgesehen sind;
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2 eine seitliche Querschnittsansicht einer magnetisch gelagerten Welle mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Positionsmessung in einer zweiten Ausführungsform, wobei ein Axialsensor vorgesehen ist;
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3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schaltung zur Sensoransteuerung und Sensorauswertung;
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4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Auswerteschaltung;
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5 eine Querschnittsansicht durch eine magnetisch gelagerte Welle mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Positionsmessung in einer dritten Ausführungsform, wobei eine dreiphasige Radialsensoranordnung vorgesehen ist;
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6 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schaltung zur Sensorauswertung bei der dreiphasigen Radialsensoranordnung gemäß 5;
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7 eine Querschnittsansicht durch eine magnetisch gelagerte Welle mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Positionsmessung in einer vierten Ausführungsform, wobei zusätzlich ein Permanentmagnet vorgesehen ist, um zusätzlich zum Positionssignal ein Signal für die radiale Geschwindigkeit der Welle zu liefern;
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8 eine Draufsicht auf eine Schaltung zur Sensorauswertung bei der Anordnung gemäß 7, mit welcher das Signal für die radiale Geschwindigkeit der Welle vom Positionssignal getrennt werden kann.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht zweier Radialsensoren (40), welche benachbart zu einer Welle (1) angeordnet sind und welche die radiale Position der elektrisch oder magnetisch leitfähigen Welle (1) messen können. 90° verdreht zu diesen Radialsensoren sind zwei weitere Radialsensoren (39) an der Welle (1) angeordnet, welche die Position in der orthogonalen Richtung messen können. Diese sind aus Übersichtsgründen nur angedeutet.
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Die auf einem Spulenkörper (2) angebrachten Sensorspulen (3, 4) sind elektrisch in Reihe geschaltet, haben gleiche Windungszahlen und werden von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen, welcher aufgrund der angelegten Spannung dreieckförmig ist. Die momentane Stromrichtung des Wechselstromes ist in beiden Sensorspulen (3, 4) gleich. Der in 1 gezeigte Punkt bedeutet in bekannter Weise einen Stromfluss aus der Zeichenebene heraus, das Kreuz bedeutet einen Stromfluss in die Zeichenebene hinein.
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Bei Annäherung einer elektrisch leitfähigen Welle (1) sinkt die Induktivität der Sensorspulen (3, 4) aufgrund der in der Welle induzierten Wirbelströme ab. Andererseits steigt die Induktivität der Sensorspulen (3, 4) bei Annäherung einer magnetisch leitfähigen Welle (1) aufgrund des kleineren magnetischen Widerstandes an. Die Induktivitätsänderung der Sensorspule (4) ist aufgrund des kleineren Abstandes zur Welle (1) sehr viel stärker als die Induktivitätsänderung der weiter von der Welle entfernten Sensorspule (3).
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Die thermisch bedingte Widerstandsänderung in Sensorspule (3) und Sensorspule (4) ist aufgrund der guten thermischen Kopplung, also unter anderem der dicht benachbarten, jedoch durch einen Spulenkörper (2) mit Zwischenwandungen (70) getrennten Anordnung etwa gleich.
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Aus einer magnetisch gestörten Umgebung herrührende weitgehend homogene Störflüsse induzieren in den Sensorspulen (3 und 4) annähernd gleiche Störspannungen. Bei hochfrequent magnetisch stark gestörter Umgebung ist die Verwendung einer elektrisch leitfähigen, magnetisch jedoch nicht leitfähigen Welle vorteilhaft. Statt direkt auf die Welle kann auch auf eine auf die Welle angebrachte zylindrische Buchse gemessen werden. Eine solche ist in 1 jedoch nicht gezeigt.
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Die vorstehend genannten Vorgänge können gegenläufig auch in den auf einem weiteren Spulenkörper (7) angebrachten Sensorspulen (5, 6) eines zweiten Sensors (40), der auf der gegenüberliegenden Seite der Welle (1) angeordnet ist, beobachtet werden. Die Differenz-Auswertung der aufgrund der einander gegenüberliegenden Anordnung gegenläufigen Induktivitätsänderung der Sensorspulen (3, 4) gegenüber den Sensorspulen (5, 6) linearisiert das Messergebnis.
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Optional können die Radialsensoren in einen magnetisch oder elektrisch leitfähigen Abschirmbecher (22) gesetzt werden, wie er in 1 ebenfalls gezeigt ist. Dieser kann alternativ auch als Ring, also ohne Boden, oder als Flansch oder mit einem Flansch versehen ausgeführt werden. Dieser schirmt hochfrequent magnetische Streufelder ab, welche bei nicht vollständiger Symmetrie zu einer Störeinkopplung führen können. Zusätzlich ist, falls erforderlich, durch eine leichte Verschiebung des Abschirmbechers oder Ringes (22) ein Offset-Abgleich des Positionssignales eines Radialsensors möglich.
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2 zeigt einen Axialsensor (44) in seitlicher Querschnittsansicht, welcher die axiale Position der elektrisch oder magnetisch leitfähigen Welle (1) messen kann. Die auf einem Spulenkörper (23) aufgebrachten Sensorspulen (3, 4) sind elektrisch in Reihe geschaltet, ebenso wie die Sensorspulen (5, 6), haben gleiche Windungszahlen und werden von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen, welcher aufgrund der angelegten Spannung dreieckförmig ist. Die momentane Stromrichtung ist in beiden Sensorspulen (3, 4) beziehungsweise (5, 6) gleich. Auch hier bedeutet der Punkt wiederum einen Stromfluss aus der Zeichenebene heraus, das Kreuz einen Stromfluss in die Zeichenebene hinein. Bei den Sensorspulen (5, 6) ist die Stromflussrichtung vorteilhaft umgekehrt zur Stromflussrichtung der Sensorspulen (3, 4), um das Streufeld der Gesamtanordnung zu reduzieren. Die Sensorspulen (3, 4 und 5, 6) sind jeweils in Spalten (230) des Spulenkörpers angeordnet, wobei zwischen ihnen stets eine Wandung (231) des Spulenkörpers (23) angeordnet ist.
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Die Welle (1) selbst ist mit drei Nuten (101) versehen. Zwischen den Ebenen der Sensorspulen (3 und 4) sowie zwischen den Ebenen der Sensorspulen (5 und 6) ist jeweils eine schmale Scheibe (100) aus Wellenmaterial angeordnet, welche im Falle einer elektrisch leitfähigen Welle gegenüber den Sensorspulen (3, 4, 5, 6) als Kurzschlusswicklung wirkt.
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Bei Bewegung einer elektrisch leitfähigen Welle (1) beispielsweise nach rechts werden aufgrund der Gegeninduktivität der Scheiben die Induktivitäten der ersten und dritten Sensorspulen (3 und 5) ansteigen und die Induktivitäten der zweiten und vierten Sensorspulen (4 und 6) kleiner werden. Im Falle einer magnetisch leitfähigen Welle wirken die Scheiben wie ein verschiebbarer Eisenkern. Hier erfolgen die Induktivitätsänderungen in umgekehrter Richtung.
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Die thermisch bedingte Widerstandsänderung in Sensorspule (3) und Sensorspule (4) ist aufgrund der guten thermischen Kopplung durch Vorsehen der Spulen in den Spalten des Spulenkörpers benachbart zueinander etwa gleich; das Gleiche gilt für die Sensorspulen (5 und 6).
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Aus einer magnetisch gestörten Umgebung herrührende Störflüsse induzieren in den Sensorspulen (3 und 4) annähernd gleiche Störspannungen, das Gleiche gilt für die Sensorspulen (5 und 6). Ein Abschirmbecher (21) ist in dieser Ausführungsform zweiteilig ausgeführt und besteht aus dem gleichen Material wie die Welle. Er bewirkt in Verbindung mit der Welle (1) eine hochfrequent magnetisch vollständige Kapselung des zur Messung vorgesehenen Sensors. Dadurch wird die Messanordnung unempfindlich gegenüber Metallteilen in der Umgebung sowie deren eventueller Bewegung. Zusätzlich wird, sofern die Welle elektrisch leitfähig ist, die Empfindlichkeit gegenüber hochfrequent magnetischen Störfeldern herabgesetzt. Bei hochfrequent magnetisch stark gestörter Umgebung ist die Verwendung einer elektrisch leitfähigen, magnetisch jedoch nicht leitfähigen Welle vorteilhaft. Optional kann der Abschirmbecher (21) ganz oder teilweise zum Abgleich des Sensor-Offsets axial verschiebbar gelagert sein.
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Der Abschirmbecher (21) kann alternativ zu der in 2 gezeigten Ausführungsform als Befestigungsflansch ausgebildet werden. Bei unkritischen Messaufgaben kann auf den Abschirmbecher (21) auch völlig verzichtet werden.
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Wie bereits bei den Radialsensoren gemäß 1 kann auch bei dem Axialsensor statt direkt auf die Welle auf eine auf die Welle angebrachte zylindrische Buchse mit entsprechend an die Welle angepasster Geometrie gemessen werden.
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3 zeigt beispielhaft eine zur Ansteuerung der Radialsensoren gemäß 1 oder des Axialsensors gemäß 2 geeignete Ansteuerschaltung (50). Eine aus vier MOS-FET-Transistoren (8) gebildete Vollbrücke (80) schaltet eine Gleichspannungsquelle (9) mit ständig wechselnder Polarität auf eine geschirmte und verdrillte Leitung (10). Es handelt sich entweder um eine durchlaufende Rechteckspannung oder um rechteckförmige Impulspakete (Bursts). Die halbe Periodendauer der Rechteckspannung beziehungsweise der Impulspakete ist klein gegenüber der elektrischen Zeitkonstanten der Sensorspulen (3, 4, 5, 6), deren Verlustwiderstände hier nicht dargestellt sind. Die Verwendung einer Vollbrücke zur Speisung der Sensoren ist vorteilhaft, da das mittlere Potential der Leitung (10) gegen Erde konstant bleibt.
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Am anderen Ende der geschirmten und verdrillten Leitung (10) sind ein oder mehrere Sensorkanäle angeschlossen. Es können für eine vollständig aktive Magnetlagerung fünf Sensorkanäle, bestehend aus acht Radialsensoren gemäß 1 und einem Axialsensor gemäß 2 angeschlossen werden. Hier ist nur ein Sensorkanal dargestellt, bestehend aus einem Axialsensor (3, 4, 5, 6) oder zwei orthogonal an der Welle angeordneten Radialsensoren (3, 4 und 5, 6), welche in Vollbrücke (60) geschaltet sind.
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Eine Verschiebung der Welle (1) (vergleiche 1 und 2) aus der Mitte bewirkt eine Unsymmetrie der Vollbrücke (60) und somit die Ausbildung einer Rechteckspannung beziehungsweise die Ausbildung von Impulspaketen am Eingang der Auswerteschaltung (12). In den Sensorspulen (3, 4, 5, 6) fließen näherungsweise dreieckförmige Ströme.
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Störeinkopplungen in die Sensorspulen (beispielsweise in die Sensorspulen (3, 4)) aufgrund von hochfrequent-magnetischen Störflüssen sind aufgrund der Geometrie der Anordnung etwa gleich. Aufgrund dessen wird sich das Potential am Verbindungspunkt (61) zwischen Sensorspule (3) und Sensorspule (4) nicht ändern. Lediglich die an der Reihenschaltung von Sensorspule (3 und 4) anliegende rechteckförmige Versorgungsspannung wird von der Störspannung geringfügig amplitudenmoduliert. Bei abgeglichener Vollbrücke (60) wird sich diese Modulation nicht auf das Nutzsignal auswirken. Bei verstimmter Vollbrücke (60) wird die Auswirkung sehr gering sein, weil die Störspannung sehr klein gegenüber der rechteckförmigen Versorgungsspannung ist. Die gleichen Verhältnisse ergeben sich hinsichtlich einer Störeinkopplung in die Sensorspulen (5, 6).
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Fertigungstoleranzen des aus den Sensorspulen (3, 4) gebildeten Sensors gegenüber dem eventuell in einem anderen Fertigungslos gefertigten aus den Sensorspulen (5, 6) gebildeten Sensor führen nicht zu einer Offsetverschiebung des Nutzsignales, da das Potential der Sensorausgänge sich nicht ändert. Vorteilhaft sind die Induktivitäten der Wicklungen innerhalb eines Sensors möglichst gleich. Dieses ist leicht realisierbar, da die Wicklungen im gleichen Arbeitsgang aufgebracht werden können.
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Das Nutzsignal wird über die zwischen der Vollbrücke (60) und der Auswerteschaltung (12) vorgesehene geschirmte und verdrillte Leitung (10) übertragen, wobei die Widerstände (11) zur Entkopplung dienen, um zum Beispiel den mit der Leitungskapazität gebildeten Schwingkreis zu dämpfen. Vorteilhaft sind alle Adern der Leitung (10) in einem einzigen geschirmten Kabel geführt, wobei sich die Ansteuerschaltung (50) und die Auswerteschaltung (12) an dem einen Kabelende befinden, während die Sensorspulen (3, 4, 5, 6) aller Sensorkanäle am anderen Kabelende angeschlossen sind. Am Ausgang der Auswerteschaltung (12) steht eine zur Position der Welle proportionale Gleichspannung (13) zur Verfügung, welche durch Abtastung und Analog/Digitalwandlung (29) in ein digitales Format überführt werden kann.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Auswerteschaltung (12), bei dem ein Differenzverstärker (14) kapazitiv angekoppelt ist, um das mittlere Potential der Leitung (10), welches gleich der halben Versorgungsspannung an der Gleichspannungsquelle (9) ist, abzutrennen. Da das mittlere Potential an den beiden Eingängen konstant ist, findet vorteilhafterweise keine Gleichtaktaussteuerung des Differenzverstärkers (14) statt.
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Ein aus Bauteilen (15, 16, 17, 18, 19) gebildeter Synchrongleichrichter richtet die verstärkte Rechteckspannung (beziehungsweise alternativ die Impulspakete) gleich. Ein Tiefpassfilter (20) bildet hierüber einen Mittelwert. Am Ausgang (13) der Auswerteeinrichtung (12) steht eine zur Position der Welle proportionale Gleichspannung zur Verfügung.
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Alternativ kann für die Gleichrichtung auch ein Synchrongleichrichter nach Stand der Technik (aufgebaut beispielsweise mit Phasenwender oder Ringmodulator) eingesetzt werden.
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Alternativ kann anstelle des Tiefpassfilters (20) auch ein Integrator vorgesehen sein, wenn keine große Messbandbreite gefordert wird. Die gleichgerichtete Rechteckspannung wird hierzu eine gewisse Zeit aufintegriert, dann schließlich abgetastet und anschließend der Integrator gelöscht. So kann eine sehr große Empfindlichkeit bei gleichzeitig großem Störabstand erreicht werden.
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Nachfolgend soll die Funktion des aus den Bauteilen (15, 16, 17, 18, 19) gebildeten Synchrongleichrichters erläutert werden: Analog-Schalter (17 und 18) werden wechselweise synchron zur Ausgangsspannung der Vollbrücke (80), nachfolgend Sensor-Versorgungsspannung genannt, geschlossen. Der Wechsel der Schalterstellungen erfolgt an den Flanken der Sensor-Versorgungsspannung. Es ist immer nur einer der Schalter geschlossen, der andere geöffnet.
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Angenommen wird zunächst, dass der Plusausgang des Differenzverstärkers (14) positiv gegenüber dem Minusausgang von diesem ist. Der Schalter (18) ist dann geöffnet und die Ausgangsspannung eines Summierers (19) positiv (identisch zur Spannung am Schalter (18)). Ein unterer Klemmkondensator (16) lädt sich nun über den geschlossenen Schalter (17) und einen unteren Klemmwiderstand (15) auf die negative Spannung am Minusausgang des Differenzverstärkers (14) auf. Die Umladezeitkonstante ist klein gegenüber der halben Periodendauer der Sensor-Versorgungsspannung.
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Sobald sich die Polarität der Sensor-Versorgungsspannung ändert, wird der Schalter (18) geschlossen und der Schalter (17) geöffnet. Die Spannung am Minusausgang des Differenzverstärkers (14) ändert ihr Vorzeichen. Es entsteht ein Spannungssprung in positiver Richtung am geöffneten Schalter (17) in Höhe des doppelten Spitzenwertes der gegen Masse gemessenen Ausgangsspannung des Minusausganges des Differenzverstärkers (14).
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Die Spannung am Schalter (17) erscheint am Ausgang des Summierers (19). Es ergibt sich demnach eine Gleichrichtung synchron zur Sensor-Versorgungsspannung mit Spannungsverdopplung. Währendessen lädt sich der obere Klemmkondensator (16) über den geschlossenen Schalter (18) und den oberen Klemmwiderstand (15) auf die Spannung am Plusausgang des Differenzverstärkers (14) mit kleiner Zeitkonstante um.
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Bei einem erneuten Wechsel der Polarität der Sensor-Versorgungsspannung erscheint am nun geöffneten Schalter (18) ebenfalls ein Spannungssprung in positiver Richtung, ebenfalls mit Spannungsverdopplung. Bei Änderung der Position der Welle (1) ändert sich die Höhe der Spannungssprünge. Bei Verschiebung über die Mitte hinaus ergeben sich an den Schaltern (17, 18) Rechteckspannungen in negativer Richtung, welche ebenfalls im Summierer (19) überlagert werden, diesmal jedoch zu einer negativen Ausgangs-Gleichspannung.
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Wesentlicher Vorteil der Synchrongleichrichtung mittels Klemmschaltung gegenüber einer Synchrongleichrichtung nach Stand der Technik (aufgebaut beispielsweise mit Phasenwender oder Ringmodulator) ist die bessere Störunterdrückung gegenüber niederfrequenten Störspannungen. Niederfrequente Störspannungen mit einer Frequenz, die klein gegenüber der Frequenz der Sensor-Versorgungsspannung ist, können zum Beispiel von einem in der Nähe rotierenden Motormagneten in den Sensoren induziert werden. Auch ein Restmagnetismus auf einer rotierenden Welle (1) kann eine Ursache sein. Schließlich können die Spulen der Sensoren und besonders deren Zuleitungen aus fertigungstechnischen Gründen nicht völlig symmetrisch aufgebaut werden. Eine elektrisch leitfähige Abschirmung durch Abschirmbecher (21 beziehungsweise 22) ist nämlich für niederfrequent magnetische Streufelder nicht wirksam.
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Ein Synchrongleichrichter nach Stand der Technik wandelt solche niederfrequenten Störspannungen in eine sensorfrequente Störwelligkeit gleicher Amplitude um. Dieses sensorfrequente Störsignal wird vom nachfolgenden Filter im Idealfall vollständig ausgefiltert. Unsymmetrien im Synchrondemodulator oder dessen Ansteuerung bewirken jedoch, dass die Störungsunterdrückung real nicht vollständig gewährleistet ist.
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Demgegenüber eliminiert ein Synchrongleichrichter mittels Klemmschaltung niederfrequente Störspannungen nahezu vollständig noch vor dem Tiefpassfilter (20), da sie in den Klemmkondensatoren (16) vom Signal subtrahiert werden. Die Störspannungen dürfen bei entsprechendem Aussteuerbereich des Differenzverstärkers (14) ein Vielfaches des Nutzsignales betragen. Eine aufwändige Auslegung des Differenzverstärkers (14) als Hochpassfilter ist daher nicht erforderlich. Für die Schalter (17, 18) können kostengünstige CMOS-Analogschalter verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil der Klemmschaltung ist es, dass die Bezugsmasse hinter den Klemmkondensatoren ein völlig anderes Potential haben kann (zum Beispiel halbe Referenzspannung eines nachfolgenden Analog/Digitalwandlers) als die Bezugsmasse (zum Beispiel Schaltungsmasse) des Differenzverstärkers (14), da der Potentialunterschied wie eine Störspannung an den Klemmkondensatoren vom Signal subtrahiert wird.
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Störeinkopplungen mit einer Störfrequenz in der Nähe der Frequenz der Sensor-Versorgungsspannung und deren ungeraden Vielfachen können aufgrund der Geometrie der Sensoren, wie sie in den 1, 2 und 5 zu sehen ist, geeignete Abschirmmaßnahmen, wie das Vorsehen eines Abschirmbechers (21 beziehungsweise 22) oder eines besonders ausgestalteten Spulenkörpers (23), wie in den 1, 2 und 5 zu sehen, und geeignete Zuleitungen zu den Sensoren, zum Beispiel verdrillte Adernpaare, Kabelschirm und so weiter minimiert werden.
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5 zeigt eine dreiphasige Variante der Sensoranordnung nach 1. In 1 sind vier Sensoren (39, 40) um die Welle (1) herum angeordnet, wovon zwei nur angedeutet sind. Gemäß 5 kommt man bei Zugeständnissen an die Linearität mit nur drei Radialsensoren (41, 42, 43) zur Erfassung der radialen Wellenposition aus. Der Radialsensor (41) umfasst dabei in einem Spulenkörper angeordnete Sensorspulen (30, 31), der Radialsensor (42) entsprechend angeordnete Sensorspulen (32, 33) und der Radialsensor (43) entsprechend angeordnete Sensorspulen (34, 35). Alle Radialsensoren können wiederum einen Abschirmbecher (22) aufweisen. Die Auswertung der Anordnung zur Positionsmessung erfolgt wie zu 6 nachfolgend kurz beschrieben.
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6 zeigt eine Auswerteschaltung für die dreiphasige Variante einer Sensoranordnung gemäß 5. Die Vollbrücke (90) umfasst nun die sechs Sensorspulen (30 bis 35). Es sind zwei Auswerteeinrichtungen (12) und mit diesen verbunden zwei Analog/Digital-Wandler (29) mit der dreiphasigen Vollbrücke (90) vorgesehen. Die Analog/Digital-Wandler (29) liefern die Differenzsignale zweier Phasen. Die orthogonalen Koordinaten der Wellenposition werden mittels Koordinatentransformation in einem in 6 nicht dargestellten Digitalrechner ermittelt.
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7 zeigt eine Variante der Radialsensoren gemäß 1, welche in der Lage ist, zusätzlich zum Positionssignal ein Signal für die radiale Geschwindigkeit der Welle (1) zu liefern. Dieses Signal kann zusammen mit dem Positionssignal über die gleiche Leitung übertragen werden. Neu hinzugekommen ist gegenüber der Ausführungsform nach 1 ein Permanentmagnet (36), welcher die Sensorspulen (3, 4) sowie die Sensorspulen (5, 6) einem jeweiligen statischen Magnetfeld aussetzt. Dieses Magnetfeld wird bei Bewegung der elektrisch oder vorteilhaft magnetisch leitfähigen Welle (1) in seiner Geometrie verändert. Die Anordnung des Permanentmagneten (36) wird so gewählt, dass sich im Querschnitt von Spule (3 und 4) beziehungsweise (5 und 6) unterschiedliche Flussänderungen ergeben.
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Beispielhaft befindet sich hier der Permanentmagnet (36) konzentrisch axial versetzt hinter den Spulen (3 und 4) beziehungsweise (5 und 6), wobei die Magnetisierungsrichtung in Form eines Pfeiles angegeben ist. Bei Bewegung der Welle (1) werden in den Spulen (3 und 4) beziehungsweise (5 und 6) unterschiedliche Spannungen induziert. Die Spannungshöhe ist bei magnetisch leitfähiger Welle der Geschwindigkeit der Welle (1) proportional. Mit dieser Anordnung kann zusätzlich zu dem Positionssignal ein radiales Geschwindigkeitssignal der Welle bestimmt werden.
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8 zeigt eine Variante der Auswerteschaltung (12) gemäß 4, welche in der Lage ist, das Signal für die radiale Geschwindigkeit der Welle (1) vom Positionssignal zu trennen. Zusätzlich ist hier ein Differenzverstärker (37) mit Tiefpassverhalten vorgesehen und mit der Leitung zur Auswerteschaltung (12) verbunden. Die Bandbreite des Verstärkers (37) bestimmt die Grenzfrequenz des radialen Geschwindigkeitssignales, welches an einem Ausgang (38) des Verstärkers (37) als Spannung zur Verfügung steht. Es kann nachfolgend digital gewandelt werden, was jedoch in 8 nicht dargestellt ist. Die benötigte Bandbreite des Geschwindigkeitssignales ist sehr viel kleiner als die Frequenz der Sensor-Versorgungsspannung. Die Weiterleitung des Geschwindigkeitssignales in den Ausgang (13) des Tiefpassfilters wird aus diesem Grunde vom Synchrongleichrichter, enthaltend die Klemmwiderstände (15), Klemmkondensatoren (16), Klemmschalter (17 und 18), verhindert.
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Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren dargestellten Anordnungen zur Positionsmessung an einer magnetgelagerten Welle können noch zahlreiche andere vorgesehen werden, bei denen jeweils zwei oder mehr Radialsensoren und/oder zumindest ein Axialsensor vorgesehen sind, die Einzel-Sensorspulen enthalten, wobei diese jeweils zu zweit elektrisch in Reihe geschaltet und zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet sind. Insbesondere können auch beliebige Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen werden, zum Beispiel auch Kombinationen von Radial- und Axialsensoren zur Messung an einer Welle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle, elektrisch oder magnetisch leitfähig
- 2
- Spulenkörper
- 3
- Sensorspule, links oben in der Vollbrücke angeordnet
- 4
- Sensorspule, links unten in der Vollbrücke angeordnet
- 5
- Sensorspule, rechts unten in der Vollbrücke angeordnet
- 6
- Sensorspule, rechts oben in der Vollbrücke angeordnet
- 7
- Spulenkörper
- 8
- MOSFET-Transistoren der Sensor-Endstufe
- 9
- Gleichspannungsquelle
- 10
- Leitung, verdrillt, geschirmt
- 11
- Widerstände zur Entkopplung
- 12
- Auswerteschaltung
- 13
- Ausgangsspannung für die Wellenposition
- 14
- Differenzverstärker mit Differenzausgängen, kapazitiv angekoppelt
- 15
- Klemmwiderstand
- 16
- Klemmkondensator
- 17
- Klemmschalter für positive Halbwelle
- 18
- Klemmschalter für negative Halbwelle
- 19
- Summierer
- 20
- Tiefpassfilter oder alternativ Summationsintegrator
- 21
- Abschirmbecher zweiteilig, elektrisch oder magnetisch leitfähig
- 22
- Abschirmbecher, elektrisch oder magnetisch leitfähig
- 23
- Spulenkörper
- 29
- Analog/Digitalwandler
- 30
- Sensorspule Phase U wellenseitig
- 31
- Sensorspule Phase U außen
- 32
- Sensorspule Phase V wellenseitig
- 33
- Sensorspule Phase V außen
- 34
- Sensorspule Phase W wellenseitig
- 35
- Sensorspule Phase W außen
- 36
- Permanentmagnet
- 37
- Verstärker mit Tiefpassverhalten
- 38
- Ausgangsspannung für die Wellengeschwindigkeit
- 39
- Radialsensor
- 40
- Radialsensor
- 41
- Radialsensor
- 42
- Radialsensor
- 43
- Radialsensor
- 44
- Axialsensor
- 50
- Ansteuerschaltung
- 60
- Vollbrücke der Sensorspulen
- 61
- Verbindungspunkt
- 70
- Zwischenwandung
- 80
- Vollbrücke der Ansteuerschaltung
- 90
- Vollbrücke, dreiphasig
- 100
- Scheibe
- 101
- Nut
- 230
- Spalt
- 231
- Wandung
