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Stand der Technik
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Für
die Messung der Drehzahl von Aufladeeinrichtungen, insbesondere
von Abgasturboladern, ist es bekannt, die durch die rotierende Bewegung des
Verdichterrades durch ein Magnetfeld hervorgerufenen Wirbelströme
zu erfassen.
DE
100 2004 047 116 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur berührungslosen Drehzahlmessung. Gemäß dieser
Lösung wird vorgeschlagen, einen zur berührungslosen
Drehzahlmessung geeigneten, nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden
Näherungssensor einzusetzen, wobei der Näherungssensor
eine Induktivität und eine parallel geschaltete Kapazität
umfasst. Diese bilden einen von außen erregbaren Schwingkreis,
wobei die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises bei Annäherung
eines Messobjektes an den Näherungssensor eine nachweisbare Änderung
erfährt. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und/oder
die Eigenfrequenz desselben wird derart beeinflusst, dass der Schwingkreis stets
mit seiner Resonanzfrequenz oder mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz
angeregt wird.
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Es
ist ebenfalls bekannt, ein konstantes magnetisches Feld mit einem
Permanentmagneten in Nähe des Verdichterrades zu erzeugen
und die entstehenden Wirbelströme in den Verdichterschaufeln indirekt
auszuwerten. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „indirekt",
dass der sich ändernde Wirbelstrom in den Verdichterschaufeln
ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. So ist zum Beispiel aus
DE 196 23 236 A1 bekannt,
eine Spule als Sensor einzusetzen, in der durch das wechselnde Magnetfeld
eine Wechselspannung induziert wird, deren Frequenz gleich dem Produkt
aus Verdichterdrehzahl und Anzahl der Verdichterschaufeln ist. Das
aus
DE 196 23 236
A1 bekannte Verfahren bezieht sich auf die Messung der
Bewegung eines Teiles innerhalb eines Innenraums eines Gehäuses
und nahe an der Innenoberfläche einer Gehäusewand
vorbei, wobei ein im Wesentlichen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung
dieses Teiles wirkendes Permanentmagnetfeld auf den der Innenoberfläche
zugewandten, elektrisch leitenden Bereich des Teiles einwirkt und
beim Vorbeibewegen des Teiles Induktionssignale außerhalb des
Innenraumes gemessen werden. Das Permanentmagnetfeld wird außerhalb
des Innenraumes erzeugt. Die Dicke des Teiles in dem der Innenoberfläche
zugewandten Bereich in Bewegungsrichtung des Teiles ist kleiner
als 10 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm und besonders bevorzugt
kleiner als 0,1 mm.
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US 2005/0017709 A1 bezieht
sich auf den Verdichterteil eines Turboladers und einen diesem zugeordneten
magnetoresistiven Sensor zur Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit
des Verdichterrades. Das Verdichterrad des Turboladers wird aus nicht-ferromagnetischem
Werkstoff gefertigt und umfasst eine Anzahl von Schaufeln. Mittels
eines Permanentmagneten werden Wirbelströme innerhalb der
Schaufeln induziert. Dem aus nicht-ferromagnetischem Werkstoff gefertigten
Verdichterlaufrad ist zumindest ein magnetoresistiver Sensor zugeordnet, der
die Erfassung der sich bei der Rotation des Laufzeugs des Turboladers
einstellenden magnetischen Wechselfelder ermöglicht.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Verwendung eines magnetoresistiven
Sensors für die Anwendung der Steuerung von Brennkraftmaschinen besonders
interessant erscheint. Das zur Detektion der Magnetfelder dienende
sensitive Element, so zum Beispiel ein Hall- oder ein GMR-Element
und eine Auswertelektronik, bilden eine Einheit in Form einer integrierten
Schaltung. Am Ausgang der integrierten Schaltung steht ein Signal
zur Verfügung, das an die Steuerung übertragen
wird. Im Allgemeinen ist ein derartiger Drehzahlgeber dem Verdichterrad
zugeordnet und stellt einen Drehzahlgeber dar, der im Wesentlichen
einen Permanentmagneten und die eigentliche Sensorschaltung umfasst.
Die Sensorschaltung enthält mindestens zwei räumlich
voneinander getrennte magnetoresistive Elemente, die aufgrund ihres
Abstandes zeitversetzt das Magnetfeld einer jeden Verdichterschaufel
des Verdichterrades detektieren. Aus der Differenz der Ausgangssignale
der magnetoresisitiven Elemente ergibt sich ein in seiner Frequenzdrehzahl
proportionales Ausgangssignal.
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Im
Allgemeinen üblich ist die Herstellung einer baulichen
Einheit aus Permanentmagnet und Sensorschaltung als Drehzahlgeber,
der am Gehäuse des Abgasturboladers befestigt wird. Bei
dieser Anordnung ist nachteilig, den Permanentmagneten hinter der
Sensorschaltung zu platzieren. Ein großer Abstand zwischen
dem Permanentmagneten und den Verdichterschaufeln ergibt nur ein
kleines konstantes Feld, in dem sich die Verdichterschaufeln bewegen,
so dass auch nur geringe Wirbelströme erzeugt werden können.
Ein weiterer Nachteil in Form eines Längenzuwachses dieser
Anordnung liegt im Einhalten eines Mindestabstandes zwischen Permanentmagnet
und Sensorschaltung. Dadurch wird vermieden, dass die Kennlinie
eines magnetoresistiven Sensorelementes bereits durch das konstante
Magnetfeld soweit in die Sättigung ausgesteuert wird, dass
eine Erfassung des Wechselfeldes aus der Bewegung der Verdichterschaufeln
nicht mehr aussagekräftig realisiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, eine Drehzahlerfassungseinrichtung zur Erfassung
der Drehzahl des Laufzeuges einer Aufladeeinrichtung, insbesondere
einer als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung, bereitzustellen.
Vorteilhafterweise wird das Gehäuse der bevorzugt als Abgasturbolader
ausgebildeten Aufladeeinrichtung aus einem Kunststoffmaterial spritzgegossen,
was einerseits die an eine derartige Aufladeeinrichtung gestellten
Anforderungen hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit
aufweist, andererseits jedoch einen sehr großen Freiheitsgrad
hinsichtlich der geometrischen Gestaltung und demzufolge ein hohes
Optimierungspotential aufweist. Mittels einer Sensorschaltung, welche mindestens
ein Hall- oder GMR-Element, bevorzugt zwei magnetoresistive Elemente,
enthält, werden durch die einzelnen Schaufelblätter
eines Verdichterlaufrades erzeugte Magnetfelder detektiert. Aus
der Differenz der Ausgangssignale der magnetoresistiven Elemente
ergibt sich ein in seiner Frequenz zur Drehzahl proportionales Ausgangssignal.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, wird das Verdichtergehäuse des der insbesondere
als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung aus Kunststoff gefertigt.
Der mindestens eine Permanentmagnet und die Sensorschaltung können
aufgrund dessen konstruktiv voneinander getrennt werden. Insbesondere
können bei der Fertigung des Gehäuses des Abgasturboladers der
eine oder die mehreren Permanentmagneten in vorteilhafter Weise
bei der Fertigung des Verdichtergehäuses als Einlegeteile
mit dem Kunststoff des Gehäuses umspritzt werden. Wird
der mindestens eine Permanentmagnet bzw. die mindestens zwei im Kunststoffmaterial
des Gehäuses des Verdichterlaufrades der Aufladeeinrichtung
eingespritzten Permanentmagneten so angeordnet, dass sich eine minimale Überdeckung
des mindestens einen Permanentmagneten oder der zwei Permanentmagneten mit
Kunststoffmaterial in Bezug auf die Innenwand des aus Kunststoff
gefertigten Gehäuses der Aufladeeinrichtung ergibt, kann
ein minimaler Abstand zu den jeweiligen Schaufelspitzen der Schaufeln
des Verdichterlaufrades realisiert werden. Die geometrische Anordnung
des mindestens einen, bevorzugt zwei Permanentmagnete bzw. Permanentmagneten wird
in Bezug auf eine in der Wand aus Kunststoffmaterial des Gehäuses
der Aufladeeinrichtung vorgesehene Aufnahme für eine Sensorschaltung
so gewählt, dass ein optimaler Signalverlauf im Sinne maximaler
Signalamplituden in der Sensorschaltung erreicht wird. Dazu wird
in vorteilhafter Weise die Sensorschaltung an der Außenseite
der Wand aus Kunststoffmaterial in einer Ausnehmung aufgenommen,
wobei die Sensorschaltung symmetrisch zu den bevorzugt zwei als
Einlegeteile ausgebildeten, in die Wand aus Kunststoffmaterial eingespritzten
Permanentmagneten angeordnet wird. In vorteilhafter Weise kann der
Drehzahlgeber, der die Sensorschaltung und die beiden magnetoresistiven
Sensorelemente enthält, in einem zylindrischen Gehäuse
untergebracht werden, was die Auswertung und den Signalfluss aufgrund
seiner Symmetrie begünstigt.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
kann insbesondere vermieden werden, dass bei einer Anordnung eines
Permanentmagneten hinter einer Sensorschaltung, d. h. auf der den
Schaufelspitzen, die das Wechselmagnetfeld erzeugen, abgewandten
Seite der Sensorschaltung, nur ein kleines konstantes Feld von den
Verdichterschaufeln erzeugt wird, innerhalb dessen sich die Verdichterschaufeln bewegen,
und damit auch lediglich geringe Wirbelströme erzeugt werden.
Des Weiteren kann durch die räumliche Trennung von dem
mindestens einen Permanentmagneten bzw. den bevorzugt zwei eingesetzten
Permanentmagneten und der Sensorschaltung erreicht werden, dass
der erfin dungsgemäß vorgeschlagene Drehzahlgeber
kürzer baut und mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Anordnung ein Längenzuwachs des Drehzahlgebers vermieden werden
kann. Damit einher geht in vorteilhafter Weise, dass die Kennlinie
der magnetoresistiven Sensorelemente nicht bereits durch das konstante
Magnetfeld und die Sättigung ausgesteuert wird, so dass eine
Erfassung des Wechselfeldes aus der Bewegung der Verdichterschaufeln
nicht mehr erfolgen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt
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1 einen
Drehzahlgeber aus dem Stande der Technik, der einem schematisch
dargestellten Verdichterlaufrad einer als Abgasturbolader beschaffenen
Aufladeeinrichtung zugeordnet ist,
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2 eine
schematische Wiedergabe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Drehzahlerfassungseinrichtung, wobei in dieser Ausführungsform zwei
Permanentmagnete in eine aus Kunststoffmaterial gespritzte Wand
des Gehäuses der Aufladeeinrichtung eingespritzt sind und
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3 einen
Schnittverlauf gemäß der Schnittlinie III-III
gemäß 2.
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Der
Darstellung gemäß 1 ist eine
aus dem Stand der Technik bekannte Ausgestaltung eines Drehzahlgebers
für eine Aufladeeinrichtung, insbesondere einer Aufladeeinrichtung,
die als Abgasturbolader beschaffen ist, zu entnehmen.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass eine insbesondere als Abgasturbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung 10 einen
hier nur schematisch angedeutetes Laufrad 12 umfasst, welches
um eine Achse 14 in Drehrichtung 18 rotiert. Das
Laufrad 12 umfasst eine Anzahl von Verdichterschaufeln 16,
von denen in der Darstellung gemäß 1 lediglich
drei dargstellt sind. Die Schaufelspitzen der Schaufeln 16 bewegen sich
in einem Abstand 24 an einer Sensorschaltung 20 vorbei.
Der in 1 dargestellte Drehzahlgeber umfasst eine Sensorschaltung 20,
der ein Permanentmagnet 22 nachgeschaltet ist. Der sich
ergebende große Abstand zwischen dem Permanentmagneten 22 und
den Spitzen der Schaufeln 16 führt dazu, dass
sich lediglich ein kleines konstantes Magnetfeld einstellt, in dem sich
Schaufeln 16 bewegen, so dass auch nur geringe Wirbelströme
erzeugt werden können. Die in 1 dargestellt
Anordnung hat des Weiteren den Nachteil, dass sich ein Längenzuwachs
des Drehzahlgebers einstellt. Ein weiterer Nachteil der Anordnung
ist das Einhalten eines Mindestabstandes zwischen dem Permanentmagneten 22 und
der Sensorschaltung 20. Durch das Einhalten des Mindestabstandes
wird vermieden, die Kennlinie des magnetoresistiven Sensorelementes
bereits durch das konstante Magnetfeld so weit in die Sättigung
auszusteuern, dass eine Erfassung des Wechselfeldes, welches durch
die Bewegung der Schaufeln 16 des Laufrades 12 induziert
wird, nicht mehr in aussagekräftiger Weise erfolgen kann.
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Ausführungsformen
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In
der Darstellung gemäß 2 ist eine
Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Drehzahlerfassungseinrichtung zu entnehmen.
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Aus 2 geht
hervor, dass ein Gehäuse 30 einer insbesondere
als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung aus einem Kunststoffmaterial im
Wege des Kunststoffspritzgießverfahrens hergestellt wird.
Da an Aufladeeinrichtungen wie Abgasturboladern hohe Temperaturen
auftreten, wird bevorzugt ein Kunststoff gewählt, welcher
eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.
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Aus
der in 2 dargestellten Schnittdarstellung geht hervor,
dass die Aufladeeinrichtung 10 das Laufrad 12 aufweist,
an dessen Umfang eine Anzahl von Schaufeln 16 angeordnet
sind. Die Spitze der Schaufel 16 ist durch Bezugszeichen 40 identifiziert.
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Unter
Ausbildung eines minimalen Abstandes 38 rotiert die Schaufelspitze 40 der
Schaufel 16 des Laufrades 12 eines Verdichterteils
eines Abgasturboladers entlang einer Innenseite 34 der
aus Kunststoffmaterial gefertigten Kunststoffwand 32 des Gehäuses 30.
An der der Innenseite 34 der Kunststoffwand 32 gegenüberliegenden
Außenseite 36 des Gehäuses 30 befindet
sich eine Aufnahme 42, in welche ein Drehzahlgeber 44 eingelassen
ist.
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Aufgrund
der Fertigung der Kunststoffwand 32 des Gehäuses 30 der
Aufladeeinrichtung 10 aus Kunststoffmaterial kann eine
räumliche Trennung des mindestens einen Permanentmagneten,
bevorzugt der mindestens zwei Permanentmagneten 52, 54,
von der Sensorschaltung 20 und den dieser zugeordneten
beiden magnetoresisitiven Sensoren 58 erreicht werden.
Bei der Fertigung des Gehäuses 30 der Aufladeeinrichtung 10 im
Wege des Kunststoffspritzgießverfahrens werden bevorzugt
zwei Permanentmagnete 52, 54 des Einlegeteiles
mit dem Kunststoff, d. h. dem Gehäusematerial, umspritzt.
Dadurch lässt sich ein minimaler Abstand 38, 60 zwischen
den bevorzugt zwei eingesetzten Permanentmagneten 52, 54 und
der Schaufelspitze 40 der Schaufel 16 erreichen.
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Die
Minimierung des Abstandes 38, 60 zwischen der
Schaufelspitze 40 und den bevorzugt eingesetzten zwei Permanentmagneten 52, 54 kann
dadurch verbessert werden, dass eine Überdeckung 60 aus
Kunststoffmaterial der Oberseiten der beiden bevorzugt eingesetzten
Permanentmagneten 52, 54 so gering wie möglich
ausfällt, so dass die beiden bevorzugt eingesetzten Permanentmagneten 52, 54 unter Ausbildung
einer minimalen Überdeckung 60 unterhalb der Innenseite 34 der
aus Kunststoffmaterial spritzgegossenen Wand 32 liegen.
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Aus
der Darstellung der Ausführungsform gemäß 2 geht
zudem hervor, dass die Sensorschaltung 20 zum Beispiel
in einem separaten Gehäuse 46 in Zylinderform
in einer an der Außenseite 36 der aus Kunststoffmaterial
spritzgegossenen Wand 32 eingelassen ist.
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Die
geometrische Anordnung der beiden bevorzugt eingesetzten Permanentmagneten 52, 54 wird
in Bezug auf die Aufnahme 42 der Sensorschaltung 20 so
gewählt, dass ein optimaler Signalverlauf im Sinne maximaler
Signalapplituden in der Sensorschaltung 20 erreicht werden
kann. Dazu sind die beiden als Einlegeteile beschaffenen und in
der Wand 32 mit Kunststoffmaterial umspritzten Permanentmagneten 52, 54 symmetrisch zur
Aufnahme 42 der Sensorschaltung 20 angeordnet.
In der Darstellung gemäß 2 ist die
Kunststoffumspritzung der beiden Permanentmagnete 52 bzw. 54 mit
Bezugszeichen 50 angedeutet. Mithin sind die beiden bevorzugt
eingesetzten Permanentmagnete 52, 54 im Kunststoffmaterial
der Kunststoffwand 32 vollständig eingebettet.
Der Darstellung gemäß 2 lässt
sich des Weiteren entnehmen, dass die beiden bevorzugt eingesetzten
Permanentmagneten 52, 54 in einem identischen
Abstand 56 symmetrisch zur Aufnahme 42 der Sensorschaltung 20 an
der Außenseite 36 der Kunststoffwand 32 eingespritzt
sind. Bevorzugt wird ein identischer Abstand 56, in welchem
die beiden bevorzugt eingesetzten Permanentmagnete 52, 54 eingespritzt
werden, in der Größenordnung zwischen 5 und 25
mm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 mm und in einer ganz besonders
bevorzugten Ausführungsform in der Größenordnung
von 10 mm gewählt.
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Die
Aufnahme 42 an der Außenseite 36 der Kunststoffwand 32 des
Gehäuses 30 wird korrespondierend zur Geometrie
des Gehäuses 46 der Sensorschaltung 20 ausgebildet.
Wird das Gehäuse 46 zum Beispiel zylindrisch ausgebildet,
so weist die Aufnahme 42 einen kreisförmigen Querschnitt
auf, wie auch in 3 dargestellt.
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3 zeigt
einen Schnittverlauf gemäß der Schnittlinie III-III
in 2.
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3 zeigt,
dass die beiden als Einlegeteile in die Wand 32 aus Kunststoffmaterial
eingespritzten Permanentmagnete 52, 54 in identischem
Abstand 56 in Bezug auf die Aufnahme 42 mit Querschnitt 48 für
die Sensorschaltung 20 angeordnet sind. In der Schnittebene
III-III liegend befindet sich eines der magnetoresistiven Sensorelemente 58,
die in das Gehäuse 46 der Sensorschaltung 20 gemäß der
Darstellung in 2 integriert sind.
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Durch
die in Zusammenhang mit den 2 und 3 beschriebene
Ausgestaltung der Drehzahlerfassungseinrichtung, die einen Drehzahlgeber 44 umfasst,
wobei durch die Ausbildung der Wand des Gehäuses 30 als
Kunststoffwand 32 eine räumliche Trennung der
beiden bevorzugt eingesetzten Permanentmagnete 52, 54 von
der Sensorschaltung 20 erreicht werden kann, lässt
sich einerseits deren Baulänge reduzieren und anderer seits
ein zu großer Abstand zwischen den Permanentmagneten 52, 54 und den
Schaufelspitzen 40 der Verdichterschaufeln 16 vermeiden,
der zu einem kleinen konstanten Feld führen würde,
in dem sich die Verdichterschaufeln 16 bewegen, und aufgrund
dieses Umstandes lediglich geringe Wirbelströme erzeugt
würden. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
vermieden werden, dass die Kennlinie der beiden magnetoresistiven
Sensorelemente 58 bereits durch das konstante Magnetfeld
soweit in die Sättigung ausgesteuert wird, dass eine Erfassung des
Wechselfeldes aus der Bewegung der Schaufeln 16 nicht mehr
aussagekräftig erfolgen kann. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ausführungsform gemäß den 2 und 3 wird
erreicht, dass die bevorzugt eingesetzten beiden Permanentmagnete 52, 54 einerseits
räumlich getrennt von der Sensorschaltung 20 untergebracht
werden und andererseits ein Längenzuwachs, der in 1 dargestellt
ist, vermieden wird. In der in 1 aus dem
Stand der Technik bekannten Ausführungsform befindet sich der
dort eingesetzte Permanentmagnet 22 hinter der Sensorschaltung 20.
Zwischen dem Permanentmagnet 22 und der Sensorschaltung 20 gemäß der
Darstellung in 1 ist ein Mindestabstand einzuhalten, um
zu vermeiden, dass die Kennlinie des magnetoresistiven Sensorelementes
bereits durch das konstante Magnetfeld soweit in die Sättigung
ausgesteuert wird, dass eine Erfassung des Wechselfeldes aus der Bewegung
der Schaufeln 16 des Verdichters nicht mehr folgen kann.
Der im Zusammenhang mit den 2 und 3 beschriebenen
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsform
befinden sich die beiden vorzugsweise eingesetzten beiden Permanentmagnete 52, 56 bevorzugt
in einem identischen Abstand 56 in Bezug auf die Sensorschaltung 20,
die bevorzugt in einem Gehäuse 46 am Aufnahmequerschnitt 48 der
Kunststoffwand 32 untergebracht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1002004047116
A1 [0001]
- - DE 19623236 A1 [0002, 0002]
- - US 2005/0017709 A1 [0003]