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Die Erfindung betrifft einen Turbolader für Kolbenmotoren sowie ein Verfahren zur Regelung der Leistung einer Einheit aus einem Turbolader und einem Kolbenmotor.
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Turbolader werden im Allgemeinen dafür eingesetzt, die Leistung eines Kolbenmotors zu steigern, indem der Durchsatz eines Treibstoff-Luftgemisches pro Arbeitstakt des Motors erhöht wird. Der Turbolader dient in diesem Zusammenhang dazu, Luft anzusaugen, zu verdichten und die komprimierte Luft für den Motor bereitzustellen, um dem während des Ansaugtaktes des Motors in diesem entstehenden Unterdruck entgegenzuwirken.
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Zur Regelung der Leistung einer Einheit bzw. eines Systems aus einem solchen Turbolader und einem zugehörigen Kolbenmotor ist es nötig, als eine Eingangsgröße die jeweils aktuelle Rotationsgeschwindigkeit einer Welle des Turboladers zu kennen, da sich aus dieser Größe andere relevante Parameter für die Regelung, wie z. B. Luftmassenströme, ableiten lassen. Dies wird zum Beispiel in der Offenlegungsschrift
DE 102 21 014 A1 , die einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine offenbart, dargestellt. Bei dem dort beschriebenen Abgasturbolader wird die Drehzahl ständig gemessen, in einer Regeleinheit verarbeitet, und zur Regelung auf eine Solldrehzahl herangezogen.
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In der Patentschrift
DE 601 15 559 T2 wird beispielsweise eine Rotationsmaschine mit Magnetschwebesystem vorgestellt, welche eine Schwebe- oder Tragsteuerung eines Rotors ausführt, und zwar versehen mit einem Magnetmaterial als ein zu steuerndes Objekt, so dass der Rotor in einem Schwebezustand auf einer gewünschten Position gehalten wird, und zwar durch die Verwendung magnetischer Anziehungskraft oder magnetischer Abstoßkraft, erzeugt durch einen Elektromagneten oder einen permanenten Magneten. Dabei kommt insbesondere ein Detektionsmechanismus, mit einer Positionsdetektionsscheibe in dem Rotor, die mit einem Axialversetzungs- oder Verschiebungssensor auf der feststehenden Seite zusammenwirkt, zum Einsatz, um eine Axialversetzung oder Axialverschiebung und auch die Drehzahl des Rotors zu bestimmen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Turbolader anzugeben, bei dem die Ermittlung der aktuellen Rotationsgeschwindigkeit der Welle eines Turboladers auf einfache und zuverlässige Weise mit geringem Einsatz von notwendigen Messeinrichtungen erfolgt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Regelung der Leistung einer Einheit aus einem Turbolader und einem Kolbenmotor anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Turbolader nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Regelung nach Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der Turbolader für Kolbenmotoren weist einen Verdichter zum Ansaugen und Verdichten von Luft, eine Turbine zum Erzeugen eines Drehmoments aus einem Gasstrom und eine Welle auf, durch welche die Turbine mit dem Verdichter verbunden ist, zum Übertragen des von der Turbine erzeugten Drehmoments auf den Verdichter, wobei die Welle durch Magnetlager mit Spulen berührungslos gelagert ist und wobei die Welle im Querschnitt eine Asymmetrie aufweist, so dass bei einer Rotation der Welle um ihre Längsachse Z ein zyklisches Signal in den Spulen der Magnetlager erzeugt wird, das für die Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle auswertbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Turbolader handelt es sich demzufolge um einen Turbolader, dessen Welle magnetgelagert ist. Wie dies bekannt ist, liegt ein Vorteil dieser Art von Lagerung im Vergleich zu mechanischen Lagern, wie z. B. Gleitlagern, darin, dass keine Schmierung erforderlich ist, weswegen das Problem des Eindringens von Schmieröl in das Ansaugsystem des Turboladers vermieden werden kann. Das Vorhandensein einer solchen Magnetlagerung wird gemäß der Erfindung dazu benutzt, die Rotationsgeschwindigkeit auf einfache Weise und mit geringem Einsatz von Komponenten für die Messung zu ermitteln. Es ist demzufolge keine separate Messeinrichtung für die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit notwendig.
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Hierzu wird eine Welle eingesetzt, welche im Querschnitt eine Asymmetrie aufweist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass, wenn im Rahmen der folgenden Beschreibung der Ausdruck „Asymmetrie” verwendet wird, hierunter eine Rotationsasymmetrie verstanden werden soll. Wellen von Turboladern weisen nach dem Stand der Technik generell einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die erfindungsgemäße Asymmetrie des Querschnitts bedeutet, dass der Querschnitt der Welle zumindest an einer Stelle eine Abweichung von der Kreisform aufweist. Hierdurch wird bei der Rotation der Welle durch Änderung der Dicke b eines Luftspalts zwischen der Welle und einer Spule des Magnetlagers eine zyklische Änderung der Induktivität in die Spulen der Magnetlager induziert, welche an Klemmen der Spulen abgegriffen werden kann. Auf diese Weise können die zur berührungslosen Lagerung der Turboladerwelle eingesetzten elektromagnetischen Spulen gleichzeitig als Messeinrichtungen zur Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle eingesetzt werden. Aufgrund dieser Doppelfunktion lassen sich Bauteile für den Turbolader einsparen, was diesen kostengünstiger in der Herstellung macht.
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Wie dies bekannt ist, können Magnetlager sowohl für die radiale als auch für die axiale Lagerung von Wellen eingesetzt werden. Meist wird eine Kombination aus radialer und axialer Lagerung eingesetzt, um die Welle in mehreren Freiheitsgraden sicher zu führen. Sowohl die radialen als auch die axialen Magnetlager können für die Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Spulen der Magnetlager radial um die Welle positionierte Spulen. Mit anderen Worten betrifft diese Ausführungsform eine Konstruktion, gemäß der ein radiales Magnetlager für die Lagerung der Welle des Turboladers vorhanden ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Induktivitätsänderung dieser radialen Spulen erfasst und zur Geschwindigkeitsermittlung eingesetzt. Im Folgenden werden Möglichkeiten zur Gestaltung der Welle im Rahmen dieser Ausführungsform erläutert.
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Hierzu ist anzumerken, dass sich die genannte Asymmetrie nicht zwingend über die gesamte axiale Länge L der Welle erstrecken muss. Vielmehr kann diese Asymmetrie der Welle nur auf einem Teil der axialen Länge L derselben ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ist insofern vorteilhaft, als jede Asymmetrie bekanntlich auch eine mechanische Unwucht der Welle bedeutet, welche jedoch so gering wie möglich gehalten werden soll, damit sie das eigentliche Verhalten des Lagers, d. h. das Halten der Welle in ihrer Position nicht wesentlich beeinflusst.
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Die Ausbildung der Asymmetrie auf nur einem Teil der axialen Länge L der Welle bedeutet in diesem Sinne eine Verringerung der Unwucht im Vergleich zu einer Konstruktion, gemäß der dieselbe Art der Asymmetrie über der gesamten Länge L der Welle vorhanden ist.
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Was die konkrete Ausgestaltung der Asymmetrie der Welle betrifft, so kann diese beispielsweise in Form eines elliptischen Querschnitts ausgebildet sein. Eine solche Form lässt sich produktionstechnisch auf einfache Weise verwirklichen. Im Sinne des vorstehend beschriebenen Ziels des Geringhaltens der mechanischen Unwucht kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die Differenz zwischen dem großen Durchmesser der Ellipse und deren kleinem Durchmesser weniger als 5%, insbesondere weniger als 3% beträgt.
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Gemäß einer Alternative kann die radiale Asymmetrie der Welle auch dadurch verwirklicht werden, dass der Umfang der Welle über einen ersten Winkelbereich α1 einen ersten Radius r1 aufweist und in einem zweiten Winkelbereich α2 des Umfangs einen zweiten Radius r2, wobei r1 von r2 verschieden ist. Mit anderen Worten setzt sich der Querschnitt der Welle aus zwei aneinander grenzenden Teilkreisen mit demselben Kreismittelpunkt, aber mit unterschiedlichen Radien zusammen. Um die mechanische Unwucht möglichst klein zu halten, kann die Differenz der Radien weniger als 5%, insbesondere weniger als 3% betragen.
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Eine weitere Möglichkeit der Ausführung einer Asymmetrie der Welle besteht in einer radialen Ausbuchtung derselben. Diese Ausbuchtung kann in verschiedenen Querschnittsformen ausgebildet sein, beispielsweise rechteckig oder kreisförmig. Die radiale Ausbuchtung bedeutet also eine Asymmetrie in Form eines Zapfens auf nur einem kleinen Teil des Umfangs der Welle. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Ausbuchtung auch nachträglich auf eine im Querschnitt kreisförmige Welle aufgebracht werden kann, beispielsweise mittels Kleben oder Schweißen. Es können also bereits existierende Wellen umgerüstet werden, um im Rahmen der Erfindung einsetzbar zu sein.
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Die radiale Ausbuchtung der Welle kann sich beispielsweise über einen umfangsseitigen Winkelbereich von etwa 5° bis 20° erstrecken. Dies bedeutet, dass das zyklisch auftretende Signal einen schmalen Peak innerhalb eines Rotationszyklus bzw. einer Umdrehung der Welle aufweist, welcher gut zu lokalisieren ist.
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Wie bereits erwähnt, können sowohl radiale als auch axiale Magnetlager im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden. Nach den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen im Hinblick auf von radialen Lagerspulen erfassbare Asymmetrien der Welle sollen nun solche behandelt werden, bei denen die Asymmetrie von axialen Magnetlagern erfassbar ist.
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Bei diesen Ausgestaltungen weist die Welle eine quer zur Längsachse Z verlaufende Ankerscheibe auf und die Spulen der Magnetlager umfassen axial zur Ankerscheibe positionierte Spulen, wobei auf mindestens einer der Oberfläche der Ankerscheibe eine Vertiefung ausgebildet ist, welche keinen geschlossenen Kreis um den Mittelpunkt dieser Oberfläche bildet.
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Aufgrund der Vertiefung auf mindestens einer der Oberflächen wird eine Asymmetrie in diese Oberfläche der Ankerscheibe eingebracht und die Dicke d eines Luftspalts zwischen der Ankeroberfläche und der dieser Fläche zugewandten Spule ändert sich an der Stelle der Vertiefung. Da die Vertiefung keinen geschlossenen Kreis um den Mittelpunkt dieser Oberfläche bildet, entsteht bei einer Drehung der Welle (und mithin einer Drehung der Ankerscheibe) um ihre Längsachse ein zyklisches Signal in Abhängigkeit von der Drehposition der Ankerscheibe. Dieses Signal kann, ähnlich wie im Falle der radialen Magnetlager, an den Klemmen der zugehörige axialen Spulen abgegriffen und zur Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit eingesetzt werden.
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Da, wie bereits erwähnt, jede Asymmetrie der Welle in Radialrichtung eine Massenunwucht mit sich bringt, ist es vorzuziehen, die Vertiefung der mindestens einen Oberfläche der Ankerscheibe nur so stark auszuführen, dass ein ausreichend starkes Signal für die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit erhalten wird. Eine Tiefe von etwa 10 μm bis etwa 100 μm hat sich in diesem Zusammenhang für die Ausbildung der Vertiefung als geeignet erwiesen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die zusätzlich oder alternativ zu der vorgenannten eingesetzt werden kann, sind beide Oberflächen der Ankerscheibe mit einer Vertiefung ausgebildet. In Bezug auf das Geringhalten der bereits erwähnten mechanischen Unwucht der Ankerscheibe kann es günstig sein, die beiden Vertiefungen in der Ankerscheibe an verschiedenen Winkelpositionen hinsichtlich der Längsachse der Welle auszubilden.
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Neben der Tiefe der Asymmetrie bzw. der Vertiefung in der Oberfläche oder den Oberflächen der Ankerscheibe, welche für die Signalintensität eine Rolle spielt, ist auch die Form der Vertiefung im Hinblick auf das gewünschte Signal zu berücksichtigen. Allgemein ist anzumerken, dass das Signal umso regelmäßiger ist, je symmetrischer die Form der Vertiefung in Rotationsrichtung ist. So kann beispielsweise die Form eines Kreissektors, der einen definierten Winkelbereich in Bezug auf die Längsachse der Welle überstreicht, für die Vertiefung gewählt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Vertiefung der mindestens einen Oberfläche der Ankerscheibe über einen Winkelbereich zwischen etwa 45° und 180° um den Mittelpunkt dieser Oberfläche.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Magnetlager ein aktiv geregeltes Magnetlager, das eine Steuereinrichtung für die Ermittlung der Abweichung der Lage der Welle von einer Sollposition und für eine Rückführung der Welle in ihre Sollposition aufweist, wobei die Steuereinrichtung darüber hinaus dafür ausgelegt ist, aus dem zyklische Sensorsignal die Rotationsgeschwindigkeit der Welle zu ermitteln und für die Regelung der Leistung einer Einheit aus dem Turbolader und einem Kolbenmotor auszugeben. Die Steuereinrichtung, welcher das zyklische Sensorsignal zur Verarbeitung zugeführt wird, ist dabei zur Erfassung des zyklischen Sensorsignals mit den Klemmen der Spulen der Magnetlager verbunden.
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Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Steuereinrichtung, welche ohnehin für die Lageregelung der Turboladerwelle vorhanden ist, auch zur Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle eingesetzt. Durch diese doppelte Nutzung der Steuereinrichtung, bei welcher es sich um einen herkömmlichen Mikroprozessor handeln kann, ist es möglich, die Zahl der notwendigen Komponenten für den Turbolader weiter zu verringern. einen Geschwindigkeitssensor in einem Gesamtsystem, in dem das aktiv geregelte axiale Magnetlager gemäß Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt ist, einzusparen.
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Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Regeln der Leistung einer Einheit aus Turbolader und Kolbenmotor, wobei der Turbolader einen Verdichter zum Ansaugen und Verdichten von Luft, eine Turbine zum Erzeugen eines Drehmoments aus einem Gasstrom und eine Welle aufweist, durch welche die Turbine mit dem Verdichter verbunden ist, zum Übertragen des von der Turbine erzeugten Drehmoments auf den Verdichter, wobei die Welle durch Magnetlager mit Spulen berührungslos gelagert ist und wobei die Welle in Radialrichtung eine Asymmetrie aufweist, so dass bei einer Rotation der Welle um ihre Langsachse Z ein zyklisches Signal in den Spulen der Magnetlager erzeugt wird, das für die Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle auswertbar ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Erfassen des zyklischen Signals an Klemmen an mindestens einer der Spulen der Magnetlager; Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit der Welle durch Auswerten des zyklischen Signals; und Regeln der Leistung der Einheit aus Turbolader und Kolbenmotor auf der Basis der ermittelten Rotationsgeschwindigkeit.
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Mit diesem Verfahren wird eine Regelung verschiedener Leistungsparameter des Gesamtsystems Turbolader/Kolbenmotor ermöglicht. Die Regelung kann alle Parameter betreffen, welche von der Rotationsgeschwindigkeit der Welle des Turboladers beeinflusst werden. Die Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit kann dabei unter Einsatz einer bereits für die aktive Lageregelung der Welle in Bezug auf das Magnetlager eingesetzten Steuereinrichtung ausgeführt werden. Auf diese Weise können die Lageregelung der Turboladerwelle und die Leistungsregelung der Einheit Turbolader/Kolbenmotor unter Verwendung gemeinsam genutzter Komponenten erfolgen, was das Gesamtsystem im Hinblick sowohl auf die Erzeugungskosten als auch auf Platzbedarf vorteilhaft macht.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine schematische Darstellung eines magnetgelagerten Turboladers;
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2 eine Querschnittsansicht einer radial gelagerten Welle eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3a bis 3c Querschnittsansichten von Wellen mit radialen Asymmetrien gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
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4 eine Längsschnittansicht der Welle von 3c; und
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5 eine Längsschnittansicht einer axial gelagerten Welle mit Ankerscheibe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Elemente durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch die Elemente eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Der Turbolader umfasst einen Verdichter 100 zum Ansaugen und Verdichten von Luft, eine Turbine 200 zum Erzeugen eines Drehmoments aus einem Gasstrom einer Abgasleitung und eine Welle 300, durch welche die Turbine 200 mit dem Verdichter 100 verbunden ist. Die Welle 300 des Turboladers dient dem Übertragen des von der Turbine 200 erzeugten Drehmoments auf den Verdichter 100, Turbine 200 und Verdichter 100 können auf herkömmliche Weise konstruiert sein und sollen deshalb hier nicht näher behandelt werden.
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Die Welle 300 ist in ihrer Position durch Magnetlager 400, 500 berührungslos gelagert, wobei das Magnetlager 400 ein radiales Magnetlager mit einer radial um die Welle 300 positionierten Spule 410 ist und das Magnetlager 500 ein axiales Magnetlager ist, dessen Spulen 510 beiderseits einer Ankerscheibe 350 der Welle 300 positioniert sind.
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Erfindungsgemäß können sowohl das radiale Magnetlager 400 als auch das axiale Magnetlager 500 zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 300 eingesetzt werden. Zu diesem Zweck weist die Welle 300 oder die Ankerscheibe 350 der Welle 300 in Radialrichtung eine Asymmetrie (in 1 nicht gezeigt) auf, so dass bei einer Rotation der Welle 300 um ihre Längsachse Z aufgrund der Änderung der Dicke d eines Luftspalts zwischen Welle 300 und Spule 410 bzw. zwischen der Ankerscheibe 350 der Welle 300 und der Spule 510 eine Änderung der Induktivität der entsprechenden Spule bewirkt wird.
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Diese Änderung der Induktivität erfolgt zyklisch mit jeder Drehung und kann als Messsignal an den Klemmen (nicht gezeigt) der Spulen 410 bzw. 510 abgegriffen werden. Das zyklische Messsignal kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung 600 zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden. Da die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 300 des Turboladers die Ausgangsgröße zur Ermittlung zahlreicher Parameter für die Funktion einer Einheit aus Turbolader und zugehörigem Kolbenmotor ist, wie z. B. der Verdichtergasströme, kann die Rotationsgeschwindigkeit zur Regelung der Leistung dieser Einheit eingesetzt werden.
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Bei der Steuereinrichtung 600 kann es sich um diejenige handeln, welche auch für eine aktive Lagerung des axialen und/oder radialen Magnetlagers 400, 500 eingesetzt wird.
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In 2 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform der Erfindung, gemäß der die Welle 300 radial durch ein Magnetlager 400, dessen Spulen 410 radial um die Welle 300 positioniert sind, berührungslos gelagert ist. Es ist anzumerken, dass, obgleich in der gezeigten Ausführungsform drei radiale Spulen 410 gezeigt sind, diese Zahl als nicht beschränkend anzusehen ist. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass für das praktisch eingesetzte Magnetlager auch mehr oder weniger Spulen verwendet werden können.
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Wie dies in der Figur zu erkennen ist, weist der Querschnitt der Welle 300 eine Abweichung von der Kreisform auf. Mit anderen Worten ist in der Welle 300 eine radiale Asymmetrie vorhanden, welche bewirkt, dass die Dicke der Luftspalte d1, d2, d3 zwischen der Welle 300 und den drei Spulen 410 des radialen Magnetlagers verschieden sind. Dies bewirkt, dass bei einer Rotation der Welle 300 um ihre Längsachse Z eine zyklische Änderung der in die Spulen 410 induzierten Spannungen auftritt. Die Frequenz der Änderung der induzierten Spannungen ist dabei proportional der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 300.
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Nunmehr mit Bezug auf die 3a bis 3c sind verschiedene mögliche Querschnittsformen von Wellen 300 gezeigt, welche die erfindungsgemäß gewünschte radiale Asymmetrie verwirklichen. In der Ausführungsform der 3a ist ein elliptischer Querschnitt dargestellt. Es ist anzumerken, dass in der Darstellung die Unterschiede zwischen den beiden Ellipsendurchmessern aus Gründen der Deutlichkeit der Darstellung übertrieben stark gezeigt sind. Tatsächlich ist es in der Praxis vorteilhaft, die Unterschiede zwischen den Durchmessern nur so stark auszubilden, dass ein ausreichend ausgeprägtes zyklisches Signal in den Spulen 410 erzeugt wird.
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Um eine größere mechanische Unwucht der Welle 300 zu vermeiden, ist es günstig, wenn die Differenz zwischen dem großen Durchmesser der Ellipse und deren kleinem Durchmesser weniger als 5%, insbesondere weniger als 3% beträgt.
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Ähnliches gilt auch für die Querschnittsform der Welle 300 von 3b, gemäß der der Umfang der Welle über einem ersten Winkelbereich α1 einen ersten Radius r1 aufweist und über einem zweiten Winkelbereich α2 des Umfangs einen zweiten Radius r2, wobei r1 von r2 verschieden ist. Der Querschnitt der Welle besteht aus zwei aneinander grenzenden Teilkreisen mit demselben Kreismittelpunkt, aber mit unterschiedlichen Radien zusammen. In der gezeigten Darstellung betragen der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich jeweils 180°, was bedeutet, dass sich die Querschnittsansicht der Welle 300 aus zwei Halbkreisen mit unterschiedlichen Radien r1 und r2 zusammensetzt.
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Um die mechanische Unwucht möglichst klein zu halten, kann auch hier die Differenz der Radien weniger als 5%, insbesondere weniger als 3% sein.
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Gemäß einer weiteren Variante, die in 3c dargestellt ist, weist die Welle 300 eine radiale Ausbuchtung 310 auf einem Teil ihres Umfangs auf. Die radiale Ausbuchtung 310 kann beispielsweise, wie hier gezeigt, einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Querschnittsform der Ausbuchtung 310 nicht wesentlich ist und dass verschiedene Querschnitte gewählt werden können, solange die Ausbuchtung 310 ausreichend ausgeprägt für die Erzeugung einer zyklischen Induktivitätsänderung in den radialen Spulen 410 ist.
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In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass sich die Ausbuchtung über einen beliebigen Winkelbereich des Umfangs erstrecken kann. In manchen Fällen kann es jedoch gewünscht sein, die Ausbuchtung 310 in Umfangsrichtung schmal auszubilden, so dass die Induktivitätsänderung in den Spulen 410 nur in einer sehr kurzen Zeitspanne innerhalb eines Rotationszyklus der Welle 300 auftritt. Diesbezüglich kann die Ausbuchtung 310 beispielsweise so gestaltet sein, dass sie sich über einen umfangsseitigen Winkelbereich von etwa 5° bis 30° erstreckt.
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Selbstverständlich kann die radiale Ausbuchtung 310 in einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform auch durch eine Vertiefung bzw. Einbuchtung ersetzt werden. Das vorstehend in Bezug auf die Ausbuchtung 310 Erwähnte gilt analog auch für eine solche Vertiefung in der Welle 300.
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Wie bereits erwähnt, kann es zur Vermeidung einer größeren Unwucht von Vorteil sein, wenn die Asymmetrie nicht auf der gesamten axialen Länge L der Welle 300 ausgebildet ist, sondern nur auf einem Teil derselben. Dies ist in der Darstellung von 4 verdeutlicht, welche die Ausbuchtung 310 in der Welle 300 von 3c im Längsschnitt zeigt. Wie zu erkennen ist, erstreckt sich die Ausbuchtung nur über eine Teillänge L1, die einen Bruchteil der Gesamtlänge L beträgt.
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In den vorstehend beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen handelte es sich um Konstruktionen, bei denen die geforderte Asymmetrie des Querschnitts auf der Welle 300 so ausgebildet ist, dass sie in seitlich positionierten Spulen 410 radialer Magnetlager 400 erfassbar ein zyklisches Signal erzeugen. Wie im Folgenden gezeigt werden wird, ist es jedoch auch möglich, die Asymmetrie der Welle 300 so zu gestalten, dass ein zyklisches Signal in Spulen 510 axialer Magnetlager 500 induziert wird.
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Nunmehr mit Bezug auf 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei hier die Welle 300 eine Ankerscheibe 350 umfasst, welche sich quer zur Längsachse Z der Welle 300 erstreckt. Die Ankerscheibe 350 dient zusammen mit den Spulen 510 der berührungslosen magnetischen axialen Lagerung der Welle 300.
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Wie dies aus der Figur ersichtlich ist, sind eine erste Oberfläche 351 und eine zweite Oberfläche 352 der Ankerscheibe 350, die sich beide senkrecht zur Längsachse Z der Welle 300 erstrecken, hier im Wesentlichen einheitlich plan ausgebildet und weisen jeweils einen Abstand d zur nächstliegenden Spule 510 auf. Der Abstand d stellt also die Dicke des Luftspalts zwischen der jeweiligen axialen Spule 510 und der entsprechenden Oberfläche 351, 352 der Ankerscheibe 350 dar.
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Durch die Luftspalte verlaufen jeweils die Magnetflüsse zwischen den Spulen 510 der Elektromagneten 500 und der Ankerscheibe 350. Ändert sich nun an einer Stelle die Dicke dieses Luftspalts, so wird in der entsprechenden Magnetspule 510 eine Änderung der Induktivität induziert, welche wiederum an den Klemmen dieser Spule als Messsignal abgegriffen werden kann.
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Um bei jeder Drehung der Welle 300 eine solche Induktivitätsänderung zu erzeugen, ist an einer oder an beiden Oberflächen 351, 352 der Ankerscheibe 350 eine Vertiefung 351a, 352a ausgeformt, die, wie dies zu erkennen ist, keinen geschlossenen Kreis um den Mittelpunkt der Oberfläche 351 bzw. 352 bildet. Dies führt dazu, dass an der Stelle der jeweiligen Vertiefung 351a, 352a die Dicke d' des Luftspalts größer ist als die Dicke d des Luftspalts in einem Bereich der Oberfläche 351, 352 der Ankerscheibe 350, an dem keine Vertiefung vorhanden ist. Somit bewirkt eine Drehung der Ankerscheibe 350 um die Längsachse Z der Welle 300 eine zyklische Änderung der Dicke des Luftspalts bzw. der Luftspalte zwischen d und d', was eine entsprechende zyklische Änderung der Induktivitäten der beteiligten Spulen 510 hervorruft und erfindungsgemäß zur Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 300 eingesetzt werden kann.
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Die Vertiefungen 351a, 352a stellen Asymmetrien des Querschnitts im Rahmen der Erfindung dar, da die Oberflächen 351, 352 aufgrund der Vertiefungen 351a, 352a keine vollen Kreisflächen bilden. Vielmehr bewirken die Vertiefungen, dass im Querschnitt der Ankerscheibe 351 Aussparungen in Bezug auf die Kreisfläche vorhanden sind, welche bei einer Rotation der Welle 300 zyklische Induktivitätsänderungen in die Spulen 510 induzieren.
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Obgleich in der hier dargestellten Ausführungsform je eine Vertiefung 351a, 352a auf jeder der Oberflächen 351, 352 ausgebildet ist, kann in einer Alternative auch nur eine einzige Vertiefung auf der ersten Oberfläche 351 oder der zweiten Oberfläche 352 vorhanden sein.
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Es ist anzumerken, dass die in den Figuren dargestellten Abmessungen und ihre Verhältnisse zueinander nicht maßstabsgetreu sind. So sind beispielsweise die Vertiefungen in Bezug auf die Größe der Ankerscheibe übertrieben dargestellt, was der Verdeutlichung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips dient.
