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Die Erfindung betrifft gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 der Erfindung ein Geberrad einer Vorrichtung zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung eines drehbaren Bauteils. Gemäß Anspruch 10 der Erfindung betrifft dieselbe ferner eine Maschine, insbesondere elektrische Maschine, oder ein Aggregat mit einem derartigen Geberrad.
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Aus der Praxis ist es seit geraumer Zeit bekannt, die Rotorlage respektive den Drehwinkel oder die Drehzahl des Rotors zu erfassen und die erfassten Messwerte einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit zur Verfügung zu stellen, die ihrerseits geeignete Signale zur Ansteuerung einer/s besagten Rotor aufweisenden Maschine oder Aggregats oder einer/s anderen Maschine oder Aggregats generiert. Dabei können induktive Sensoren oder Hall-Sensoren zum Einsatz kommen. Induktive Sensoren weisen ein rotierendes, beispielsweise auf den Umfang mit Zähnen besetztes Impulsgeberrad auf, welches Impulsgeberrad durch die Bewegung besagter Zähne die Stärke des Magnetfeldes im Sensor verändert. Hall-Sensoren arbeiten nach dem sogenannten Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern. So beschreibt die
US 5 200 698 A eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung einer rotierenden Stahlwelle mit einer Foucault-Sonde, vor der eine mit der Welle fest verbundene Spur vorbeiläuft, die Diskontinuitäten aufweist, welche die Sonde beeinflusst. Die besagte Spur besteht zum einen aus einem Band aus Isoliermaterial, welches Isoliermaterial durch einen Träger aus Epoxylaminat gebildet ist. Zum anderen sind auf besagtem Träger Flächenbereiche aus nicht ferromagnetischem Material guter elektrischer Leitfähigkeit, vorzugsweise aus Kupfer, aufgebracht. Die besagten Flächenbereiche sind rechteckförmig ausgebildet und regelmäßig um die Welle verteilt angeordnet. Das Band ist mit der die nicht ferromagnetischen Flächenbereiche aufweisenden Seite auf die Welle geklebt, so dass die besagten Flächenbereiche zur Welle hin gerichtet sind. Als Klebstoff wird ein Epoxykleber vorgeschlagen, der gegen Stoffe in der Nähe der Welle, wie Wasser und Öl, sowie temperaturresistent ist. Ein Schutz der Kupferbereiche wird durch den Träger des Bandes bewirkt. Aus der
DE 10 2006 049 999 A1 ist ein hier als Rotor bezeichnetes Geberrad einer Vorrichtung zur Drehzahlerfassung, insbesondere eines nach dem Hall-Effekt arbeitenden Drehzahlsensors bekannt. Der Rotor weist einen Grundkörper aus Kunststoff auf, an welchem Grundkörper eine als Blechteil ausgebildete metallische Struktur mit regelmäßig angeordneten Unterbrechungen befestigt ist.
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Die metallische Struktur kann durch eine am Umfang des Rotors angeordnete gezahnte Struktur mit ferromagnetischen Zähnen gebildet sein. Des Weiteren kann die metallische Struktur durch einen gelochten Blechstreifen mit einer Vielzahl von rechteckförmigen Öffnungen oder durch ein mäanderförmig geformtes und eine Zahnstruktur ausbildendes Band gebildet sein, welcher/s Blechstreifen bzw. Band um den Umfang des Grundkörpers gelegt und an demselben formschlüssig befestigt wird. Demgegenüber können der Blechstreifen oder das Band auch in eine entsprechende Form eingelegt und mit Kunststoff ausgegossen werden, woraus sich ein Geberrad mit einem inneren Kunststoffgrundkörper und einer äußeren metallischen Struktur ergibt. Darüber hinaus ist es aus dieser Druckschrift bekannt, eine scheibenförmig ausgebildete metallische Struktur respektive ein scheibenförmiges Blechteil mit gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Schlitzen bzw. Löchern vorzusehen, welches Blechteil auf einer Stirn- bzw. Planfläche des Grundkörpers des Rotors befestigt ist. Das geschlitzte bzw. gelochte Blechteil kann mit dem Grundkörper verklebt oder durch Ausbildung eines Bundes am Grundkörper mit demselben vergossen sein. Auch hier ergibt sich ein Geberrad mit einem inneren Kunststoffgrundkörper und einer äußeren metallischen Struktur. Wird das vorbeschriebene Geberrad beispielsweise in einem Öl aufweisenden Raum respektive Ölraum einer Maschine oder eines Aggregats eingesetzt, können sich aufgrund der unsteten Oberfläche des Geberrades nachteilige Planschverluste, ein nachteiliges Ölaufschäumen oder nachteilige akustische Auffälligkeiten einstellen. Das Geberrad muss des Weiteren sehr genau gefertigt sein, um die erforderliche Signalgürte am Sensor zu erreichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein im Hinblick auf den Stand der Technik alternatives Geberrad einer Vorrichtung zur Drehzahl- oder Drehwinkelerfassung zu schaffen, welches einfach und kostengünstig herstellbar ist und anspruchsvollen Ansprüchen, insbesondere auch bei Anordnung desselben in einem ölbelasteten Raum gerecht wird. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Maschine, insbesondere elektrische Maschine, oder ein Aggregat mit einer Vorrichtung zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung bereitzustellen, welche Vorrichtung ein derartiges Geberrad aufweist.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch ein Geberrad einer Vorrichtung zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung, insbesondere induktiven Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung, eines drehbaren Bauteils einer Maschine oder eines Aggregates, welches Geberrad durch einen Grundkörper aus einem Kunststoff sowie durch einen, periodische Lücken ausbildenden metallischen Geber für einen Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensor besagter Vorrichtung gebildet ist, wobei der metallische Geber als integraler Bestandteil des Grundkörpers vollständig vom Kunststoff des Grundkörpers ummantelt ist.
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Durch diese Maßnahme ist ein einfach und kostengünstig herstellbares sowie robustes Geberrad geschaffen. Durch die vollständige Ummantelung des metallischen Gebers ist dieser vorteilhaft vor äußeren Einflüssen, seien es mechanische Einflüsse, chemische Einflüsse, wie aggressive Medien, oder diverse andere Umwelteinflüsse, wirkungsvoll geschützt. Darüber hinaus ist eine nachträgliche Oberflächenbearbeitung des gebildeten Geberrades ermöglicht, ohne die bestimmungsgemäße Wirkung des metallischen Gebers nachteilig zu beeinflussen.
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Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
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Danach ist der metallische Geber vorteilhaft nach einem an sich bekannten sowie bewährten Kunststoff-Spritzgussverfahren vollständig vom Kunststoff des Grundkörpers umspritzt. Bevorzugt ist dabei der metallische Geber derart vom Kunststoff des Grundkörpers umspritzt, dass unabhängig von der konkreten Ausbildung des metallischen Gebers eine stete Oberfläche des gebildeten Geberrades ausgebildet bzw. eine nach dem Stand der Technik zu verzeichnende unstete Oberfläche des gebildeten Geberrades vermieden ist. Dies hat den Vorteil, dass gesetzt den Fall, das Geberrad ist beispielsweise in einem ölbelasteten Raum respektive Ölraum angeordnet, die eingangs als nachteilig festgestellten Umstände im Stand der Technik, wie Planschverluste, Ölaufschäumen und/oder akustische Auffälligkeiten, nunmehr wirkungsvoll vermieden, zumindest jedoch wirkungsvoll reduziert sind. Um unterschiedlichsten Anwendungen gerecht zu werden, kann der metallische Geber ein-, zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein. Um den hohen Anforderungen an die Genauigkeit des metallischen Gebers gerecht zu werden, ist derselbe durch einen-, zwei- oder mehrere Geberelemente in Form feingestanzter und in ein Spritzgusswerkzeug einlegbarer Metalleinleger gebildet. Bevorzugt jedoch ist vorgesehen, dass zwei oder mehrere Geberelemente in Form besagter Metalleinleger mittels eines Stanzgitters untereinander einstückig verbunden sind, wodurch eine genaue Positionierung der Geberelemente zueinander gewährleistet und ferner die Herstellung des Geberrades vereinfacht und demgemäß kostengünstiger ist. Bevorzugt wird zur Ausbildung des Grundkörpers aus Kunststoff ein Duroplast eingesetzt, welches im Spritzgusswerkzeug mit geringem Einspritzdruck verarbeitbar ist. Hierdurch ist vorteilhaft vermieden, dass der/die Metalleinleger sich in Erfüllung der hohen Anforderungen an die Genauigkeit des metallischen Gebers während der Umspritzung nicht verbiegt/en und/oder innerhalb des Werkzeugs verschiebt/en. Des Weiteren ist bei Verwendung von Duroplast eine sehr gute Anbindung desselben an den/die metallischen Einleger zu verzeichnen. Überdies ist der Ausdehnungskoeffizient von Duroplast gut auf das verwendete Metall des/r metallischen Einleger/s abstimmbar, woraus kein oder nur ein geringer Verzug des hergestellten Bauteils in Form des Geberrades beim Abkühlvorgang resultiert. Wie bereits oben dargetan, erlaubt dieser Werkstoff, die Oberfläche des Geberrades an Flächen und Durchmessern zu schleifen, woraus die erforderliche Laufruhe sowie die gewünschte stete respektive ebene Oberfläche des Geberrades resultieren. Aus der Praxis ist es bekannt, dass der Werkstoff Kupfer hervorragende Eigenschaften im Hinblick auf die Signalgüte induktiver Sensoren aufweist. Demgemäß besteht der metallische Geber bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Weiter ist bekannt, dass Öl korrosiv auf Kupfer wirkt. Um diesem nachteiligen Umstand zu begegnen, ist es an sich erforderlich, diesen Werkstoff mit einer Schutzbeschichtung zu versehen. Diese Maßnahme ist nunmehr entbehrlich, da der metallische Geber vollständig vom Grundkörper aus Kunststoff und demgemäß geschützt vor aggressiven Medien, wie Öl, ummantelt ist. Hierdurch ist es erlaubt, besagtes Geberrad mit einem metallischen Geber aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in einem Öl aufweisenden Raum der Maschine, welche beispielsweise eine elektrische Maschine ist, oder des Aggregates anzuordnen. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf einen metallischen Geber aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, sondern erfasst jedweden metallischen Werkstoff. So kann der metallische Geber beispielsweise auch aus Stahl oder Aluminium bestehen. Ferner beschränkt sich die Erfindung nicht auf einen Einsatz des Geberrades in einem Ölraum, sondern erfasst einen Einsatz desselben in jeglichem Umfeld.
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Die Erfindung betrifft auch eine Maschine, insbesondere elektrische Maschine, oder ein Aggregat, mit einer Vorrichtung zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung eines drehbaren Bauteils der Maschine oder des Aggregates, welche Vorrichtung ein Geberrad der vorbeschriebenen Art aufweist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
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1 äußerst schematisch eine elektrische Maschine im Zusammenbau mit einer Vorrichtung zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung, welche Vorrichtung ein erfindungsgemäß ausgebildetes Geberrad aufweist,
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2 das Geberrad nach 1 in einer Einzeldarstellung, und
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3 die Seitenansicht des Geberrades.
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1 zeigt lediglich beispielgebend eine elektrische Maschine 1, mit einem auf einem Ständer 2 abgestützten Stator 3 und einem in demselben drehbar angeordneten Bauteil 4 in Form eines Rotors, das/der unter Vermittlung einer Welle 5 in nicht zeichnerisch dargestellten Lagern drehgelagert ist. Konzentrisch zur Drehachse der Welle 5 ist auf derselben ein kreisrundes sowie scheibenförmig ausgebildetes Geberrad 6 einer Vorrichtung zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung angeordnet und mit der Welle 5 drehfest verbunden.
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Das Geberrad 6 weist einen Grundkörper 7 aus einem Kunststoff, bevorzugt aus einem Duroplast, sowie einen metallischen Geber 8 auf. Der metallische Geber 8 ist vorliegend mehrteilig ausgebildet (vgl. 1 und 2). Der Geber 8 besteht gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus zehn gleichmäßig über den Teilkreis der Scheibe verteilt angeordneten metallischen Geberelementen 8a–k, die in Umfangsrichtung beabstandet sind, wodurch sich zwischen den Geberelementen 8a–k sozusagen periodisch Lücken 9 ergeben.
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Der metallische Geber 8 ist bzw. dessen Geberelemente 8a–k sind vollständig vom Kunststoff des Grundkörpers 7 ummantelt. Bevorzugt ist der metallische Geber 8 bzw. sind dessen Geberelemente 8a–k aus einer Blechplatine heraus gestanzt, bevorzugt feingestanzt, wodurch die erforderlichen Genauigkeiten gewährleistet werden können. Die bevorzugt feingestanzten Geberelemente 8a–k des Gebers 8 sind ferner nach einem an sich bekannten Kunststoff-Spritzgussverfahren vollständig vom Kunststoff des Grundkörpers 7 umspritzt. Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, sind die Geberelemente 8a–k des Gebers 8 derart vom Kunststoff des Grundkörpers 7 umspritzt, dass eine stete Oberfläche des gebildeten Geberrades 6 ausgebildet ist. Das Geberrad 6 ist vorliegend kreisrund sowie mit planen Stirnflächen ausgebildet.
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Zur Herstellung des Geberrades 6 werden die einzelnen Geberelemente 8a–k als separat hergestellte Metalleinleger in vorgegebenen Positionen in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und anschließend mit Kunststoff, vorliegend einem Duroplast, umspritzt. Demgegenüber können auch zwei oder mehrere, bevorzugt sämtliche Geberelemente 8a–k untereinander einstückig verbunden sein, beispielsweise mittels eines nicht zeichnerisch dargestellten Stanzgitters, und im Anschluss daran mit Kunststoff umspritzt werden. Durch diese Maßnahme ist die genaue Positionierung der Geberelemente 8a–k zueinander im Spritzgusswerkzeug vereinfacht.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht der mit Kunststoff bzw. Duroplast ummantelte Geber 8 bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Das daraus gebildete Geberrad 6 ist in einem nicht zeichnerisch dargestellten Öl aufweisenden Raum respektive Ölraum der elektrischen Maschine 1 angeordnet. Wie bereits oben dargetan, beschränkt sich die Erfindung jedoch nicht auf einen metallischen Geber 8 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, sondern erfasst jedweden metallischen Werkstoff. So kann der metallische Geber beispielsweise auch aus Stahl oder Aluminium bestehen.
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Wie der 1 noch zu entnehmen ist, ist dem Geberrad 6 ein an sich bekannter Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensor 10 der Vorrichtung zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung, bevorzugt ein Wirbelstromsensor, zugeordnet. Unter einem Wirbelstromsensor wird im Allgemeinen ein berührungsloser Sensor zur Anwesenheitserkennung und Abstandsmessung für metallische Objekte in kleinen Abständen, mit hoher Geschwindigkeit sowie auch mit hoher Genauigkeit verstanden. Da in nicht leitenden Medien keine Wirbelströme entstehen, sind Messungen unter Öl und Wasser sowie bei starken Verschmutzungen möglich. Wirbelstromsensoren basieren auf dem Prinzip, dass der Sensorkopf durch ein magnetisches Wechselfeld im elektrisch leitfähigen Objekt Wirbelströme induziert, deren Joulsche Verluste sich proportional zum Abstand verändern, was erfasst und gemessen wird. Die Wirbelstromsensoren geben ein zum Abstand proportionales analoges Strom- oder Spannungssignal aus. Im Sensorkopf des Wirbelstromsensors ist eine mit hochfrequentem Wechselstrom gespeiste Spule integriert, die ein elektromagnetisches Feld um die Spule ausbildet, dessen Feldlinien aus der Sensorebene austreten. Wenn sich ein elektrisch leitfähiges Objekt, vorliegend ein jedes Geberelement 8a–k des Gebers 8 respektive des Geberrades 6, der Sensorfläche annähert, passieren die Feldlinien das Objekt und induzierten im Objekt Wirbelströme. Diese Wirbelströme im Objekt bilden wiederum ein elektromagnetisches Feld aus, welches dem Spulenfeld entgegenwirkt, wodurch sich die Spulenimpedanz verändert. Diese Wirbelstromverluste steigen an, je mehr sich das Objekt der Sensorfläche annähert. Die Impedanz der Sensorspule wird als Änderung der Amplitude sowie der Phasenlage erfasst und ausgewertet woraus sich ein dem Abstand proportionales analoges Strom- oder Spannungs-Signal 11 ergibt, welches wiederum einer elektronischen Auswerteinheit 12 bereitgestellt wird. Die Auswerteinheit 12 generiert dann beispielsweise ein Steuersignal 13 für einen nicht zeichnerisch dargestellten Signalgeber, zur Ansteuerung der Maschine 1, vorliegend elektrischen Maschine 1, zur Ansteuerung einer anderen Maschine und/oder zur Ansteuerung eines Aggregates.
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Der Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensor 10 respektive Wirbelstromsensor ist vorliegend achsparallel zur Drehachse der Welle 5 angeordnet. Durch die Erfindung miterfasst ist selbstverständlich auch eine Anordnung des Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensors 10 radial bzw. orthogonal zur Drehachse der Welle 5 (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschine
- 2
- Ständer
- 3
- Stator
- 4
- Bauteil / Rotor
- 5
- Welle
- 6
- Geberrad
- 7
- Grundkörper (Geberrad 6)
- 8
- Geber (Geberrad 6)
- 8a–k
- Geberelemente
- 9
- Lücke
- 10
- Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensor
- 11
- Signal
- 12
- Auswerteinheit
- 13
- Steuersignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5200698 A [0002]
- DE 102006049999 A1 [0002]
