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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Unter Rotationseigenschaften sind dabei allgemein Eigenschaften zu verstehen, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreiben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Winkelgeschwindigkeiten, Drehzahlen, Winkelbeschleunigungen, Drehwinkel, Winkelstellungen oder andere Eigenschaften handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements charakterisieren können. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 120 - 125 beschrieben.
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Ein besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung, auf welche die Erfindung jedoch grundsätzlich nicht beschränkt ist, liegt in einer Drehzahlerfassung, insbesondere der Drehzahlerfassung von Aufladeeinrichtungen, insbesondere in Abgasturboladern. Diese Drehzahlerfassung kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Drehzahl eines Laufrads des Abgasturboladers zu erfassen. Dieses Laufrad ist in der Regel mit einer Mehrzahl von äquidistanten Verdichterschaufeln ausgestattet.
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Aus der
DE 10 2010 042 253 A1 ist eine Drehzahlerfassungseinrichtung bekannt, deren schaftförmiges Sensorgehäuse in eine als Sackbohrung ausgeführte Öffnung des Gehäuses der Aufladeeinrichtung eintauchbar ist.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird somit typischerweise ein zylindrischer Sensor verwendet, welcher einen möglichst geringen Durchmesser aufweist und von außen in eine Bohrung des Gehäuses eingebracht wird. Vorteilhaft aus fertigungstechnischer Sicht ist die Auslegung der Bohrung für den Sensor als Sackloch. Derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Bohrungen zur Aufnahme zylindrischer, beispielsweise stiftförmiger, Sensoren bedingen jedoch in der Regel geringe Durchmesser des Sensors. Bei Sacklochbohrungen tritt zusätzlich, im Vergleich zu Durchgangsbohrungen, durch das zwischen dem Sensor und dem Verdichterrad angeordnete Gehäusematerial, in der Regel eine Signalabschwächung auf. Während des Betriebs der Aufladeeinrichtung kann die Resonanzfrequenz des Sensors ein zusätzliches Ausgangssignal im funktionalen Bereich erzeugen. Dies kann ein Rauschen verursachen und das Endsignal ist nicht klar genug zur genauen Drehzahlerfassung.
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Offenbarung der Erfindung
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Dementsprechend wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements vorgeschlagen, welche die Nachteile der vorstehend beschriebenen Sensorvorrichtung minimiert und welche ein genaues Endsignal liefert.
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Wie zuvor beschrieben, kann es sich bei der Rotationseigenschaft grundsätzlich um eine beliebige Eigenschaft handeln, welche eine Drehung und/oder Rotation des rotierenden Elements charakterisiert. Insbesondere kann die Rotationseigenschaft eine Drehzahl sein oder eine Drehzahl umfassen. Die Sensorvorrichtung kann insbesondere zur Erfassung einer Drehzahl eines Verdichters eines Abgasturboladers eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Einsatzgebiete möglich.
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Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst ein Sensorgehäuse und ein Sensorelement. Das Sensorelement ist in dem Sensorgehäuse angeordnet bzw. von diesem umschlossen. Das Sensorgehäuse ist zum Einbringen in eine Gehäuseöffnung eines Gehäuses des rotierenden Elements ausgebildet. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin ein Kompensationselement auf. Das Kompensationselement umgibt das Sensorgehäuse zumindest teilweise. Das Kompensationselement weist Rastelemente auf, die zum Anliegen an das Sensorgehäuse und zum Anliegen an eine die Gehäuseöffnung begrenzende Gehäusewand ausgebildet sind.
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Die Rastelement sorgen dabei für einen sicheren Halt des Kompensationselements einerseits auf dem Sensorgehäuse und andererseits in der Gehäuseöffnung. Das Kompensationselement bewirkt dadurch eine Verschiebung der Resonanzfrequenz in einen sicheren Frequenzbereich, der keinen verfälschenden Einfluss auf das Messsignal des Sensorelements hat. Das Messsignal kann beispielsweise in einer vorzugsweise in der Sensorvorrichtung integrierten elektronischen Schaltung weiter verstärkt werden, ohne dass ein Signalfehler mit verstärkt wird.
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Die Rastelemente können federelastisch ausgebildet sein. Die federelastische Vorspannung bewirkt ein besonders guten Halt des Kompensationselements einerseits auf dem Sensorgehäuse und andererseits in der Gehäuseöffnung.
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Die Rastelemente können im Wesentlichen hakenförmig, krallenförmig oder zungenförmig ausgebildet sein. Dadurch verhindern diese zuverlässig ein verrutschen des Kompensationselements.
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Das Kompensationselement kann im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet sein. Dies erlaubt ein einfaches Aufschieben des Kompensationselements auf das Sensorgehäuse.
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Das Kompensationselement kann einen im Wesentlichen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Dadurch weist das Kompensationselement eine dauerstabile Form auf.
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Ein Teil der Rastelemente von dem Kompensationselement kann nach innen vorstehen und ein anderer Teil der Rastelemente kann von dem Kompensationselement nach außen vorstehen. Dies sorgt für einen gleichmäßigen Halt des Kompensationselements.
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Die Rastelemente können in einer Umfangsrichtung des Kompensationselements gleichmäßig verteilt angeordnet sein. Dies sorgt für einen besonders gleichmäßigen Halt des Kompensationselements.
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Das Kompensationselement kann aus Metall, insbesondere rostfreien Stahl, hergestellt sein. Dadurch lässt sich die Resonanzfrequenz der Sensorvorrichtung besonders gut in den sicheren Frequenzbereich verschieben.
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Das Sensorelement kann mindestens einen Magnetfelderzeuger zur Erzeugung eines magnetischen Feldes am Ort des rotierenden Elements und mindestens einen Magnetsensor zur Erfassung eines durch Wirbelströme des rotierenden Elements erzeugten Magnetfelds umfassen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung kann das Sensorelement insbesondere mindestens eine Spule umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass durch den Einsatz von Spulen zur Bereitstellung eines nach dem Wirbelstrom-Prinzip arbeitenden Magnetsensors bereits bei verhältnismäßig geringen Spulenquerschnitten ein Ausgangssignal mit einer verhältnismäßig hohen Signalamplitude und eine in Abhängigkeit der Rotationsbewegung des rotierenden Elementes hohe Signalqualität erhalten werden kann. Die Signalqualität des Ausgangssignals eines Magnetsensors mit einer Spule zeichnet sich bei hohen Umdrehungszahlen insbesondere durch einen vergleichsweise hohen Signal-Rausch-Abstand aus. Gleichzeitig lassen sich durch die Verwendung von Spulen Temperaturempfindlichkeiten, welche beispielsweise bei Halbleiter-Magnetsensoren oder magnetoresistiven Sensoren auftreten, vermeiden.
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Hierbei ist es ferner besonders von Vorteil, wenn die Spule einen Polstift des Sensorelements zumindest teilweise umschließt. Hierdurch wird ein hoher magnetischer Fluss durch den Polstift, welcher zugleich in seinem von der Spule umschlossenen Bereich einen Kern der Spule bildet, in besonders vorteilhafter Weise zur Induzierung eines Stromflusses aufgrund des Wirbelstrom-Effekts innerhalb der Spule ausgenutzt. Dieser in der Spule induzierte Strom bildet zugleich die Grundlage für das Ausgangssignal des Magnetsensors. Dies bedeutet, dass wahlweise der induzierte Strom unmittelbar oder aber ein in Abhängigkeit dessen erzeugtes Signal als Ausgangssignal des Magnetsensors an entsprechend vorgesehenen Anschlusskontakten des Magnetsensors bereitgestellt werden kann.
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Der Magnetfelderzeuger kann insbesondere mindestens einen, beispielsweise genau einen, zwei, drei oder mehr Permanentmagnete umfassen, bzw. aus diesen gebildet sein. Allgemein kann auch der mindestens eine Magnetfelderzeuger, insbesondere der mindestens eine Permanentmagnet, an einer seiner beiden Polflächen ganz oder teilweise über eine entsprechende Kontaktfläche mit dem Polstift flächig in Verbindung stehen.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Sensorvorrichtung als Steckfühler ausgestaltet ist und somit als einteilige Baugruppe die Montage sowie auch die Instandhaltung erheblich vereinfacht.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kommt bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich, bei der Drehzahlerfassung von Aufladeeinrichtungen, insbesondere im Bereich von Verdichterrädern von Abgasturboladern, zum Einsatz. Bekanntermaßen weisen die Verdichterräder eine Mehrzahl an näherungsweise äquidistant angeordneten Verdichterschaufeln auf. Die Verdichterschaufeln sind hierbei bevorzugt aus einem unmagnetischen und elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Aluminium oder einer Titanlegierung oder einer anderen Leichtmetalllegierung gefertigt und weisen eine Kontur auf, die üblicherweise der sich im Bereich der Verdichterschaufeln verjüngenden Kontur des Verdichtergehäuses entspricht. Insbesondere im Bereich des mit der Kontur des Verdichtergehäuses kooperierenden/kongruierenden äußeren Abschnitts der Verdichterschaufeln ist eine abschnittsweise Ausbildung der Verdichterschaufeln aus einem entsprechenden elektrisch leitfähigen Material der Erzielung des gewünschten Wirbelstromeffekts dienlich.
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Weiterhin wird ein Verdichter vorgeschlagen, welcher insbesondere zum Einsatz in einem Abgasturbolader vorgesehen ist. Der erfindungsgemäße Verdichter umfasst hierbei bevorzugt ein Gehäuse und ein von dem Gehäuse umschlossenes Verdichterrad, welches eine Mehrzahl von Verdichterschaufeln umfasst. Weiterhin ist es hierbei vorgesehen, dass der Verdichter mindestens eine in das Gehäuse eingebrachte Sensorvorrichtung aufweist, wobei die Sensorvorrichtung eingerichtet ist, um eine Rotationseigenschaft des Verdichterrads zu erfassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigt:
- 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einem montierten Zustand,
- 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters mit einer im Gehäuse montierten Sensorvorrichtung,
- 3 eine perspektivische Ansicht des Kompensationselements,
- 4 eine Draufsicht des Kompensationselements,
- 5 eine Seitenansicht des Kompensationselements,
- 6 eine weitere Seitenansicht des Kompensationselements,
- 7 eine Schnittansicht des Kompensationselements und
- 8 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Kompensationselements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 in einem montierten Zustand. Wie der Darstellung von 1 hierbei entnommen werden kann, weist die bevorzugte Ausführungsform der Sensorvorrichtung 10 ein Sensorgehäuse 12 und ein Sensorelement 14 auf. Das Sensorelement 14 ist in dem Sensorgehäuse 12 angeordnet. Insbesondere ist das Sensorelement 14 von dem Sensorgehäuse 12 umschlossen. Das Sensorgehäuse 12 ist zum Einbringen in eine Gehäuseöffnung 16 eines Gehäuses 18 eines rotierenden Elements 20 (2) ausgebildet. Insbesondere ist das Sensorgehäuse 12 im Wesentlichen schaftförmig oder rohrförmig ausgebildet. Die Gehäuseöffnung 16 ist bevorzugt eine Bohrung 22, insbesondere eine Sacklochbohrung. Die Sensorvorrichtung 10 weist weiterhin ein Kompensationselement 24 auf. Das Kompensationselement 24 umgibt das Sensorgehäuse 12 zumindest teilweise. So umgibt das Kompensationselement 24 das Sensorgehäuse 12 in Umfangsrichtung vollständig und erstreckt sich über einen Teil der Länge des Sensorgehäuses 12. Das Kompensationselement 24 weist Rastelemente 26 auf, die zum Anliegen an das Sensorgehäuse 12 und zum Anliegen an eine die Gehäuseöffnung 16 begrenzende Gehäusewand 28 ausgebildet sind.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters 30 mit einer im Gehäuse 18 montierten Sensorvorrichtung 10. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Kompensationselement 24 in 2 nicht dargestellt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das rotierende Element 20 entsprechend ein von dem Gehäuse 18 umschlossenes Verdichterrad 32 mit einer Mehrzahl von Verdichterschaufeln 34. Das Verdichterrad 32 rotiert im Betrieb um eine Rotationsachse 36. Das Gehäuse 18 ist dabei an die Kontur des Verdichterrads 32 angepasst, insbesondere die Kontur einer Verdichterschaufel 34.
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Das Sensorelement 14 umfasst einen Magnetfelderzeuger 38, einen optionalen Polstift 40 sowie einen Magnetsensor 42 aufgenommen sind. Der Polstift 40 ist hierbei bevorzugt von dem Magnetfelderzeuger 38 aus betrachtet in Richtung des rotierenden Elements 20 bzw. Verdichterrads 32 angeordnet. Der Polstift 40 ist bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform im Wesentlichen T-förmig ausgestaltet und grenzt mit seiner auf der Darstellung oberen Fläche an den Magnetfelderzeuger 38 an. Ferner ist der Darstellung von 2 zu entnehmen, dass der Magnetsensor 42, bei welchem es sich beispielsweise um eine Spule handeln kann, in der Darstellung von 2 unterhalb des horizontal verlaufenden Abschnitts des im Wesentlichen T-förmigen Polstifts 40 angeordnet ist und weiterhin den mit einem senkrechten Verlauf dargestellten Abschnitt des Polstifts 40 bevorzugt ringförmig umschließt.
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Der Darstellung von 2 ist hierbei insbesondere zu entnehmen, dass die an dem Verdichterrad 32 angeordneten Verdichterschaufeln 34 bei ihrer gemeinsamen Bewegung um die Rotationsachse 36 im Bereich des Gehäuseabschnitts 20 an der Stirnfläche der Sensorvorrichtung 10 bzw. des Sensorgehäuses 12 vorbeigeführt werden. Hierbei wird insbesondere ein von dem Magnetfelderzeuger 38 der Sensorvorrichtung 10 erzeugtes Wirbelstromfeld von den bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigem Material bestehenden Verdichterschaufeln 34 eingefangen und aufgrund ihrer Bewegung im Wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung des Magnetfeldes werden die durch den Polstift 40 zu dem Magnetfelderzeuger 38 geleiteten magnetischen Feldlinien derart beeinflusst, dass eine Schwankung des magnetischen Flusses innerhalb des Polstiftes 40 einen Strom in dem den Polstift 40 umschließenden Magnetsensor 42 induziert. Diese, aufgrund der Beeinflussung des Feldes durch die Wirbelströme in den Verdichterschaufeln, in dem Magnetsensor 42 erzeugte Induktionsspannung kann von der Sensorvorrichtung 10 erfasst werden und wahlweise unmittelbar als Ausgangssignal der Sensorvorrichtung 10 oder aber zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals genutzt werden.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kompensationselements 24. 4 zeigt eine Draufsicht des Kompensationselements 24. 5 zeigt eine Seitenansicht des Kompensationselements 24. 6 zeigt eine weitere Seitenansicht des Kompensationselements 24. Die Seitenansicht der 6 ist im Vergleich zu der Seitenansicht der 5 etwas versetzt. 7 zeigt eine Schnittansicht des Kompensationselements 24. Der Schnitt verläuft dabei entlang der Linie A-A der 4. 8 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Kompensationselements 24. Das Kompensationselement 24 ist aus Metall und bevorzugt rostfreiem Stahl hergestellt, wie beispielsweise 1.4310 gemäß der zum Zeitpunkt dieser Anmeldung geltenden Norm EN 10027. Das Kompensationselement 24 ist im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet. Das Kompensationselement 24 weist einen im Wesentlichen sechseckigen Querschnitt auf. Die Rastelemente 26 sind in einer Umfangsrichtung des Kompensationselements 24 gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Rastelemente 26 sind federelastisch ausgebildet. Die Rastelemente 26 sind im Wesentlichen hakenförmig, krallenförmig oder zungenförmig ausgebildet. Die Rastelemente 26 müssen dabei nicht identische Formen aufweisen. Beispielsweise ist ein Teil der Rastelemente 26 krallenförmig oder hakenförmig ausgebildet, wohingegen ein anderer Teil der Rastelemente 26 zungenförmig ausgebildet ist. Die Rastelemente 26 sind mit dem Kompensationselement 24 verbunden oder integral damit ausgebildet. Insbesondere sind zwischen dem Kompensationselement 24 und den Rastelementen 26 abgerundete Aussparungen 44 ausgebildet, wie in 8 gezeigt ist. Die Aussparungen 44 weisen einen tangentialen Übergang zu dem Kompensationselement 24 und den Rastelementen 26 auf, um Spannungen nach einer Belastung zu verteilen.
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Weiterhin steht ein Teil der Rastelemente 26 von dem Kompensationselement 24 nach innen vor und ein anderer Teil der Rastelemente 26 steht von dem Kompensationselement 24 nach außen vor, wie beispielsweise der Darstellung der 7 zu entnehmen ist. Die nach innen und nach außen vorstehenden Rastelement 26 können dabei in einer alternierenden Reihenfolge vorgesehen sein. Freie Enden 46 derjenigen Rastelemente 26, die nach außen vorstehen, sind derart ausgebildet, dass sie eine Ein-Punkt-Berührung mit der Gehäusewand 28 vorsehen. Beispielsweise sind die freien Enden 46 derjenigen Rastelemente 26, die nach außen vorstehen, derart gestanzt, dass die eine kleine sphärische Form aufweisen, um eine Zwei-Punkt-Berührung zu vermeiden. Weiterhin können sich die freien Enden 46 derjenigen Rastelemente 26, die nach außen vorstehen, verjüngen. Für freie Enden 48 derjenigen Rastelemente 26, die nach innen vorstehen, besteht keine Notwendigkeit, irgendwelche gestanzten Merkmale vorzusehen, um eine Zwei-Punkt-Berührung zu vermeiden. Das Kompensationselement 24 bewirkt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz der Sensorvorrichtung 10 in einen sicheren Frequenzbereich, der keinen verfälschenden Einfluss auf das Messsignal des Sensorelements 14 hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010042253 A1 [0003]
