DE10312126B3 - Umdrehungszähler - Google Patents

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Lothar Dr. Wilhelmy
Christian Steuer
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Baumer Huebner GmbH
Huebner Elektromaschinen GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/487Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by rotating magnets

Abstract

Bei einem Umdrehungszähler mit einem an dessen Nabe (1) gelagerten, mit einem Magneten (4) versehenen Schwenkarm (3) ist die Nabe (1) von Spulen (27-29) umgeben, in denen durch den mit der Nabe (1) umlaufenden Magneten (4) Spannungen induziert werden. Die im Wesentlichen in Umlaufrichtung der Nabe (1) angeordneten Spulen (27-29) weisen Kerne (24-26) auf, welche Spalte (19, 21, 23) von magnetisch leitenden Ringsegmenten (12-17) überbrücken, so dass durch den den Spulenbereich passierenden Magneten (4) der die jeweilige Spule durchsetzende magnetische Fluss schlagartig seine Richtung wechselt und durch diesen Richtungswechsel auch bei niedrigen Drehzahlen eine hinreichend große Spannung in der Spule induziert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Umdrehungszähler mit einer magnetisch leitenden, zur Aufnahme einer hinsichtlich ihrer Drehzahl zu überwachenden Welle dienenden Nabe, an der ein an seinem freien Ende mit einem Magneten versehener Schwenkarm gelagert ist, mit mehreren im Abstand voneinander und von der Nabe um diese herum angeordneten, Kerne aufweisenden Spulen, in deren Wicklungen durch den mit der Nabe umlaufenden Magneten Spannungen induziert werden, sowie mit mehreren die Nabe umgebenden, durch Spalte voneinander getrennten, magnetisch leitenden Ringsegmenten.
  • Ein Umdrehungszähler der vorstehenden Art ist aus der DE 201 17 022 U1 bekannt. Bei dem bekannten Gerät ist der den Magneten tragende Arm an der Stirnseite einer von einer Hohlwelle des Gerätes gebildeten Nabe befestigt, die von einem Ring umgeben ist, mit dem über radial nach außen gerichtete Stege Ringsegmente aus mag netisch leitendem Material verbunden sind. Mindestens ein Teil der Stege bildet Kerne von Spulen, in denen durch den umlaufenden Magneten Spannungen induziert werden. Die Ringsegmente stehen bei dieser Konstruktion ebenso wie der Schwenkarm über die Stirnseite der Hohlwelle vor. Die beschriebene Anordnung beansprucht nicht nur vergleichsweise viel Raum, sondern sie ist insbesondere bei der Messung der Drehzahl von Antrieben, die mit einer elektromagnetischen Bremse ausgestattet sind, vergleichsweise störempfindlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umdrehungszähler der in Betracht gezogenen Art zu schaffen, der besonders einfach und kompakt aufgebaut ist und bei dem auf einen besonderen Tragring für die die Ringsegmente haltenden Stege verzichtet werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Achsen der Spulen im wesentlichen in Umlaufrichtung der Nabe angeordnet sind und ihre Kerne jeweils einen Spalt zwischen aufeinander folgenden Ringsegmenten überbrücken.
  • Der erfindungsgemäße Umdrehungszähler ermöglicht nicht nur eine schmale Bauweise, sondern die bei ihm gewählte Anordnung der Spulen und Spulenkerne bietet einen entscheidenden funktionsmäßigen Vorteil, der darin besteht, dass beim Passieren des Spulenbereiches durch die Schwenkbewegung des Schwenkarmes der die jeweilige Spule durchsetzende magnetische Fluss schlagartig seine Richtung wechselt und der Richtungswechsel sich positiv auf die Höhe der in der Spule induzierten Spannung auswirkt.
  • Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Spulen im wesentlichen tangential zu den Ringsegmenten angeordnet sind. In diesem Fall kann der Abstand zwischen der Nabe und den Ringsegmenten klein gehalten werden.
  • Als kostengünstig erweist es sich, wenn sämtliche über den Umfang der Nabe verteilten Ringsegmente jeweils die gleiche Länge haben und die Zahl der über den Umfang der Nabe verteilten Ringsegmente doppelt so groß ist wie die Zahl der über den Umfang der Nabe verteilten Spulen.
  • Um die Masse des Schwenkarmes klein zu halten, empfiehlt es sich, den Schwenkarm nach Art eines im wesentlichen U-förmigen Bügels mit einem im Bereich des Bügeljoches angeordneten Magneten auszubilden. Die U-Form vermittelt dem Schwenkarm gegenüber einer ebenfalls möglichen T-Form eine größere Steifigkeit.
  • Die Bahn des Magnetflusses lässt sich dadurch positiv beeinflussen, dass man die Nabe an ihrem Umfang mit einer Mulde versieht, die sich über einen größeren Teil ihres Umfangs erstreckt als ein einzelnes Ringsegment und in deren Zentrum der den Magneten tragende Schwenkarm und mindestens ein radialer Vorsprung angeordnet sind, wobei die Kuppe des Vorsprungs in der Nähe des Magneten endet.
  • Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung einer in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1: eine Stirnansicht der wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Umdrehungszählers
  • 2: einen Schnitt längs der Linie II-II in 1
  • 3: eine der 1 entsprechende Stirnansicht, in der der Magnetfluss bei Annäherung des Schwenkarmes an einen von einer Spule überbrückten Spalt zwischen zwei Ringsegmenten dargestellt ist,
  • 4: eine der 2 entsprechende Stirnansicht, nachdem der Schwenkarm den Spalt passiert hat,
  • 5: eine der 4 entsprechende Stirnansicht bei weiter voranbewegtem Schwenkarm
  • 6: ein Schaltbild zur Auswertung der von den Wicklungen der Spulen generierten Spannungen.
  • In den 1 bis 5 ist 1 eine von einer Hohlwelle gebildete Nabe, die in an sich bekannter Weise mit einer nicht dargestellten Welle verbunden werden kann, deren Drehzahl gemessen werden soll. Die Nabe 1 weist an ihrer einen Seite eine Mulde 2 auf, in deren Zentrum ein Schwenkarm 3 gelagert ist, der einen in radialer Richtung magnetisierten Magneten 4 trägt. Der Schwenkarm 3 hat – wie aus 2 erkennbar die Form eines U-förmigen Bügels, dessen Schenkel 5, 6 einen Vorsprung 7 umschließen, dessen kreissegmentförmige Kuppe bis in die Nähe des den Magneten 4 tragenden Joches 8 des Bügels ragt. Zur Aufnahme der Schenkel 5, 6 des Bügels dienen seitliche Aussparungen, von denen einer in 1 die Bezugsziffer 9 zugeordnet ist. Gelagert ist der Schwenkarm 3 auf einer Achse 10 in der Nähe des Grundes der Aussparung 9. Im der Mulde 2 gegenüberliegenden Bereich der Nabe 1 ist die Nabe 1 mit einer Nut 11 versehen, die dem Gewichtsausgleich und der Vermeidung von Unwuchtserscheinungen dient.
  • Um die Nabe 1 herum sind im dargestellten Fall sechs identisch ausgebildete Ringsegmente 12 bis 17 angeordnet, wobei der Abstand zwischen der Nabe 1 und den Ringsegmenten 12 17 klein und gleich dem Abstand ist, den der Magnet 4 bei gestreckter Lage des Schwenkarms 3 von den Ringsegmenten 12 17 einnimmt. Die jeweils aufeinanderfolgenden Ringsegmente sind durch ungleich breite Spalte 18 bis 23 voneinander getrennt. Die jeweils breiteren Spalte 19, 21 und 23, deren Breite ge ringfügig kleiner als die Breite des Magneten 4 ist, sind durch die Kerne 24, 25 und 26 von Spulen 27, 28 und 29 überbrückt, wobei die Kerne 2426 Verlängerungen 30, 31; 32, 33 und 34, 35 aufweisen, deren Enden vorzugsweise durch Kleben mit jeweils zwei aufeinander folgenden Ringsegmenten 12, 13 bzw. 14, 15 bzw. 16, 17 verbunden sind.
  • Mit 36 ist ein Gehäuse bezeichnet, das die Ringsegmente 1217 sowie die Nabe 1 umgibt und eine Abschirmung gegen Störfelder bildet.
  • Zur Wirkungsweise des Umdrehungszählers wird auf die Folge der 3 bis 5 verwiesen. 3 zeigt einen sich bei Annäherung des Schwenkarmes 3 an den Bereich der Spule 28 ausbildenden Magnetfluss 37 im Uhrzeigersinn. Bei niedrigen Drehzahlen einer mit der Nabe 1 verbundenen, nicht dargestellten Welle kommt es zu einem vorgenannten "Klebeeffekt". Dieser Effekt wirkt sich so aus, dass der Schwenkarm 3 mit dem Magneten 4 bei Annäherung z. B. an den Spalt 21 bestrebt ist, am Ringsegment 14 "kleben" zu bleiben, d. h. aus seiner Radiallage in die in 4 bei 38 angedeutete "Linkslage" überzugehen. Mit zunehmenden Abstand zwischen dem Magneten 4 des Schwenkarms 3 vom rechten Ende des Ringsegmentes 14 wächst der Streufluss des Magneten 4 zum Ringsegment 15 soweit an, dass die Anziehungskräfte des Ringsegmentes 15 die Haltekräfte des Ringsegmentes 14 überwiegen. Unter dem Einfluss dieser Kräfteverschiebung wird der Schwenkarm 3 schlagartig wieder in seine gestreckte, radial nach außen gerichtete Lage zurückgeschwenkt, wobei es gleichzeitig zur Umkehr der Richtung des Magnetflusses 37 und zur Bildung eines Magnetflusses 41 kommt. Der spontane Lagewechsel aus der abgewinkelten "Schrägstellung" des Schwenkarmes 3 in seine gestreckte "Radialstellung" und die Umkehr der Richtung des Magnetflusses bieten die Gewähr dafür, dass auch bei langsamen Drehzahlen der Nabe 1 eine hinreichend große Spannung in der Spule 28 induziert wird, wobei sich insbesondere der Richtungswechsel des magnetischen Flusses positiv auf die Höhe der induzierten Spannung auswirkt.
  • Bei einer Drehbewegung der Nabe 1 aus der in 4 dargestellten Position in die in 5 dargestellte Position, d. h. bei einer Drehbewegung um α = 60°, gelangt der Schwenkarm 3 vom Spalt 21 zum Spalt 22, während die linke Ecke 39 der Mulde 2 sich von Spalt 20 zum Spalt 21 und die rechte Ecke 40 der Mulde 2 sich zum Spalt 23 bewegt. Im Laufe der vorgenannten Bewegung vergrößert sich der Bereich der Überdeckung des muldenfreien, zylindrischen Bereiches der Nabe 1 mit dem Ringsegment 14. Da der Abstand zwischen dem zylindrischen Teil der Nabe 1 und den Ringsegmenten 12 bis 17 kleiner ist als der Abstand zwischen dem Grund der Mulde 2 und den Ringsegmenten 12 bis 17, sinkt der magnetische Widerstand mit zunehmender Überdeckung zwischen dem zylindrischen Teil der Nabe 1 und dem Ringsegment 14, d. h. die Größe des magnetischen Flusses 41 nimmt zu. Dies bedeutet, dass bei hö heren Drehzahlen nach dem eigentlichen, durch den den Spalt 21 passierenden Magneten 4 in der Spule 28 ausgelösten Spannungsimpuls weiterhin eine Spannung in der Spule 28 induziert wird, die zwar deutlich niedriger als der eigentliche Spannungsimpuls ist, die jedoch ausreicht, um die den Spulen 27 bis 29 nachgeschaltete Elektronik durchgehend mit Spannung zu versorgen. Dies ist für den Betrieb des Umdrehungszählers bei hohen Drehzahlen von Vorteil, da sich nicht nur der Wirbelstromeffekt in den Ringsegmenten 12 bis 17 verlängernd auf die Spannungsdauer auswirkt, sondern sich der Wirkung des Wirbelstroms ein weiterer positiver Effekt hinzugesellt.
  • Der Winkel von 2 α = 120, über den sich die Mulde 2 erstreckt, kann in der Praxis auch kleiner sein und beispielsweise nur 90° betragen. Aus spannungstechnischer Sicht erweist sich ein Winkel von 2 α = 120° aber als besonders vorteilhaft, zumal der Winkel α = 60° mit den Längen bzw. Öffnungswinkeln der Ringsegmente 12 bis 17 harmoniert.
  • 6 zeigt das Blockschaubild einer Schaltung zur Auswertung der von den Spulen 27 bis 29 generierten Spannungen. Die Wicklungen der Spulen 27 bis 29 liegen jeweils in einer aus vier Dioden bestehenden Brückenschaltung. Die Brückenschaltungen versorgen die Leitung 42 mit gleichgerichteten Spannungsimpulsen, deren Höhe von der Drehzahl der Nabe 1 abhängt. Die gelieferten Spannungsimpulse durchlaufen eine Begrenzerschaltung 43, von der sie in eine elektronische Zählerschaltung 44 mit einem nicht-flüchtigen Speicher übertragen werden. Außerdem gelangen die von den Spulen 27 bis 29 generierten Spannungsimpulse nach ihrer Gleichrichtung über dreieckförmig angeordnete Dioden auf Impulsleitungen 45, 46 und 47 und werden, nachdem sie in der Begrenzerschaltung 43 ebenfalls auf eine geeignete Höhe begrenzt worden sind, ebenfalls als Zählimpulse auf die Zählerschaltung 44 gegeben, deren Zählerstand über eine Leitung 48 ausgelesen wird.

Claims (14)

  1. Umdrehungszähler mit einer magnetisch leitenden, zur Aufnahme einer hinsichtlich ihrer Drehzahl zu überwachenden Welle dienenden Nabe (1), an der ein an seinem freien Ende mit einem Magneten (4) versehener Schwenkarm (3) gelagert ist, mit mehreren im Abstand voneinander und von der Nabe (1) um diese herum angeordneten, Kerne (2426) aufweisenden Spulen (2729), in deren Wicklungen durch den mit der Nabe (1) umlaufenden Magneten (4) Spannungen induziert werden, sowie mit mehreren die Nabe (1) umgebenden, durch Spalte (1823) voneinander getrennten, magnetisch leitenden Ringsegmenten (1217), dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Spulen (2729) im wesentlichen in Umlaufrichtung der Nabe (1) angeordnet sind und ihre Kerne (2426) jeweils einen Spalt (19, 21, 23) zwischen aufeinander folgenden Ringsegmenten (1217) überbrücken.
  2. Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2426) im wesentlichen tangential zu den Ringsegmenten (1217) angeordnet sind.
  3. Umdrehungszähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (2426) der Spulen (2729) Verlängerungen (3035) aufweisen, deren Enden mit jeweils zwei aufeinander folgenden Ringsegmenten (1217) verbunden sind.
  4. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils nur ein Ende eines jeden Ringsegmentes (1217) mit einem Ende eines benachbarten Ringsegmentes über den Kern (2426) einer Spule (2729) verbunden ist.
  5. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Umfang der Nabe (1) verteilten Ringsegmente (1217) jeweils die gleiche Länge haben.
  6. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente (1217) sich über einen Winkel (α) von maximal 58° um den Umfang der Nabe {1) erstrecken.
  7. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (4) des Schwenkarmes (3) radial magnetisiert ist.
  8. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (3} nach Art eines im wesentlichen U-förmigen Bügels mit einem im Bereich des Bügeljoches (8) angeordneten Magneten {4) ausgebildet ist.
  9. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (1) an ihrem Umfang mit einer Mulde (2) versehen ist, in deren Zentrum der den Magneten (4) tragende Schwenkarm (3) gelagert ist.
  10. Umdrehungszähler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (2) sich über einen größeren Teil des Umfangs der Nabe (1) erstreckt als ein einzelnes Ringsegment (12).
  11. Umdrehungszähler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum der Mulde (2) mindestens ein radialer Vorsprung (7) angeordnet ist, dessen Kuppe in der Nähe des Magneten (4) endet.
  12. Umdrehungszähler nach den Ansprüchen 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (7) in einen von den Schenkeln (5, 6) des den Schwenkarm (3) bildenden Bügels begrenzten Zwischenraum ragt.
  13. Umdrehungszähler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (1) im Bereich des Vorsprunges (7) mit seitlichen Aussparungen (9) zur Aufnahme der Schenkel (5, 6) des U-förmigen Bügels versehen ist.
  14. Umdrehungszähler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der von den Kernen (2426) der Spulen (2729) überbrückten Spalte (19, 21, 23) zwischen den Ringsegmenten (1217) im wesentlichen gleich der sich in Umfangsrichtung der Nabe (1) erstreckenden Breite des Magneten (4) ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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