DE19623236C2 - Turbolader-Meßanordnung zum Messen der Drehzahl des Turboladers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbolader-Meßanord­ nung zum Messen der Drehzahl des Turboladers, mit sich im Innenraum und nahe an der Innenoberfläche einer Gehäusewand vorbeibewegenden Kompressorschaufeln, mit einem Permanentma­ gneten, dessen Permanentmagnetfeld jeweils auf den der Innenoberfläche zugewandten, elektrisch leitenden und nicht- ferromagnetischen Bereich der Kompressorschaufeln einwirkt, und mit einem Sensor, der beim Vorbeibewegen der Kompressor­ schaufeln Induktionssignale außerhalb des Innenraums mißt.

Eine derartige Meßanordnung ist für Kompressoren beispiels­ weise durch die DE-OS 18 01 421 bekanntgeworden.

Bei bekannten Meßverfahren der Drehzahl an Turboladern läuft auf der Turbinendrehachse des Turboladers ein Permanentma­ gnet mit, dessen Magnetfeld bis an die Innenoberfläche des Gehäuses geführt ist. Auf der Außenseite des Turboladerge­ häuses befindet sich eine Induktionsspule, in der bei jedem Durchgang des Magnetfeldes (S/N) ein Induktionssignal er­ zeugt wird. Die Frequenz dieser Induktionssignale entspricht der Drehzahl des Turboladers.

Aufgrund der auf der Kompressorseite von großen Turboladern auftretenden hohen Temperaturen von 160-180°C und mehr wer­ den Turboladergehäuse vorzugsweise aus (magnetischem) Grau­ gußeisen hergestellt, so daß dieses bekannte Meßverfahren, zumindest auf der Außenseite des Gehäuses, nicht verwendet werden kann.

Konstruktionsmäßig wird außerdem ein möglichst kleines Träg­ heitsmoment des Magneten, d. h. möglichst kleiner Radius und kleines Gewicht, gefordert, während meßtechnisch dagegen die Induktionsspule möglichst nahe an den Magneten herangebracht werden soll. Je weiter nämlich die Induktionsspule vom Ma­ gneten entfernt ist, desto schwieriger ist es, ein definier­ tes Signal zu erhalten. Je nach Bauart des Turboladers sind verschiedene Konstruktionen bekannt.

Ein anderes Meßverfahren, die Drehzahl in einem Gerät von außen festzustellen, ist beispielsweise durch den Automotive Wheel Speed Sensor von Matsushita Automation Controls be­ kanntgeworden.

Bei diesem Meßverfahren wird eine Magnetspule mit einem hochfrequenten Wechselstrom erregt und so ein ebenfalls hochfrequentes (primäres) Magnetfeld erzeugt. Bei Vorhanden­ sein eines flächenmäßig etwas ausgedehnten Körpers vor der Stirnfläche der Spule werden in ihm um die verlängerte Spu­ lenachse herum ringförmig verlaufende Wechselströme in oder nahe der Oberfläche angeregt, sogenannte Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein (sekundäres) Magnet­ feld, welches dem primären Magnetfeld entgegenwirkt, wodurch das System gedämpft wird. Diese Dämpfung wird meßtechnisch ausgewertet.

Soll mit diesem Wirbelstrom-Meßverfahren z. B. die Drehzahl in einem Gerät bestimmt werden, läuft auf der Drehachse ein nicht-magnetisches Metallrad mit möglichst breiten und fla­ chen Erhebungen (Zähnen) mit. Da sich nur die Zähne nah ge­ nug an der Magnetspule vorbeibewegen, können sich nur in de­ ren Zähne Wirbelströme ausbilden. Aus der auftretenden Dämp­ fung läßt sich die Drehzahl des Metallrads errechnen.

Mit diesem Wirbelstrom-Meßverfahren kann die Drehzahl bis zum Stillstand des Metallrads bzw. der Drehachse gemessen werden. Allerdings darf sich zwischen der Magnetspule und dem Zahnrad keine Gehäusewand aus elektrisch leitendem Mate­ rial befinden, weil diese unmittelbar eine Dämpfung bewirken würde. Das Gehäuse darf auch nicht aus magnetischem Material bestehen, da sonst keine Signale aus dem Innenraum mehr ge­ messen werden können. Außerdem muß, damit in den Oberflächen der Zähne überhaupt Wirbelströme erzeugt werden können, die Oberfläche der Zähne ausreichend flächenhaft ausgedehnt sein.

Ein weiteres bekanntes Meßverfahren, um z. B. Drehzahlen au­ ßerhalb eines Innenraums feststellen zu können, ist eine ka­ pazitive Messung innerhalb einer Bohrung in der Innenseite einer Gehäusewand. Dieses Meßverfahren wird insbesondere bei Gehäusen aus magnetischem Material eingesetzt. Diese kapazi­ tive Messung erfordert aber eine Versorgungsspannung am Meß­ ort und erlaubt wegen der gemessenen hochohmigen Signale ei­ ne Signal-Auswertung nur direkt am Meßort, die aber sehr starkem Temperatureinfluß unterliegt.

Aus der eingangs genannten DE-OS 18 01 421 ist eine Meßan­ ordnung zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit eines Kom­ pressors mit Kompressorschaufeln aus elektrisch leitendem, nicht-ferromagnetischem Material bekannt. Dazu ist in einer Öffnung des Kompressorgehäuses ein Permanentmagnet angeord­ net, dessen Magnetfeld unmittelbar auf die vorbeilaufenden Flügel wirkt und in diesen jeweils Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme ihrerseits erzeugen ein Magnetfeld, das dem die Wirbelströme erzeugenden Feld entgegengesetzt und dessen Feldänderung von außen meßbar ist, jedesmal wenn eine Kompressorschaufel durch das Permanentmagnetfeld hindurch­ geht. Allerdings muß bei dieser bekannten Meßanordnung im Gehäuse stets eine Öffnung vorgesehen sein.

Aus der DE 31 30 338 A1 ist weiterhin ein Umdrehungsfühler für einen Taumelscheiben-Kompressor bekannt, bei dem eine geschlossene Gehäusewand aus Aluminium nur in Verbindung mit einem magnetischen Körper an der Taumelscheibe vorgesehen ist. Über ein durch die Gehäusewand hindurch auf den magne­ tischen Körper wirkendes Permanentmagnetfeld können entspre­ chende Induktionssignale außen gemessen werden.

Schließlich ist in der Zeitschrift "Instruments and Control Systems", Vol. 34, H. 10, Oktober 1970, Seite 52 eine Anord­ nung zum Messen der Drehzahl bei Turbinen-Durchflußmessern bekannt, wobei das Material des Gehäuses nicht angegeben ist und z. B. aus Kunststoff bestehen kann, was bei Durchflußmes­ sern ohne auftretende thermische Erwärmung aus Kostengründen sogar sehr wahrscheinlich ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Turbolader-Meßanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Drehzahl der sich im Innenraum bewe­ genden Kompressorschaufeln auch bei einem geschlossenen Ge­ häuse möglichst einfach bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß überraschend einfach da­ durch gelöst, daß der Permanentmagnet außerhalb der ge­ schlossenen Gehäusewand, die zumindest im Bereich zwischen Permanentmagnet und Innenraum elektrisch leitend und nicht- ferromagnetisch ist, angeordnet ist und daß die Dicke der Kompressorschaufeln in dem der Innenoberfläche zugewandten Bereich in Bewegungsrichtung der Kompressorschaufeln kleiner als 1 mm ist.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren hat damit den wesentlichen Vorteil, daß keine Permanentmagnete an der Turbolader-Dreh­ achse oder ferromagnetische Teile an bzw. in den Kompressor­ schaufeln erforderlich sind. Die Bewegungsmessung eines sich bewegenden Teils kann - bei geeigneter Materialwahl und Wandstärke - auch durch die Gehäusewand erfolgen. Anders als das hochfrequente Magnetfeld beim bekannten Wirbelstrom-Meß­ verfahren durchdringt das Permanentmagnetfeld auch Gehäuse­ wände aus elektrisch leitendem, nicht-magnetischen Material bis zu einer gewissen materialabhängigen Wandstärke. Bei ei­ ner Gehäusewand aus Aluminium sind zumindest bis zu einer Wandstärke von 30 mm auswertbare Signale aus dem Innenraum zu empfangen.

Die erfindungsgemäße Turbolader-Meßanordnung benötigt keine eigene Spannungsversorgung. Die gemessenen Induktionssignale sind niederohmig, d. h. stabil und störfest, und können pro­ blemlos zu einem temperaturverträglichen Ort weitergeleitet und ausgewertet werden.

Die erfindungsgemäße Turbolader-Meßanordnung ist von der Ge­ häuseform des Gerätes unabhängig und eignet sich zum Erfas­ sen von periodischen oder nicht-periodischen, wie z. B. ein­ maligen, sowie von linearen oder rotierenden Bewegungsvor­ gängen eines Teils.

Bei Turboladern in Pkw's können Drehzahlen bis zu 200 000 min^-1 auftreten, so daß bisher aufgrund von auf der Drehach­ se angeordnetem Permanentmagneten sehr hohe Zentrifugalkräf­ te auftraten. Die Kompressorschaufeln bestehen meist aus Aluminium und weisen Wandstärken von bis unter 0,5 mm auf. Ein Konstrukteur z. B. von Turboladern ist von den Zwängen, die ihm die Drehzahlmessung bisher zusätzlich auferlegt ha­ ben, durch das erfindungsgemäße Meßverfahren vollkommen frei.

Diese erfindungsgemäße Turbolader-Meßanordnung erlaubt ein leichtes Nachrüsten bei älteren Turboladern, ist unabhängig von der Form des Ladergehäuses und ergibt ein niederohmiges stabiles (störfestes) Signal, weil der Sensor ein aktiver, versorgungsfreier Signalgeber ist und das Signal zu einem temperaturverträglichen Ort zur Auswertung weitergeleitet werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Permanentmagnet auf der Außenoberfläche der geschlossenen Gehäusewand angebracht. Eine nicht-magnetische und elek­ trisch nicht-leitende Gehäusewand beeinträchtigt das Primär­ magnetfeld nicht.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sen­ sor eine Induktionsspule, die den Magneten umgibt oder die getrennt vom Magneten angeordnet ist. Die getrennte Anord­ nung hat den Vorteil, daß die Induktionsspule und der Magnet auf der Außenseite des Gerätes voneinander unabhängig so "justiert" werden können, bis ein deutliches Signal mit der Induktionsspule gemessen wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in weiterer Ausführungs­ form der Magnet ein Stabmagnet oder ein Hufeisenmagnet ist. Insbesondere ist bei einem Hufeisenmagneten eine leichte Einstellung des Permanentmagnetfeldes durch Drehen des Mag­ neten um seine Längsachse möglich.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein geschlossenes Turbo­ ladergehäuse, auf dessen Außenseite eine Meßan­ ordnung angebracht ist, wobei nur eine Kompres­ sorschaufel einer Kompressorturbine gezeigt ist;

Fig. 2 in perspektivischer Seitenansicht die Turbolader- Meßanordnung der Fig. 1; und

Fig. 3 die Turbolader-Meßanordnung der Fig. 1 mit einem Hufeisenmagneten.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein Turboladergehäuse allgemein bezeichnet. In dem Innenraum 5 des Gehäuses 1 dre­ hen sich Kompressorschaufeln 6 in Drehrichtung 8 um eine Drehachse 7, wobei in der Zeichnung nur eine Kompressor­ schaufel dargestellt ist. Das äußere Ende der Kompressor­ schaufel 6 bewegt sich nahe an der Innenoberfläche 4 der Ge­ häusewand 2 vorbei. Auf die Außenoberfläche 3 der Gehäuse­ wand 2 ist ein Stabmagnet 9 aufgesetzt, dessen Südpol S im gezeigten Ausführungsbeispiel der Gehäusewand 2 zugewandt ist. Um den Stabmagneten 9 herum ist eine Induktionsspule 10 angeordnet.

Die Kompressorschaufel 6 besteht zumindest in dem der Innen­ oberfläche 4 zugewandten Bereich aus elektrisch leitendem Material, z. B. aus Aluminium. Die Gehäusewand 2 besteht bei dieser Ausführungsform aus nicht-magnetischem aber elek­ trisch leitendem Material, vorzugsweise aus Aluminium. Die Dicke der Gehäusewand 2 ist konstruktiv vorgegeben. Der Stabmagnet 9 und die Induktionsspule 10 können aber so ge­ staltet werden, daß dennoch auswertbare Induktionssignale erzielt werden.

In Fig. 2 ist die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Turbolader-Meßanordnung schematisch dargestellt. Die vom Südpol 5 des Stabmagneten 9 nach unten austretenden Feldli­ nien des (primären) Magnetfelds B treffen auf die Oberseite 13 der sich am Stabmagnet 9 vorbeibewegenden Turbinenschau­ fel 6 im wesentlichen rechtwinklig auf. Die sich in Dreh­ richtung 8 bewegende Kompressorschaufel 6 weist eine Ge­ schwindigkeitskomponente v rechtwinklig zum Magnetfeld B auf. Aufgrund der Lorenzkraft F = qv × B wird in der Ober­ seite 13 ein Induktionsstrom I induziert. Die Dicke der Kom­ pressorschaufel 6 im Bereich der Oberseite 13 ist mit d be­ zeichnet und beträgt im Ausführungsbeispiel 0,2 mm. Dieser Induktionsstrom I erzeugt seinerseits ein sekundäres Magnet­ feld, das dem Magnetfeld B des Stabmagneten 9 entgegenwirkt und in der Induktionsspule 10 eine Induktionsspannung U_ind induziert.

Fig. 3 zeigt eine weitere Meßanordnung, bei der der auf die Außenoberfläche 3 aufgesetzte Magnet als Hufeisen-Magnet 14 ausgebildet ist. Die Induktionsspule 15 befindet sich auf dem Nordpolschenkel des Hufeisenmagneten 14.

Claims (6)

1. Turbolader-Meßanordnung zum Messen der Drehzahl des Turboladers, mit sich im Innenraum (5) und nahe an der Innenoberfläche (4) einer Gehäusewand (2) vorbeibewe­ genden Kompressorschaufeln (6),
mit einem Permanentmagneten (9; 14), dessen Permanent­ magnetfeld (B) jeweils auf den der Innenoberfläche (4) zugewandten, elektrisch leitenden und nicht-ferromagne­ tischen Bereich der Kompressorschaufeln (6) einwirkt, und mit einem Sensor (10; 15), der beim Vorbeibewegen der Kompressorschaufeln (6) Induktionssignale außerhalb des Innenraums (5) mißt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (9; 14) außerhalb der geschlos­ senen Gehäusewand (2), die zumindest im Bereich zwi­ schen Permanentmagnet (9; 14) und Innenraum (5) elek­ trisch leitend und nicht-ferromagnetisch ist, angeord­ net ist und
daß die Dicke (d) der Kompressorschaufeln (6) in dem der Innenoberfläche (4) zugewandten Bereich in Bewe­ gungsrichtung (8) der Kompressorschaufeln (6) kleiner als 1 mm ist.

2. Turbolader-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (9; 14) auf der Außenoberfläche (3) der geschlossenen Gehäusewand (2) angebracht ist.

3. Turbolader-Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10; 15) eine Induktionsspule ist, die den Permanentmagneten (9; 14) umgibt oder die getrennt vom Permanentmagneten (9; 14) angeordnet ist.

4. Turbolader-Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (9; 14) ein Stabmagnet oder ein Hufeisenmagnet ist.

5. Turbolader-Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressorschaufeln (6) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebil­ det sind.

6. Turbolader-Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Ge­ häusewand (2) aus Aluminium gebildet ist.