DE19927759A1

DE19927759A1 - Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE19927759A1
Application number: DE1999127759
Authority: DE
Inventors: Rudolf Gebhardt; Herbert Blasig
Original assignee: Siemens Krauss Maffei Lokomotiven GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2001-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmessung und dient bevorzugt der Überwachung der Distanz zwischen einem ferromagnetischen gezahnten Polrad und einem magnetisch sensitiven, in unmittelbarer Nähe des Polrades positionierten Sensor, mit dem die Bewegung des Zahnrades detektiert wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein magneto-elektrischer Wandler an der Seitenfläche, bevorzugt in der neutralen Zone, eines Permanentmagneten positioniert wird, auf dessen dem Polrad zugewandten Polfläche der Sensor zur Erfassung der Bewegung des Polrades angeordnet ist. Bei Positionierung des Wandlers in der neutralen Zone heben sich die radialen Anteile des Magnetfeldes des Permanentmagneten auf und der Wandler wird im Nullpunkt betrieben. Bei einer Änderung des Abstandes des Bewegungssensors von dem Polrad wird die neutrale Zone des Permanentmagneten leicht verschoben. Dadurch wird der Wandler von einem Gesamtmagnetfeld ungleich Null durchsetzt und zeigt einen Ausschlag. Allein aus dem Vorzeichen ergibt sich, ob eine Annäherung oder eine Entfernung vom Polrad erfolgt ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Ab standsmessung zur Überwachung des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Organ, das mit Zähnen aus Permanentmagneten besetzt ist (aktives Organ) oder das aus ferromagnetischem Material besteht (passives Organ). Bevorzugtes Anwendungsge biet der vorliegenden Erfindung ist die Überwachung der Dis tanz zwischen einem ferromagnetischen gezahnten Polrad und einem magnetisch sensitiven, in unmittelbarer Nähe des Pol rades positionierten Sensor zur Ermittlung von Drehzahl, Geschwindigkeit, Weg, Beschleunigung und Drehrichtung des Polrades.

Stand der Technik

Für die berührungslose Erfassung der Drehbewegung eines fer romagnetischen (passiven) oder permanentmagnetischen (ak tiven) Zahnrades werden Sensoren mit magneto-elektrischen Wandlern verwendet, die die Bewegung des Zahnrads in Form von Feldstärkeänderungen erfassen und in elektrische Signale um wandeln (DE-PS 30 41 041). In der Praxis werden diese mag neto-elektrischen Wandler sehr dicht an dem Zahnrad posi tioniert, um eine hohe Störfestigkeit, beispielsweise gegen äußere magnetische Störfelder, zu gewährleisten. Typische Ab stände liegen im Bereich von 0,1 bis 1,5 mm. Bei diesen ger ingen Abständen besteht leicht die Gefahr, daß der Sensor un bemerkt beschädigt wird, beispielsweise aufgrund von Ver schleißerscheinungen in den Achslagern, die das Polrad tra gen. Insbesondere im dynamischen Betriebszustand von z. B. Schienenfahrzeugen ist es wichtig, den sich ändernden Abstand zu kennen, um eine unbemerkte Beschädigung des Sensors und damit dessen Ausfall zu verhindern (Sicherheitsaspekt). Die Abstandsbestimmung wird zur Zeit am ruhenden Zahnrad mit einer Fühlerlehre (Spion) abhängig vom individuellen Gefühl des Prüfers (satter, aber nicht klemmender Sitz der Fühler lehre) entsprechend ungenau durchgeführt. Außerdem ist es hierzu erforderlich, ein oder mehrere Teile zu demontieren, bis das Zahnrad zugänglich ist.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der der Abstand zwischen ei nem Sensor und einem Polrad sowohl im Ruhezustand als auch im dynamischen Betriebszustand in einfacher Weise gemessen und überwacht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in folgendem:

Kernpunkt der Erfindung ist die Verwendung eines Permanent magneten, dessen dem gezahnten Organ zugewandte Polfläche im Verhältnis zu dem Polradmodul genügend groß ist, so daß die Lage der neutralen Zone in dem Permanentmagneten nahezu un beeinflußt von der jeweiligen Polradstellung ist. Unter Pol radmodul wird das Verhältnis der Anzahl der Zähne zu dem Teilkreisdurchmesser (je nach Zahnform in etwa mittlerer Durchmesser) des Polrades verstanden. Das eingangs genannte Verhältnis wird bestimmt durch die Abmessung lp des Perma nentmagneten in Richtung der Polradbewegung (siehe Fig. 1) und der durch das Polradmodul bestimmten Zahnperiode lz (siehe Fig. 1). Dieses Verhältnis lp zu lz sollte möglichst mehr als 1,5 betragen.

Da die neutrale Zone unbeeinflußt von der jeweiligen Polrad stellung ist, kann mit einem an der Seitenfläche des Perma nentmagneten angebrachten magneto-elektrischen Wandler der Abstand d0 zwischen Polradstirnfläche und der Sensorvorder kante bzw. seiner dem Organ zugewandten Oberfläche auch in Ruhestellung des Polrades bestimmt werden. Vorteilhaft wird der magneto-elektrische Wandler in der neutralen Zone selbst angebracht, da dann das Meßsignal Null beträgt, da sich die für die Signalerzeugung verantwortlichen radialen Anteile des magnetischen Feldes über die Gesamtheit der magnetfeldemp findlichen Fläche gegenseitig aufheben.

In der Praxis wird folgendermaßen vorgegangen:

Bei einem an sich bekannten Impulsgeber (siehe z. B. DE-PS 30 41 041) ist dessen Arbeitsabstand (Nennabstand) bekannt. Die Polräder sind in der Regel normiert. Aufgrund des bekannten Arbeitsabstandes steht auch fest, wo sich die neu trale Zone im Betriebszustand befindet. Daher kann bei der Fertigung der Impulsgeber ein magneto-elektrischer Wandler so an der Seitenfläche des Permanentmagneten angebracht werden, daß er sich dann in der neutralen Zone befindet, wenn der Im pulsgeber im Arbeitsabstand zu dem Polrad positioniert wird. Dies bedeutet, daß beim Einbau eines derartigen Impulsgebers die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile (s. o.) vermieden werden, da beim Einbau nur noch darauf geachtet werden muß, daß der seitlich an dem Permanentmagneten ange brachte magneto-elektrische Wandler ein Ausgangssignal von Null anzeigt. Durch das oben erwähnte Verhältnis von lp/lz wird sichergestellt, daß die jeweilige Polradposition keine Rolle spielt, so daß im Ergebnis eine statisch integrierende Abstandsmessung erfolgt. Sicherheitshalber kann nach dem Ein bau auch eine dynamische Abstandsmessung erfolgen, d. h. bei rotierendem Polrad. Dabei sollte sich ebenfalls das Ausgangs signal Null ergeben. Bei relativ kleinem Verhältnis lp/lz können sich geringfügige Abweichungen ergeben. Mit größerem lp/lz schwindet der Einfluß der jeweiligen Zahnstellung (Pol radposition) auf die statische Messung, so daß die Abstands messungen im statischen und im dynamischen Zustand jeweils das Ausgangssignal Null ergeben. Der Betrieb des magneto elektrischen Wandlers in der neutralen Zone hat den Vorteil, daß der Wandler im Nullabgleich betrieben wird und damit auch thermisch das stabilste Verhalten zeigt. Selbstverständlich kann der Wandler auch außerhalb der neutralen Zone angebracht werden. In diesem Falle ist eine geeignete Kalibrierung er forderlich, so daß ein bestimmtes Ausgangssignal einem bes timmten Abstand (z. B. dem Nennabstand) der Sensorvorderkante bzw. der dem Polrad zugewandten Oberfläche des Permanentma gneten zu der Polradstirnfläche entspricht. Da der magneto elektrische Wandler in diesem Fall nicht mehr im Nullabgleich betrieben wird, sind die thermischen Einflüsse auf die Meßsignale zu berücksichtigen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 12 gekennzeichnet. Die Ausbildung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4 hat den Vorteil, daß von dem magneto-elektrischen Wandler im Betrieb szustand, d. h. bei Anordnung des Objekts im Sollabstand, kein Meßsignal erzeugt wird, da sich die für die Signaler zeugung verantwortlichen radialen Anteile des magnetischen Feldes über die Gesamtheit der magnetfeldempfindlichen Fläche gegenseitig aufheben. Diese Ausgestaltung hat den zusätzli chen Vorteil, daß die magneto-elektrischen Wandler durch den Betrieb im Nullabgleich auch thermisch das stabilste Verhal ten zeigen. Die Ausgestaltung nach einem der Unteransprüche 10 bis 12 hat den besonderen Vorteil, daß man mit nur einem Permanentmagneten auskommt, um einerseits die Bewegung des Polrades mit magneto-elektrischen Wandlern zu erfassen und damit andererseits durch den in der neutralen Zone ange brachten weiteren magneto-elektrischen Wandler der Abstand zwischen dem Sensor und dem Polrad überwacht werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len und unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläu tert.

Fig. 1 zeigt ein ferromagnetisches gezahntes Organ 1, bei spielsweise ein Zahnrad oder eine Zahnstange, welches in Richtung des Pfeils 2 beweglich ist. In einem Abstand d_p von den Zähnen 3 ist ein Permanentmagnet 4 angeordnet, dessen eine Polfläche, z. B. die N-Polfläche, den Zähnen zugewandt ist und einen Sensor 5 zur Erfassung der Bewegung des Organs 1 trägt. Der Sollabstand des Sensors 5 von den Zähnen 3 ist mit d_o bezeichnet. Im Betriebszustand, d. h. während der Bewe gung des Organs 1, ist darauf zu achten, daß der Abstand d des Sensors 5 von den Zähnen 3 einen vorgebbaren Minimalwert d_min nicht unter- und einen vorgebbaren Maximalwert d_max nicht überschreitet. Bei Unterschreiten des Minimalwertes besteht die Gefahr, daß der Sensor 5 mit den Zähnen 3 in Berührung kommt und beschädigt wird, so daß in der Regel der gesamte Meßkopf ausgetauscht werden muß. Bei Überschreiten des Maxi malwertes ist mit Funktionseinbußen bei der Meßwerterfassung mit dem Sensor 5 zu rechnen. Der Sensor 5 besteht z. B. aus zwei magneto-elektrischen Wandlerpaaren 6 und 7, die elek trisch als Doppelbrückenschaltung ausgebildet sind. Ein der artiger Sensor ist an sich bekannt und in der DE-PS 30 41 041 beschrieben. Die neutrale Zone 8, die bei einem freien Perma nentmagnet in der Regel in dessen Mitte liegt, ist vorliegend durch den starken Einfluß des in unmittelbarer Nähe befindli chen ferromagnetischen Organs 1 etwas nach oben verschoben (in Fig. 1 übertrieben dargestellt). In dieser neutralen Zone 8 ist ein weiterer elektromagnetischer Wandler 9, beispiel sweise ein Hall-Generator, so angebracht, daß seine magnet feldempfindliche Fläche parallel zur Tangentialkomponente des magnetischen Feldes des Permanentmagneten ausgerichtet ist. Aufgrund der Positionierung in der neutralen Zone heben sich die radialen Anteile des magnetischen Feldes, die bei dem Wandler 9 allein für die Signalerzeugung verantwortlich sind, über die Gesamtheit der magnetfeldempfindlichen Fläche gegen seitig auf, so daß das Ausgangssignal also Null ist. Durch den Betrieb des Wandlers um den Nullpunkt weist dieser auch thermisch das stabilste Verhalten auf. In der Regel erfolgt die Positionierung des Wandlers 9 auf dem Permanentmagnet in der Weise, daß der Permanentmagnet in einem Abstand d von einem rotierenden Polrad (Testpolrad) gehalten wird, der einem Sollabstand d₀ des Sensors 5 von den Zähnen 3 ent spricht und daß der Wandler 9 unter Beobachtung seines Aus gangssignals in der Position an dem Permanentmagnet befestigt wird, in der das Ausgangssignal Null ist, der Wandler 9 sich also in der neutralen Zone 8 befindet.

Wird die gesamte Anordnung aus Permanentmagnet 4, Sensor 5 und Wandler 9 dem Organ 1 angenährt (Abstand kleiner als Sol labstand d₀), so bewirkt dies eine Verschiebung der neutralen Zone 8 und somit ein vorzeichenbehaftetes, betragsmäßig an steigendes Ausgangssignal an dem Wandler 9. Wird die Anord nung von dem Organ 1 entfernt (Abstand größer als Sollabstand d₀), wird das Vorzeichen des Ausgangssignals umgekehrt. Daher kann allein aus dem Vorzeichen des Ausgangssignals entnommen werden, ob sich der Abstand zwischen dem Sensor 5 und dem Or gan 1 verringert oder vergrößert. Die Kurve 1 in Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf des Ausgangssignals des Wandlers 9, z. B. die Ausgangsspannung U_H eines Hall-Generators, in Ab hängigkeit vom Abstand d des Sensors 5 von den Zähnen 3. Beim Sollabstand d₀ befindet sich der Wandler 9 in der neutralen Zone 8 und U_H ist gleich Null. Bei einer Verringerung des Ab standes nimmt der Einfluß des ferromagnetischen Organs 1 zu, was zu einer Verschiebung der neutralen Zone 8 in Richtung des Nordpols führt. Da sich der Wandler 9 dann außerhalb der neutralen Zone befindet, wird ein Ausgangssignal U_H<O er zeugt. Bei weiterer Annäherung nimmt der Wert von U_H betrags mäßig zu bis zu einem Endwert U_H(d = 0). Bei einer Vergrößerung des Abstandes nimmt der Einfluß des ferromagnetischen Organs 1 ab, was zu einer Verschiebung der neutralen Zone 8 in Rich tung des Südpols führt. Der Wandler 9 befindet sich wieder außerhalb der neutralen Zone und ein Ausgangssignal U_H<O liegt vor. Mit zunehmender Entfernung schwindet der Einfluß des ferromagnetischen Organs 1 und ein Maximalwert U_H(d = ∞) wird erreicht. In diesem Fall befindet sich die neutrale Zone 8 in einer Position, wie sie bei einem freien Permanentmagnet vorliegt, also in der Regel in der Mitte, und der Wandler 9 befindet sich in seiner maximalen Entfernung von dieser neu tralen Zone. Im Betriebszustand, also während der Bewegung des Organs 1 ist darauf zu achten, daß die Abweichungen des Abstandes d vom Sollwert d₀ die vorgegebenen Grenzwerte d_min und d_max nicht übersteigen. Dies geschieht in einfacher Weise durch die Überwachung des Ausgangssignals U_H des Wandlers 9.

Die Vorzüge der Erfindung zeigen sich auch beim Einbau einer Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 in ein Fahrzeug, z. B. ein Schie nenfahrzeug. Es ist nun nicht mehr erforderlich, ein oder mehrere Teile zu demontieren, um das Polrad für eine Fühler lehre zugänglich zu machen. Die Meßvorrichtung bzw. der mit dem Abstandssensor ausgestattete Impulsgeber muß lediglich in eine dafür vorgesehene Halterung geschoben werden, wobei das Ausgangssignal U_H des Wandlers 9 zu beobachten ist. Bei U_H = 0 befindet sich die Meßvorrichtung im Sollabstand d_o von dem Polrad und kann arretiert werden. Ob sich beim Einbau gegen über der Meßvorrichtung ein Zahn. 3 oder eine Zahnlücke befin det, ist von untergeordneter Bedeutung, solange die Polfläche im Verhältnis zu den Abmessungen von Zahn und Zahnlücke groß genug ist, so daß die Position der neutralen Zone möglichst unbeeinflußt bleibt. In der Praxis (Polrad nach DIN 867) sollte das Verhältnis von der Seitenlänge l_p des Permanent magneten 4 zum periodischen Zahnabstand l_z nicht kleiner als 1,5 sein. Im Ergebnis wird damit eine sowohl statisch als auch dynamisch integrierende Abstandsmessung erzielt.

In Abwandlung zu dem bisher vorgestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, den Wandler 9 in der neutralen Zone zu positionieren, wie sie in dem Permanentmagneten im ungestör ten Zustand vorliegt. Dann ergibt sich der Verlauf des Aus gangssignals U_H gemäß der Kurve 2 von Fig. 2. In diesem Fall beträgt U_H(d = ∞) = 0 und bei Annäherung der gesamten Anordung aus Permanentmagnet 4, Sensor 5 und Wandler 9 an das Organ 1 wird die neutrale Zone 8 nach oben verschoben und das Aus gangssignal U_H nimmt betragsmäßig bis zu einem Endwert U_H(d = 0) stetig zu. Dem Sollabstand d₀ entspricht dann ein be stimmter Wert U_H(d = d₀). Entsprechendes gilt für die Grenz werte d_min und d_max. Im Ergebnis ist der Verlauf des Ausgangs signals U_H identisch wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Kurve 2 ist lediglich nach unten verschoben und nähert sich für d→∞ dem Grenzwert U_H (d = ∞) = 0. Da der Wandler 9 im Sol labstand d₀ nicht im Nullpunkt (U_H = 0) betrieben wird, ist die thermische Stabilität geringer als im ersten Ausführungs beispiel.

Bezugszeichenliste

1

gezahntes Organ, z. B. Zahnrad oder Zahnstange

2

Bewegungsrichtung

3

Zähne

4

Permanentmagnet

5

Sensor zur Erfassung der Bewegung des Organs

1

6

,

7

magneto-elektrische Wandlerpaare

8

neutrale Zone

9

magneto-elektrischer Wandler zur Überwachung des Abstandes des Sensors

5

zum Organ

1

Claims

1. Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmessung zur Überwa chung des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Organ, das mit Zähnen aus Permanentmagneten besetzt ist (aktives Or gan) oder das aus ferromagnetischem Material besteht (pas sives Organ), bestehend aus einem Permanentmagneten, wenig stens einem magneto-elektrischen Wandler und einer Auswerte einrichtung, wobei eine Polfläche des Permanentmagneten dem Organ zugewandt ist, wobei das Objekt mit dem Permanentmagne ten ortsfest verbunden ist, wobei der oder die magneto-elek trischen Wandler an einer Seitenfläche des Permanentmagneten positioniert sind, und wobei die dem gezahnten Organ zuge wandte Polfläche des Permanentmagneten im Verhältnis zum Pol radmodul derart groß ist, daß die Lage der neutralen Zone in dem Permanentmagneten im wesentlichen unbeeinflußt von der jeweiligen Stellung des Organs ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung lp des Permanentmagneten in Richtung der Polradbewegung im Verhältnis zu der durch das Polradmodul bestimmten Zahnperiode lz mehr als 1,5 beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die magneto-elektrischen Wandler in der neutra len Zone positioniert ist bzw. sind, wie sie in dem Perma nentmagneten im ungestörten Zustand vorliegt, und daß die magnetfeldempfindliche Fläche des bzw. der Wandler parallel zur Tangentialkomponente des magnetischen Feldes des Perma nentmagneten ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die magneto-elektrischen Wandler in der neutra len Zone positioniert ist bzw. sind, wie sie in dem Perma nentmagneten für einen vorgebbaren Abstand d_o (Sollabstand) des Objekts von dem Organ vorliegt, und daß die magnetfeld empfindliche Fläche des bzw. der Wandler parallel zur Tan gentialkomponente des magnetischen Feldes des Permanent magneten ausgerichtet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Organ um eine Zahnstange oder ein Zahnrad (Polrad) handelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als mageneto-elektrische Wandler Feldplatten und/oder Hallgeneratoren vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung eine elektrische Brückenschaltung aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die magneto-elektrischen Wandler an dem Perma nentmagneten befestigt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Objekt um einen Sensor zur Erfassung der Bewegung des Organs handelt, der auf der dem Organ zuge wandten Polfläche des Permanentmagneten angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sensor um einen oder mehrere magneto elektrische Wandler handelt, mit denen die Bewegung des Or gans in Form von Feldstärkeänderungen erfaßbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den magneto-elektrischen Wandlern zur Bewe gungserfassung um Feldplatten und/oder Hall-Generatoren han delt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere magneto-elektrischen Wandler zur Bewegungserfas sung mit einer elektrischen Brückenschaltung vorgesehen sind.