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Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer, insbesondere nach dem Wiegand-Prinzip arbeitenden, Mikrogenerator-Schaltung zur Erfassung einer Drehbewegung einer Welle, umfassend einen mit der Welle drehfest verbundenen Permanentmagneten zum Erzeugen eines Magnetfeldes, zumindest einen zu dem Permanentmagneten beabstandet und vorzugsweise ortsfest angeordneten ersten Impulsdraht, insbesondere einen Wiegand-Draht, und zumindest einen ersten Induktionsdraht, der mit einem ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt derart um den ersten Impulsdraht angeordnet ist, dass an dem ersten Induktionsdraht in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke des sich bewegenden Permanentmagneten ein elektrisches Signal abgreifbar ist, welches insbesondere zur Auswertung der Drehbewegung der Welle herangezogen werden kann.
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Solche Mikrogenerator-Schaltungen bzw. Mikrogeneratoren werden bekanntlich zur Erfassung einer Drehrichtung und/oder Drehbewegung einer Welle oder zur Erkennung eines Identifikationsmittels, wie einer Magnetkarte, verwendet. Hierbei kann insbesondere kinetisch Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Eine Mikrogenerator-Schaltung umfasst die oben beschriebene Anordnung eines Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes, einen Impulsdraht, in dem durch das Magnetfeld zumindest in einem Magnetfelderfassungsbereich eine magnetische Flussrichtung änderbar ist, und einen Induktionsdraht, in dem durch die Änderung der magnetischen Flussrichtung eine elektrische Spannung induzierbar ist.
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Ein wesentlicher Vorteil solcher Mikrogenerator-Schaltungen besteht darin, dass – beispielsweise zum Betreiben eines Zählwerks bzw. Drehgebers – eine externe Stromversorgung nicht erforderlich ist. Dadurch kann beispielsweise das Nachlaufen einer Welle bei einem Stromausfall durch die Umwandlung der noch vorhandenen kinetischen Energie der Welle in elektrische Energie erfasst werden. Hierbei ist der Permanentmagnet zumeist an einem Wellenende und der Impulsdraht mit Induktionsdraht – zusammen auch als Wiegand-Sensor bezeichnet – axial beabstandet von dem Permanentmagneten angeordnet.
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Um die Drehrichtung einer Welle zu ermitteln und/oder um die Messgenauigkeit bzw. die Sensibilität der Erfassung zu erhöhen, ist es bekannt, mehrere separate Wiegand- und/oder Hall-Sensoren, das heißt mehrere separate Impulsdrähte sowie mehrere separate Induktionsspulen, ringförmig um eine Wellenmittellinie anzuordnen, wobei in jeder Induktionsspule bei einem Passieren des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes eine messbare elektrische Spannung induziert wird.
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Nachteilig an den bekannten Systemen ist jedoch, dass die Anordnung mehrerer separater Sensoren zur Erfassung einer Drehrichtung und/oder Drehbewegung relativ aufwendig und kostenintensiv ist. Insbesondere bei einer großen Anzahl benötigter Sensoren ist die Herstellung, Montage und Verschaltung eines Mikrogenerators, beispielsweise aufgrund der zahlreichen Zuleitungen und Halteeinrichtungen zum Fixieren der Sensoren, aufwendig und kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mikrogenerator-Schaltung bereitzustellen, die bei zumindest gleicher Messgenauigkeit und Sensibilität eine relativ unkomplizierte und kostengünstige Herstellung und Montage ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Anordnung einer Mikrogenerator-Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung sowie in den Figuren aufgeführt.
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Erfindungsgemäß weist der erste Induktionsdraht zumindest einen zusätzlichen, separat ausgebildeten, um den ersten Impulsdraht angeordneten zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt auf. Der zweite Induktionsdraht-Spulenabschnitt ist ebenfalls derart um den ersten Impulsdraht angeordnet, dass bei einem durch die Drehbewegung der Welle verursachten Vorbeieilen des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes auch in dem zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitten eine messbare elektrische Spannung in dem Induktionsdraht induziert werden kann. Dadurch kann mittels des einen Induktionsdrahtes eine Drehbewegung sowie eine Drehrichtung der Welle ermittelt werden. Dazu sind lediglich eine einzige elektrische Anbindung des Induktionsdrahtes sowie eine einzige Halteeinrichtung zum Fixieren des Impulsdrahtes erforderlich. Der erste Induktionsdraht-Spulenabschnitt und der zweite Induktionsdraht-Spulenabschnitt können bezüglich einer Mittellinie der zu überwachenden Welle gegenüberliegend bzw. im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein. Somit kann bei einer einzigen Wellenumdrehung zumindest zweimal bzw. an zumindest zwei Stellen ein elektrisches Signal zur Messung in dem Induktionsdraht induziert werden. Folglich kann eine Drehbewegung der Welle besonders genau erfasst und die hierzu erforderliche Anzahl der benötigten Bauteile erheblich reduziert werden, so dass der Aufbau des Mikrogenerators insgesamt vereinfacht und relativ kostengünstig erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein separat ausgebildeter zweiter Impulsdraht vorgesehen, wobei der erste Induktionsdraht mit dem ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt um den ersten Impulsdraht und mit dem zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt um den zweiten Impulsdraht angeordnet ist. Dadurch kann in dem ersten Induktionsdraht eine Induktion einer elektrischen Spannung durch den ersten Impulsdraht sowie durch den zweiten Impulsdraht jeweils unabhängig voneinander erfolgen, so dass beispielsweise bei einer Funktionsstörung oder eines zu schwachen Magnetfeldes an einem der beiden Impulsdrähte eine Induktion in dem Induktionsdraht und somit ein Erfassen einer Drehbewegung der Welle dennoch mittels des entsprechend anderen Impulsdrahtes weiter erfolgen kann. Die Mikrogenerator-Schaltung ist dadurch relativ sicher und kostengünstig.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind ein separat ausgebildeter zweiter Impulsdraht und ein separat ausgebildeter zweiter Induktionsdraht vorgesehen, wobei der zweite Induktionsdraht mit einem ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt und mit einem separat ausgebildeten zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt um den zweiten Impulsdraht angeordnet ist. Somit können der erste Impulsdraht von dem ersten Induktionsdraht und der zweite Impulsdraht von dem zweiten Induktionsdraht umgeben sein bzw. jeweils in Wirkverbindung miteinander stehen. Dadurch kann in dem jeweiligen Induktionsdraht eine Induktion einer elektrischen Spannung durch die beiden Impulsdrähte jeweils unabhängig voneinander erfolgen, so dass beispielsweise bei einer Funktionsstörung eines der beiden Impulsdrähte oder Induktionsdrähte, oder bei Vorliegen eines zu schwachen Magnetfeldes an einem der beiden Impulsdrähte eine Induktion in dem Induktionsdraht und somit ein Erfassen einer Drehrichtung und Drehbewegung der Welle dennoch mittels des entsprechend anderen Impulsdrahtes und/oder Induktionsdrahtes weiter erfolgen kann. Die um jeweils einen der beiden Impulsdrähte angeordneten Induktionsdrähte, insbesondere die Induktionsdraht-Spulenabschnitte, können beispielsweise gleichermaßen beabstandet von einem freien Wellenende ringförmig, in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet sein. Dadurch ist ein Erfassen einer Drehrichtung und Drehbewegung der Welle besonders genau möglich und zudem der Betrieb des Mikrogenerators relativ sicher.
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Vorzugsweise sind der erste Impulsdraht und/oder der zweite Impulsdraht zumindest in dem Magnetfelderfassungsbereich geradlinig, gebogen, gewinkelt oder über Kreuz angeordnet. Beispielsweise kann der Impulsdraht gewinkelt mit einem Winkel von 90 Grad angeordnet sein, wobei der Induktionsdraht mit einem ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt an einem ersten geraden Abschnitt bzw. Schenkel des Impulsdrahtes und mit einem zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt an dem abgewickelten zweiten geraden Abschnitt bzw. Schenkel des Impulsdrahtes angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist der Induktionsdraht jeweils korrespondierend mit der Ausgestaltung des Impulsdrahtes angeordnet. Dadurch kann eine Drehbewegung der Welle besonders genau erfasst werden. Bei der Anordnung mehrerer Impulsdrähte, die sich beispielsweise kreuzen, kann der Induktionsdraht den Impulsdraht an dem Kreuzungspunkt auch wechseln, so dass der Induktionsdraht mit einem ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt an dem ersten Impulsdraht und mit dem zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt an dem zweiten Impulsdraht angeordnet ist. Die beiden Impulsdrähte können in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sein und sich in einer Verlängerung der Mittellinie der Welle kreuzen. Dadurch können die Impulsdrähte bezüglich der Mittellinie spiegelsymmetrisch angeordnet sein.
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Vorzugsweise sind der erste Impulsdraht und/oder der zweite Impulsdraht in einer Ebene senkrecht zu einer Mittellinie der Welle angeordnet. Dadurch kann jeder Impulsdraht und jeder Induktionsdraht den gleichen axialen Abstand zu der Welle und somit zu dem beispielsweise an dem Wellenende angeordneten Permanentmagneten haben, so dass eine Erfassung einer Drehbewegung der Welle an mehreren Stellen über den Umfang der Welle möglich ist.
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Vorzugsweise sind der erste Impulsdraht und/oder der zweite Impulsdraht in einem Winkel zueinander zwischen 60 und 120 Grad angeordnet. Bei Vorliegen nur eines Impulsdrahtes kann dieser zwei geradlinig ausgebildete Schenkel aufweisen, die in einem Winkel zueinander von 120 Grad gewinkelt sind.
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Vorteilhafterweise sind auch der erste Induktionsdraht-Spulenabschnitt und/oder der zweite Induktionsdraht-Spulenabschnitt, die mit dem Impulsdraht korrespondierend angeordnet sein können, in einem Winkel zueinander zwischen 60 und 120 Grad angeordnet. Bei diesem Winkel ist ein Übergang des Induktionsdrahtes von einem ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt zu einem zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt besonders geeignet.
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Vorzugsweise sind der erste Induktionsdraht-Spulenabschnitt und/oder der zweite Induktionsdraht-Spulenabschnitt jeweils exzentrisch zu einer Mittellinie der Welle angeordnet. Dadurch kann eine Drehrichtung und Drehbewegung der Welle besonders genau erfasst werden.
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Vorzugsweise sind der erste Induktionsdraht und/oder der zweite Induktionsdraht jeweils mit einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten eines in dem Induktionsdraht induzierten elektrischen Signals verschaltet.
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Vorzugsweise ist der Permanentmagnet an einer Stirnseite der Welle koaxial zu einer Mittellinie der Welle angeordnet ist. Dadurch ist die Montage der Mikrogenerator-Schaltung in relativ einfacher Weise ermöglicht. Besonders bevorzugt ist der Permanentmagnet zentrisch an der Wellenstirnseite angeordnet, so dass eine Unwucht an der Welle vermieden werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand drei bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung in geschnittener Darstellung,
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2 zeigt schematisch eine Stirnseitenansicht der ersten erfindungsgemäßen Ausführung,
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3 zeigt schematisch eine Stirnseitenansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung, und
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4 zeigt schematisch eine Stirnseitenansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung.
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In den 1 und 2 ist jeweils eine erste erfindungsgemäße Anordnung einer nach dem Wiegand-Prinzip arbeitenden Mikrogenerator-Schaltung 1 zur Erfassung einer Drehrichtung und/oder Drehbewegung 10 einer Welle 6 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Die Welle 6 ist beispielsweise eine Antriebswelle, weist eine Mittellinie 61 und zumindest ein freies Ende mit einer Stirnseitenfläche 60 auf. An der Stirnseite 60 der Welle 6 ist ein Permanentmagnet 2 mit einem Nordpol und einem Südpol zentrisch angeordnet und drehfest mit der Welle 6 verbunden. Dadurch kann ein Magnetfeld 20 erzeugt werden, das der Drehbewegung 10 der Welle 6 folgt. In einem axialen Abstand zu dem Permanentmagneten 2 sind ein Impulsdraht 31 und ein um den Impulsdraht 31 gewickelter Induktionsdraht 41 ortsfest angeordnet, die mit dem Permanentmagneten 2 bzw. dem erzeugten Magnetfeld 20 in Wirkverbindung stehen können. Insbesondere kann das Magnetfeld 20 eine Induktion eines elektrischen Signals in dem Induktionsdraht 41 bewirken, wodurch die Drehrichtung und/oder Drehbewegung 10 der Welle 6 ermittelt werden kann. Zur Bestimmung der Drehrichtung und/oder Drehbewegung der Welle 6 kann der Induktionsdraht 41 mit weiteren, nicht näher dargestellten elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise mit einem Messwertaufnehmer und/oder einer Auswerteeinrichtung 7, verschaltet sein.
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Der Impulsdraht 31 ist zur Erfassung der Drehrichtung und/oder Drehbewegung der Welle 6 vorliegend als ein Wiegand-Draht ausgebildet und weist einen weichmagnetischen Metallkern und einen hartmagnetischen Metallmantel auf, welches in den Figuren nicht näher dargestellt ist. Durch das von dem Permanentmagneten 2 erzeugte Magnetfeld 20 ist in dem Impulsdraht 31 eine magnetische Flussrichtungsumkehr möglich. Insbesondere erfolgt eine solche Umkehrung der magnetischen Flussrichtung, sobald das Magnetfeld 20 an dem ersten Impulsdraht 31 vorbeieilt. Dadurch wird in dem Induktionsdraht 41, insbesondere in einem als Spule ausgebildeten Induktionsdraht-Spulenabschnitt 411, 412, eine elektrische Spannung induziert.
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Der Induktionsdraht 41 ist ein in Mikrogeneratoren 1 üblicherweise verwendeter Draht, wobei der Induktionsdraht 41 vorliegend einen als Spule um den Impulsdraht 31 ausgebildeten ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt 411 und einen separaten, als Spule um den Impulsdraht 31 ausgebildeten zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt 412 aufweist.
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In der 2 ist eine Stirnseitenansicht der ersten erfindungsgemäßen Anordnung der Mikrogenerator-Schaltung 1 gezeigt. Wie in der 2 deutlich zu erkennen ist, befindet sich der Permanentmagnet 2 zentrisch an dem Wellenende 60. Ebenfalls deutlich zu erkennen ist, dass der Impulsdraht 31 geradlinig ausgebildet und sowohl der Impulsdraht 31 als auch die den Impulsdraht 31 umgebenden Induktionsdraht-Spulenabschnitte 411, 412 spiegelsymmetrisch bezüglich der Mittellinie 61 angeordnet sind. Dadurch kann das Magnetfeld des Permanentmagneten bzw. die in dem Impulsdraht 31 stattfindende magnetische Flussrichtungsumkehrung an zumindest zwei Stellen, insbesondere zwei umfangsseitigen Stellen der Welle 6, erfasst werden und somit eine besonders genaue Messung der Drehbewegung 10 der Welle 6 erfolgen.
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In der 3 ist schematisch eine Stirnseitenansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung der Mikrogenerator-Schaltung 1 gezeigt, wobei die gezeigte Mikrogenerator-Schaltung 1 im Wesentlichen der in den 1 und 2 gezeigten Ausführung entspricht und sich hiervon lediglich darin unterscheidet, dass zusätzlich ein zweiter Impulsdraht 32 sowie ein zweiter Induktionsdraht 42 vorgesehen sind. Auch der zweite Impulsdraht 32 ist bezüglich der Mittellinie 61 spiegelsymmetrisch ausgebildet. Der erste Impulsdraht 31 und der zweite Impulsdraht 32 sind geradlinig ausgebildet und in einer Ebene axial beanstandet von dem Permanentmagneten 2 angeordnet. Die Impulsdrähte 31, 32 kreuzen sich im Bereich der Mittellinie 61.
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Der zweite Induktionsdraht 42 weist – wie auch der erste Induktionsdraht 41 – einen ersten Induktionsdraht-Spulenabschnitt 421 und einen zweiten Induktionsdraht-Spulenabschnitt 422 auf, in denen der Induktionsdraht 42 jeweils als Spule um den zweiten Impulsdraht 32 angeordnet ist. Die Induktionsdraht-Spulenabschnitte 411, 412, 421, 422 sind vorliegend in einem Winkel zueinander von etwa 60° bzw. 120° angeordnet. Dadurch kann eine optimale Erfassung der Drehrichtung und/oder Drehbewegung 10 der Welle 6 erfolgen.
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In der 4 ist eine Stirnseitenansicht einer dritten erfindungsgemäßen Anordnung der Mikrogenerator-Schaltung 1 schematisch gezeigt. Die Mikrogenerator-Schaltung 1 entspricht im Wesentlichen der in 3 gezeigten Ausführung und unterscheidet sich hiervon lediglich darin, dass der erste Induktionsdraht 41 einen ersten, den ersten Impulsdraht 31 umgebenden Induktionsdraht-Spulenabschnitt 411 und einen zweiten, den zweiten Impulsdraht 32 umgebenden Induktionsdraht-Spulenabschnitt 412 aufweist, und der zweite Induktionsdraht 42 einen ersten, den zweiten Impulsdraht 32 umgebenden Induktionsdraht-Spulenabschnitt 421 und einen zweiten, den ersten Impulsdraht 31 umgebenden Induktionsdraht-Spulenabschnitt 422 aufweist.
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Der erste Impulsdraht 31 und der zweite Impulsdraht 32 sind wiederum geradlinig ausgebildet und in einer Ebene axial beanstandet von dem Permanentmagneten 2 angeordnet. Die Impulsdrähte 31, 32 sind bezüglich der Mittellinie 61 spiegelsymmetrisch ausgebildet und kreuzen sich im Bereich der Mittellinie 61.
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Die Induktionsdraht-Spulenabschnitte 411, 412 des ersten Induktionsdrahtes 41 und die Induktionsdraht-Spulenabschnitte 421, 422 des zweiten Induktionsdrahtes 41 sind jeweils in einem Winkel zueinander von etwa 60° angeordnet. Dadurch kann eine optimale Erfassung der Drehrichtung und/oder Drehbewegung 10 der Welle 6 erfolgen und der Platzbedarf für die Mikrogenerator-Schaltung 1 reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikrogenerator-Schaltung
- 10
- Drehbewegung
- 2
- Permanentmagnet
- 20
- Magnetfeld
- 31
- erster Impulsdraht
- 32
- zweiter Impulsdraht
- 41
- erster Induktionsdraht
- 42
- zweiter Induktionsdraht
- 6
- Welle
- 60
- Wellenende
- 61
- Mittellinie
- 7
- Auswerteeinrichtung
- 400
- elektrisches Signal, elektrische Spannung
- 411
- erster Induktionsdraht-Spulenabschnitt
- 412
- zweiter Induktionsdraht-Spulenabschnitt
- 421
- erster Induktionsdraht-Spulenabschnitt
- 422
- zweiter Induktionsdraht-Spulenabschnitt
