DE2446132A1

DE2446132A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE2446132A1
Application number: DE19742446132
Authority: DE
Inventors: Victor Maurice Bernin
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1973-10-05
Filing date: 1974-09-27
Publication date: 1975-04-10
Also published as: US3855525A; AU470832B2; DE7432461U; ES430720A1; AU7401074A; BR7408197D0; SE396142B; FR2246873A1; GB1465594A; ZA745935B; JPS5065275A; SE7412516L; CA1028759A; JPS5753543B2; AR203765A1; IT1030626B; NL7412941A

Description

Patentanwälte
Dipl. ing. :-;. Hauck

D.'pl. Phys. W. Schmitz / η 1

Uipl. Ing. E. Graalfs 244b I

Dipl." Ing. W. Wehnert Dipl. Phys. W. Carstens 2 Hamburg 36
Neuer Wall 41

ILLINOIS TOOL WORKS INC.

8501 West Higgins Road

Chicago. Illinois 60631/USA 26. September

Winkelges chwindigkeitssensor

Auszug

Es wird eine Sensorvorrichtung zur Abtastung der Geschwindigkeit eines drehenden Tonrades, das bei seiner Drehung ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt, beschrieben. Eine Ausführungsform des Sensors besteht aus einem ringförmig geschlossenen Magnetkern mit einem darin ausgebildeten Schlitz zur Erhöhung der Empfindlichkeit. Eine Abfragewicklung wird mit einem Hochfrequenzträger erregt, um ein Ausgangssignal zu liefern. Eine zweite Ausführungsform benutzt zwei ringförmig geschlossene Magnetkerne, deren Abfrageleitungen an einem Ende miteinander verbunden sind, während ihre anderen Enden getrennte Phasenerregungssignale erhalten. In beiden Ausführungsformen können

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Permanentmagnete benutzt werden, wenn das Tonrad aus unmagnetisiertem ferromagnetischem Material besteht.

Verschiedene Typen von Sensorvorrichtungen sind zum Nachweis der Bewegung rotierender Körper bekannt. Ein bekannter Typ eines solchen Detektors erfordert ein permanentmagnetisiertes Zahnrad oder eine permanentmagnetisierte Scheibe, oder alternativ ein ferromagnetisches Rad bzw. eine ferromagnetische Scheibe, die in der Nähe eines Permanentmagneten angeordnet sind. Wenn das Rad oder die Scheibe rotiert, wird in der Nähe seiner Peripherie ein sich ändernder magnetischer Fluß erhalten. Die Änderung im Magnetfeld, die von dem rotierenden Glied erzeugt wird, wurde mit zwei verschiedenen Detektortypen nachgewiesen.

Der wahrscheinlich bekannteste Detektortyp erzeugt eine Spannung, die eine Funktion der Rotations geschwindigkeit des rotierenden Gliedes ist. Die Geschwindigkeitsempfindlichkeit dieses Typs von Sensorvorrichtung stellt einen schweren Nachteil für viele Anwendungsbereiche, beispielsweise für Automobilantirutschsysteme dar. Dies beruht auf der Tatsache, daß das Ausgangs-

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signal mit der Geschwindigkeit so stark kleiner wird, daß es eine untere Geschwindigkeitsgrenze für das Antirutschsystern setzt, die die praktische Anwendbarkeit eines solchen Systemes stark verschlechtert.

Ein weiterer Typ eines Drehgeschwindigkeitssensors zum Abtasten einer Magnetfeldänderung, die durch ein rotierendes Glied erzeugt wird, ist der Typ, der die Veränderung der Induktivität mißt, die in einem Magnetkern auftritt. Eine solche Vorrichtung ist in der US-PS· 3 505 595 beschrieben.

Bei der Induktivitätssensorvorrichtung gemäß dieser US-PS wird eine Hochfrequenzerregungsspannung an die Wicklung eines langgestreckten Kernes angelegt, und die Veränderung der Induktivität wird von dem sich ändernden Magnetfeld, das von dem rotierenden Glied erzeugt wird, verursacht. Mit einer solchen Vorrichtung ist die Empfindlichkeit jedoch auf Grund des offenen Flußweges des Kerngliedes verhältnismäßig niedrig.

Bei der Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Veränderung der Induktivität der Wicklung auf dem Kern in einer Weise gemäß der US-PS 3 505 595 oder mit anderen geeigneten Sensorvorrichtungen gemessen werden. Die Geschwin-

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digkeitsabhängigkeit der Sensorvorrichtung ist daher sehr gering. Zusätzlich wird die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Verwendung eines ringförmig geschlossenen Kerngliedes wesentlich erhöht. Vorzugsweise werden zwei Kerne benutzt,und die zugehörigen Wicklungen werden miteinander verbunden, um eine differentielle Abtastung vorzusehen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer Ausführungsform mit einem einzigen Kern,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 3 den schematischen Schaltplan des Sensorsystemes, das den Kern gemäß Fig. 1 und 2 verwendet,

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Ausführungsform mit zwei Kernen und differentieller Abtastung,

Fig. 5 eine Frontansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 einen schematischen Schaltplan der Ausführungsform gemäß den Fig. 4 und 5 mit zwei Kernen.

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Eine Sensorvorrichtung 10 zur Abtastung der Bewegung eines rotierenden Gliedes ist in Fig. 1 dargestellt. Das Abtastrad 14 ist vorzugsweise aus ferromagnetischem Material gebildet und weist auf seinem Umfang Zähne 16 auf. Die Drehachse des Rades 14 kann so ausgerichtet sein, daß sich das Rad 14 in der Stellung gemäß Fig. 1 oder in der Stellung gemäß Fig. 5 befindet. Der Sensor 10 besteht aus einem ringförmig geschlossenen, magnetisch sättigbaren Kern 12, einer Abfragewicklung 13, die um ein Ende des Kernes gewickelt ist, und aus einem Hochfrequenzwechselstromgenerator 22. Ein Permanentmagnet 18 ist in der Nähe des Kernes 12 angeordnet, um einen Magnetfluß über die Flußwege 15 und 17, die durch den Kern 12 verlaufen, zum Rad 14 zu liefern. Der Magnet 18 ist in üblicher Weise so ausgebildet, daß ein Magnetpol einer Polarität in der Nähe des Kernes 12 liegt und daß der Magnetpol entgegengesetzter Polarität am äußeren Ende des Magneten, entfernt vom Magnetkern 12 liegt. Ein nichtmagnetisiertes Rad 14 ist vorzuziehen, da ein Rad mit magnetisieren Zähnen 16 teurer wäre. Es könnte jedoch auch ein solches Rad verwendet werden. In diesem Falle wäre die Verwendung des Permanentmagneten 18 nicht notwendig.

Der Gebrauch eines ringförmig geschlossenen Magnetkernes an-

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stelle eines länglichen Kernes mit offenem Magnetkreis erhöht wesentlich die Empfindlichkeit eines Geschwindigkeitssensors, die von der Abtastung des Wechsels der Induktivität des Abtastgliedes abhängt. Um die Empfindlichkeit des Geschwindigkeitssensors weiter zu erhöhen, wird vorzugsweise ein Schlitz 20 in dem Kern vorgesehen, um den Querschnitt des Kernes zu verringern, wodurch die Flußdichte in dem verengten Querschnitt erhöht wird. Als Resultat erzeugt ein Wechsel im äußeren Magnetfeld eine größere Änderung in der differentiellen Permeabilität des Sensors und damit zusammenhängend einen größeren Wechsel im magnetischen Widerstand bzw. in der Induktivität des Kernes.

Die elektrische Schaltung der Ausführungsform mit einem einzelnen Kern ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Ende 26 der Abfragewicklung 13, die um den Kern 12 gewickelt ist, ist mit dem unteren Ende des Widerstandes 24 verbunden. Der Widerstand 24 ist mit dem Hochfrequenzwechselstromgenerator verbunden, so daß die Erregungsspannung durch den Widerstand mit dem Sensor 10 gekoppelt ist. Das andere Ende 28 der Wicklung 13 ist mit Masse verbunden. Das Aus gangssignal wird an dem Anschluß 30 abgenommen.

Während die Ausführungsform der Fig. 1 eine stark erhöhte

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Empfindlichkeit gegenüber ähnlichen Abtastvorrichtungen mit offenen Magnetkernen aufweist, ist sie dennoch hauptsächlich für solche Anwendungen nützlich, bei denen ein relativ großer Magnetfluß im Luftspalt auftritt. Die Abtastvorrichtung 32 der Fig. 4 bis 6 ist jedoch nützlich, wenn die relative Änderung in der Flußdichte sehr klein ist. Bei diesem Sensor werden zwei ringförmig geschlossene Magnetkerne 34 und 48 verwendet. Das rotierende Glied bzw. Rad 36 kann entweder magnetische Zähne 38 aufweisen,oder das gesamte Rad kann aus nichtmagnetisiertem ferromagnetischem Material bestehen, wie dies zuvor bereits beschrieben ist. Im Fall, daß das Rad nicht magnetisierte Zähne aufweist, muß der Magnet 42' zur Schaffung des notwendigen Magnetfeldes benutzt werden. Der Magnetfluß von dem Magneten 42 folgt den Luftflußwegen 65, 67 und 69 und läuft durch die Kerne 34 und 4 8. Die Kerne 34 und 48 können eine ebene obere Fläche 44 aufweisen, um den Luftspalt 45 klein zu halten.

Die Magnetkerne 34 und 48 besitzen jeder eine um sie gewickelte Abfragewicklung 40 bzw. 46. Mit einem Ende sind die Wicklungen 40 und 46 miteinander und dem Anschluß 53 verbunden, der geerdet ist. Das andere Ende der Wicklung 40 ist mit dem Anschluß 52 verbunden. Der Anschluß 52 ist mit den Widerständen 60 und 66 verbunden. Der Widerstand 60 ist mit dem Wechsel-

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Stromerregungsgenerator 56 verbunden, der ein Erregungssignal einer ersten Phase an die Wicklung 40 liefert. Das zweite Ende der Wicklung 46 ist mit dem Anschluß 54 verbunden, der wiederum mit den Widerständen 62 und 68 verbunden ist. Der Widerstand 62 ist mit dem Wechselstromerregungsgenerator 58 verbunden, der ein Erregungssignal an die Wicklung 46 liefert, das um 180° gegenüber dem vom Generator 56 gelieferten Signal phasenverschoben ist. Die Widerstände 66 und 68 sind miteinander und mit dem Ausgangsans chiuß 64 verbunden.

In Abwesenheit des Rades 36 wird ein abgeglichenes Ausgangssignal zwischen den Anschlüssen 53 und 64 geliefert. Wenn der Magnetfluß sich auf Grund der Drehung.des Rades 36 ändert, erfährt das Ausgangssignal des Sensors eine Phasenumkehr und geht einmal pro Zahnzyklus bzw. pro Intervall durch null Volt. Die Kerne 34 und 48 sind im Abstand voneinander angeordnet, so daß, wenn die Mitte des Kernes 34 einem Zahn 38 gegenübersteht, die Mitte des Kernes 48 etwa in der Mitte der Lücke zwischen dem dem Kern 34 gegenüberliegenden Zahn und dem nächstfolgenden Zahn liegt. Die Phasenübergangspunkte dieses Signales können mit einem Phasendetektor nachgewiesen werden.

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Das abgeglichene Differentialabtastsystem der Fig. 4 bis 6 wird am besten mit geschlossenen Magnetkernen verwendet. Es können jedoch auch offene längliche Magnetkernglieder in dem beschriebenen System verwendet werden; jedoch ergibt sich dann als Resultat ein Abfall der Empfindlichkeit. Zusätzlich kann die Empfindlichkeit des Systems dadurch verbessert werden, daß Flußwege niedrigen magnetischen Widerstandes anstelle der Flußwege 15 und 17 der Fig. 1 und der Flußwege 65, 67 und 69 der Fig. 5 vorgesehen werden. Zusätzlich zu der direkten Kopplung der Generatoren 56 und 58 gemäß Fig. 6 kann das Erregungssignal den Wicklungen 40 und 46 durch Transformatorkopplung zugeführt werden. Dies kann erreicht werden durch Hinzufügung von Primärwicklungen auf den Kernen 34 und 48, so daß die Wicklungen 40 und 46 als Sekundärwicklungen des Transformators arbeiten.

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Claims

P a te η t a η s ρ rüche :

1.)Sensorvorrichtung zur Ermittlung der Rotation eines Gliedes, welches ein zeitveränderliches Magnetfeld erzeugt, gekennzeichnet durch einen ringförmig geschlossenen Magnetkern, der in der Nähe des Umfanges des Gliedes angeordnet ist, eine Wicklung auf dem Kern, einen Wechselstromerregungsgenerator, der so angeschlossen ist, daß er ein Trägersignal dem Kern zuführt, und einen mit der Wicklung gekoppelten Aus gangs ans chluß, der ein zusammengesetztes Signal aufnimmt, das sich aus dem Trägersignal und der Rotation dieses Gliedes ergibt.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Glied ein nichtmagnetisiertes Rad aus ferromagnetischem Material ist mit Zähnen auf seinem Umfang und daß ein Permanentmagnet in der Nähe des Kernes angeordnet ist, so daß der magnetische Fluß von dem Permanentmagneten durch die Zähne und den Magnetkern verläuft.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern geschlitzt ist, um einen reduzierten Querschnittsbereich des Kernes zu schaffen.

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4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine ebene Fläche in der Nähe des Umfanges der Zähne aufweist, um den dazwischenliegenden Luftspalt zu verringern.

5. Sensorvorrichtung zur Ermittlung der Rotation eines Gliedes, welches ein zeitveränderliches Magnetfeld erzeugt, gekennzeichnet durch zwei in der Nähe des Umfanges des Gliedes angeordnete Magnetkerne, eine Wicklung auf jedem der Kerne, einen ersten Wechselstromerregungsgenerator, der so angeschlossen ist, daß er ein Trägersignal einer ersten Phase zu einer der Wicklungen leitet, %*»4 einen zweiten Wechselstromerregungsgenerator, der so angeschlossen ist, daß er ein zweites Trägersignal einer zweiten Phase der anderen Wicklung zuführt, wobei die zweite Phase 180° gegenüber

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der ersten Phase verschoben ist, und eine abgeglichene Ausgangsschaltung mit einem Ausgangsanschluß, an dem ein zusammengesetztes Signal vorliegt, das sich aus den Trägersignalen und der Rotation des Gliedes ergibt.

6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne ringförmig geschlossen sind.

7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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daß das rotierende Glied ein nichtmagnetisiertes Rad aus ferromagnetische«! Material ist mit Zähnen auf seinem Umfang und daß ein Permanentmagnet in der Nähe der Kerne derart angeordnet ist, daß der Magnetfluß von dem Permanentmagneten durch die Zähne und die Magnetkerne verläuft.

8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne geschlitzt sind, um einen Bereich verringerten Querschnitts im Kern zu schaffen.

9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne eine ebene Fläche in der Nähe des Umfanges der Zähne aufweisen, um den dazwischenliegenden Luftspalt zu verringern.

10. Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne geschlitzt sind, um einen Bereich verringerten Querschnitts im Kern zu schaffen.

11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten der Kerne einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß, wenn die Mitte eines Kernes mit der Mitte eines Zahnes fluchtet, die Mitte des anderen Kernes etwa mit der Mitte des Abstandes zwischen diesem Zahn und dem nächsten Zahn fluchtet.

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