DE2848173A1

DE2848173A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE2848173A1
Application number: DE19782848173
Authority: DE
Inventors: Guenther Ing Grad Innerhofer; Rainer Dipl Ing Sindlinger
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1978-11-07
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1980-06-12
Anticipated expiration: 1998-11-08
Also published as: DE2848173C3; DE2848173C2

Description

Die Erfindung bezieht sich gemäß Oberbegriff des ersten
Patentanspruchs auf eine aus der DE-OS 28 00 960 bekannte Sensoranordnung. Dort ist eine Sensoranordnung im Zusammenhang mit einer magnetischen Lagereinrichtung beschrieben, wobei eine Anzahl von Sensoren zur Erfassung der radialen sowie der axialen Position eines Rotors vorgesehen ist. Die Signale sämtlicher Sensoren werden in geeigneter Weise miteinander verknüpft und einer Regelelektronik zugeführt, welche zur entsprechenden Ansteuerung von elektrischen Spulen der Lagereinrichtung vorgesehen ist. Den Axial- und Radialsensoren sind unabhängige Referenzflächen beispielsweise in Form von Ringen auf dem Rotor zugeordnet, so daß in Abhängigkeit der relativen Stellung der Referenzflächen zu den Sensoren der Rotorposition entsprechende Signale erzeugt werden. Die genannten Referenzflächen müssen jeweils sehr genau gefertigt und exakt auf dem Rotor angeordnet sein.
Darüber hinaus muß jeder Sensor mit großem Montageaufwand bezüglich der jeweiligen Referenzfläche ausgerichtet sein, um fehlerhafte Signale zu vermeiden. Schließlich bereitet es oftmals aufgrund konstruktiver Gegebenheiten Schwierigkeiten, den erforderlichen Platz und Raum für mehrere Referenzflächen bzw. die Vielzahl der Sensoren auf dem Rotor bzw. Stator zur Verfügung zu stellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine Sensoranordnung zu schaffen, welche einen geringen Platzbedarf erfordert und die Positionssignale mit hoher Genauigkeit liefert.
Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Positionssignale, sowohl in Abhängigkeit vom Abstand, als auch in Abhängigkeit der Überdeckung von Referenzfläche und Sensoroberfläche erzeugt werden können. Die Erfindung zeichnet sich vor allem durch einen einfachen und kompakten Aufbau aus und erfordert einen geringen Platz- und Gewichtsbedarf. Dies ist in der Raumfahrttechnik bei magnetisch gelagerten Reaktions- oder Schwungrädern von besonderer Bedeutung. Die Sensoranordnung gewährleistet eine hohe Meßgenauigkeit der Rotorposition.
Aufgrund der Zusammenfassung sämtlicher Sensoren in eine einzige Baueinheit entfällt eine getrennte Ausrichtung der einzelnen Sensoren und die Sensoranordnung ist in der erforderlichen Präzision leicht herstellbar und montierbar. Der Sensoranordnung wird bevorzugt nur eine einzige Referenzfläche auf dem Rotor zugeordnet, so daß auch insoweit nur ein geringer Raum- und Gewichtsbedarf erforderlich ist. Es werden bevorzugt induktive Sensoren vorgesehen, deren Spulen auf einem gemeinsamen Blechpaket angeordnet werden, wobei die Referenzfläche bzw. ein Referenzring aus ferromagnetischem und/oder elektrisch leitendem Material besteht. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform werden kapazitive Sensoren vorgesehen, deren Stirnflächen ebenso wie die Referenzfläche aus elektrisch leitendem Material bestehen. Eine derartige Sensorenanordnung zeichnet sich vor allem durch einen kompakten Aufbau und durch ein geringes Gewicht aus. Je nach Anwendungsfall kann die Referenzfläche in einer Radialebene angeordnet sein oder auch als zylindrische Ringfläche ausgebildet sein. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und Ausführungsbeispielen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen Fig. 1 - eine perspektivische Darstellung einer Sensoranordnung mit induktiven Sensoren, Fig. 2 - einen axialen Längsschnitt der Sensorenanordnung gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinie II, Fig. 3 - eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung mit kapazitiven Sensoren, bei welcher sich der Luftspalt in einer Radialebene befindet.
Gemäß Fig. 1 enthält die Sensoranordnung erste Sensoren 1 bis 4 und zweite Sensoren 5 bis 8. Jeder Sensor enthält zwei Spulen, welche auf senkrecht zu einer Drehachse 9 ausgerichteten Polschuhen 11 bis 18 bzw. 21 bis 28 angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich die Spulen 31, 32 des Sensors 1 sowie die Spulen 33, 34 des Sensors 7 dargestellt. Die genannten Polschuhe werden durch senkrecht zur Drehachse gerichtete Ansätze dünner Bleche eines gemeinsamen Blechpaketes 35 gebildet, wobei die Polflächen bzw. Sensoroberflächen auf einer zur Drehachse 9 konzentrischen Zylindermantelfläche liegen. Die Sensoren 1 bis 4 liegen in einer Radialebene und sind in Umfangsrichtung jeweils um 900 gegeneinander versetzt angeordnet. Die Sensoren 5 bis 8 liegen in einer weiteren Radialebene und sind in Umfangsrichtung ebenfalls jeweils um 900 gegeneinander versetzt angeordnet und zwar derart daß sie jweils zwischen den Sensoren 1 bis 4 liegen.
Den Sensoren 1 bis 8 ist mit einem ringförmigen Radialluftspalt 36 ein gemeinsamer Referenzring 37 zugeordnet, welcher eine ringförmige Referenzfläche 38 aufweist.
Der Referenzring 37 ist aus einem elektrisch leitenden und/oder weichmagnetischen Werkstoff, vorzugsweise in Form dünner Bleche, hergestellt und auf einem hier nicht dargestellten Rotor angeordnet, welcher mittels einer magnetischen Lagereinrichtung bezüglich eines die Sensoren aufnehmenden Stators beru-hrungsfrei gelagert ist. Die magnetische Lagereinrichtung ist nicht Gegenstand dieser Erfindung und wird daher nicht weiter erläutert. Es sei aber darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Sensoranordnung bevorzugt in einer magnetischen Lagereinrichtung zum Einsatz gelangen kann, zumal bei einem äußerst geringen Platz- und Gewichtsbedarf sämtliche erforderlichen Signale entsprechend der Rotorposition erzeugt werden.
In dem Längsschnitt der Sensoranordnung gemäß Fig. 2 ist vom Sensor 1 die Spule 32 auf dem Polschuh 12 und vom Sensor 7 die Spule 33 auf dem Polschuh 25 dargestellt.
Der Sensor 1 ist ebenso wie die Sensoren 2 bis 4 in einer Radialebene 19 angeordnet, während der Sensor 7 ebenso wie die Sensoren 5, 6, 8 in einer Radialebene 29 angeordnet ist, wobei die genannten Radialebenen 19, 29 in Richtung der Drehachse 9 einen Abstand a aufweisen. Das Blechpaket 35 ist z.B. aus einer Anzahl dünner Bleche aufgebaut. Die Bleche eines unteren Bereiches 44 und eines mittleren Bereiches 43 besitzen radial nach außen gerichtete Ansätze, aus welchen der Polschuh 25 und entsprechend auch die anderen Polschuhe der Sensoren 5 bis 8 gebildet werden. Die Bleche des mittleren Bereiches 43 sowie eines oberen Bereiches 42 besitzen radial nach außen gerichtete Ansätze, aus welchen der Polschuh 12 und entsprechend auch die anderen Polschuhe der Sensoren 1 bis 4 gebildet werden.
In der dargestellten Sollposition des Rotors bzw. Referenzringes 37 steht die Referenz fläche 38 dem Polschuh 12 mit einem bestimmten Abstand gegenüber. Die Induktivität des Sensors 1 mit den Spulen 31, 32 weist somit einen bestimmten Wert auf. Ändert sich der Abstand aufgrund von radialen Bewegungen des Rotors, so ändert sich auch die Induktivität des Sensors 1. Mit anderen Worten: Die Induktivität entspricht.der jeweiligen radialen Position der Referenzfläche 38 bzw. des Rotors. In der dargestellten Sollposition liegt der Referenzring 37 in der Radialebene 19, so daß die Referenzfläche 38 im wesentlichen mittig den Sensoren 1 bis 4 gegenüberliegt. Es ist nun von Bedeutung, daß die Oberflächen der Sensoren 1 bis 4 in axialer Richtung größer sind als die Referenzfläche, so daß bei Axialbewegungen die Induktivitäten der Sensoren 1 bis 4 sich nicht änderA.-Die gleiche Wirkung wird in einer alternativen Ausführung~ form erreicht, bei welcher die Oberflächen der Sensoren 1 bis 4 in axialer Richtung größer sind als die Referenzfläche 38.
Der Sensor 7 ist hingegen um den Abstand a in axialer Richtung versetzt angeordnet, so daß sich Referenzfläche 38 und Oberfläche des Sensors 7 nur teilweise überdecken.
Die Induktivität des Sensors 7 mit den Spulen 33, 34 weist somit einen bestimmten Wert auf. Bei axialen Bewegungen der Referenzfläche 38 ändert sich auch der Überdeckungsgrad mit der Folge, daß sich auch die Induktivität des Sensors 7 ändert. Die Induktivität des Sensors 7 entspricht also der jeweiligen axialen Position der Referenzfläche Entsprechendes gilt auch für die üb-rigen Sensoren 5, 6 und 8. Die Induktivität der Sensoren 5 bis 8 ändert sich natürlich auch infolge von radialen Positionsänderungen.
Verringert sich beispielsweise der radiale Abstand zwischen Referenzfläche 38 und Sensor 5, so ändert sich die Induktivität dieses Sensors, während sich die Induktivität des diametral gegenüberliegenden Sensors 7 in entgegengesetzter Weise ändert wegen des vergrößerten Abstandes zwischen Sensor 7 und Referenzfläche 38. Schaltet man alle axialen Sensoren 5 bis 8 in Serie, so heben sich die Einflüsse radialer Rotorbewegungen weitgehend auf. Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung keineswegs auf dieses Ausführungsbeispiel mit radial innen liegenden Sensoren, welche von einem Referenzring umgeben sind, eingeschränkt ist. Vielmehr umfaßt die Erfindung Sensoranordnungen mit radial außen liegenden Sensoren, welche einen innen liegenden Referenz ring umgeben, sowie Sensoranordnungen mit in axialer Richtung einander gegenüberliegenden Sensoren und Referenzring.
In Figur 3 ist eine Sensoranordnung mit kapazitiven Sensoren in einer Draufsicht in axialer Richtung dargestellt.
In einem Ringkörper 50 aus elektrisch nicht leitendem Material sind vier Sensoren 51 bis 54 in Umfangsrichtung um jeweils 900 versetzt zueinander angeordnet. Die Oberflächen der aus elektrisch leitendem Material bestehenden Sensoren liegen in einel Radialebene, welche mit der Zeichenebene übereinstimmt.
Den Sensoren 51 bis 54 ist ein Referenzring 59 aus elektrisch leitendem Material zugeordnet. Dieser zur Drehachse 60 koaxiale Referenzring 59 ist in der Zeichnung durch die strichpunktierten Linien angedeutet und er befindet sich in einer Radialebene oberhalb der Zeichenebene.
Zwischen den Sensoren und dem Referenzring 59 ist ein ringförmiger Axialluftspalt vorhanden. Es ißt ersichtlich, daß die Kapazität der derart ausgebildeten Sensoren 51 bis 54 vom axialen Abstand des Referenzringes 59 abhängig ist. Die Sensoren 51 bis 54 sind in radialer Richtung breiter ausgebildet als der Referenzring 59, so daß Kapazitätsänderungen aufgrund von radialen Bewegungen des Referenzringes 59 nicht auftreten. In Umfangsrichtung sind zwischen den genannten Sensoren vier weitere Sensoren 55 bis 58 vorgesehen, welche zur Drehachse 60 einen mittleren Abstand aufweisen, welcher etwa dem äußeren Radius des Referenzringes 59 entspricht. In der dargestellten Sollposition des Referenzringes 59 sind also die Sensoroberflächen vom Referenzring teilweise überdeckt und sie weisen eine bstimmte Kapazität auf. Weicht hingegen der Referenzring in radialer Richtung von der Sollposition ab, so ändert sich der Überdeckungsgrad und somit auch die Kapazität der Sensoren 54 bis 58. Leerseite

Claims

Sensoranordnung Patentansprüche 1. Sensoranordnung zur Erfassung der axialen bzw. radialen Position eines insbesondere magnetisch gelagerten Rotors, welcher den Sensoren zugeordnet Referenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erster Sensor (1 bis 4; 51 bis 54) vorgesehen ist, dessen Signal dem Abstand der Referenzfläche (38; 59) entspricht, und daß wenigstens ein zweiter Sensor (5 bis 8; 55 bis 58) vorgesehen ist, dessen Signal der Überdeckung von Sensoroberfläche und Referenzfläche (38; 59) entspricht.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Sensoren (1 bis 8; 51 bis 58) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind und/ oder daß sämtlichen Sensoren eine gemeinsame Referenzfläche (38; 59) zugeordnet ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier erste Sensoren (1 bis 4, 51 bis 54) vorgesehen sind, welche in Umf'ingsrich tung jeweils um etwa 900 versetzt angeordnet sind, und daß vier zweite Sensoren (5 bis 8; 55 bis 58) in Umfangsrichtung jeweils zwischen den ersten Sensoren angeordnet sind.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche (38) zylindrisch ausgebildet ist, daß zwischen der Referenzfläche (38) und den Sensoren (1 bis 8) bzw. Sensoroberflächen ein gemeinsamer zylindrischer Radialluftspalt (36) vorhanden ist und daß die ersten Sensoren (1 bis 4) zur Erfassung der radialen Rotorposition gegenüber den zweiten Sensoren (5 bis 8) zur Erfassung der axialen Rotorposition in axialer Richtung um einen Abstand (a) versetzt angeordnet sind.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung die Oberflächen der ersten Sensoren (1 bis 4) größer sind als die Referenzfläche (38), wobei in der axialen Sollposition die Oberflächen der Referenzfläche (38) im wesentlichen mittig in radialer Richtung gegenüber liegen.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche (59) in einer Radialebene angeordnet ist, daß zwischen der Referenzfläche (59) und den Sensoren (51 bis 58) ein gemeinsamer, ringförmiger Axialluftspalt vorhanden ist, daß die ersten Sensoren (51 bis 54) zur Erfassung der axialen Rotorposition konzentrisch zur Referenzfläche (59) liegen und daß die zweiten Sensoren (55 bis 58) zur Erfassung der radialen Rotorposition bezüglich der Referenzfläche (59) in radialer Richtung versetzt angeordnet sind.
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (1 bis 8) als induktive Sensoren mit elektrischen Spulen (31 bis 34) ausgebildet sind, welche auf einem gemeinsamen Blechpaket (35) angeordnet sind, und daß die zugeordnete Referenzfläche (38) bzw.

ein Referenzring (37) aus weichmagnetischem und/ oder elektrisch leitendem Material besteht.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor (1 bis 8) vorzugsweise zwei elektrische Spulen (31, 32; 33, 34) aufweist, welche auf Polschuhen (11 bis 18, 21 bis 28) des Blechpaketes (35) angeordnet sind, wobei sich die Polschuhe in Richtung zur Referenzfläche (38) erstrecken.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket (35) in drei Bereiche (42, 43, 44) untergliedert ist, welche in axialer Richtung derart übereinander liegen, daß aus Ansätzen der Bleche des ersten und zweiten Bereiches (42, 43) die Polschuhe (11 bis 18) der ersten Sensoren (1 bis 4) gebildet werden und aus Ansätzen der Bleche des zweiten und dritten Bereiches (43, 44) die Polschuhe (21 bis 28) der zweiten Sensoren (5 bis 8) gebildet werden.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als kapazitive Sensoren (51 bis 58) ausgebildet sind und daß die Sensoroberflächen sowie die Referenzfläche (59) aus elektrisch leitendem Material bestehen.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (51 bis 58) in einem Ringkörper (50) angeordnet sind, welcher aus einem elektrisch nicht leitendem Material besteht.
12. Sensoranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (51 bis 54) in radialer Richtung größer ausgebildet sind als die Referenzfläche (59), wobei in der radialen Sollposition die Referenzfläche (59) den Sensoren (51 bis 54) im wesentlichen mittig in axialer Richtung gegenüber liegen.