DE3605899A1 - Magnetkupplung mit blockierueberwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplung, versehen mit mindestens einem Magneten zur Übertragung von Drehmomenten oder Kräften von einem ersten in einen zweiten Raum, wobei die beiden Räume voneinander durch eine Trennwand getrennt sind.

Bei einer Magnetkupplung der eingangs genannten Art ist es notwendig, die Dreh- bzw. Längsbewegung zu erfassen, da in der Regel nicht exakt beschreibbare Antriebs- oder Abtriebsparameter vorliegen. Solche Parameter können sowohl zeitlich veränderlich, wie z. B. das Antriebsmoment einer Peristaltikpumpe, als auch zeitlich unveränderlich und gleichzeitig nur näherungsweise beschreibbar sein, wie z. B. das nichtganzzahlige Übersetzungsverhältnis eines Getriebes. Ebenso zählen z. B. die elektromechanischen Wandlereigenschaften von Gleichstrommotoren zu den nicht exakt beschreibbaren Parametern. Eine besondere Schwierigkeit tritt auf, wenn die Drehbewegung der Abtriebsseite überwacht werden soll. Dies hat zweckmäßigerweise mit Mitteln zu geschehen, die sich nicht im Raum auf der Abtriebsseite befinden.

Beim Einsatz einer Magnetkupplung der obengenannten Art in einem implantierbaren, miniaturisierten Medikamentendosiergerät besteht die Forderung nach einer hohen Betriebssicherheit, einer hohen Konstanz der Geräteeigenschaften über eine lange Zeit hinweg, einem niedrigen Energiebedarf und einem geringen Bauvolumen der eingesetzten Bauteile. Zur Drehbewegungserfassung der sich drehenden Teile (Motor, Pumpe, etc.) sind Meßvorrichtungen vorgesehen oder sinnvoll, die bevorzugt auf der Basis optischer, magnetischer, induktiver oder mechanischer Verfahren arbeiten können. Aufgrund ihres Volumens sind aber die herkömmlichen Meßvorrichtungen nicht oder nur mit Nachteilen bei miniaturisierten Medikamentendosiergeräten einsetzbar.

Bei gleichzeitiger Überwachung der Abtriebsseite, z. B. im Hinblick auf deren Blockierung, kommt die Schwierigkeit hinzu, daß beide Drehbewegungen, also sowohl die im ersten Raum als auch die im zweiten Raum, erfaßt werden müssen.

Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß beide Drehbewegungen über die magnetischen Drehfelder der beteiligten Magnete erfaßt und diese Drehfelder gleichzeitig dort überwacht werden können, wo sie sich am stärksten überschneiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Magnetkupplung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Überwachung der Drehbewegung im zweiten Raum auf der Abtriebsseite, insbesondere hinsichtlich eines Blockierens, nahezu ohne zusätzlichen Raumbedarf möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Trennwand und dem Magneten ein Luftsspalt vorgesehen und in diesem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist.

Durch die Plazierung des Magnetfeldsensors in dem Luftspalt, der meist ohnehin vorhanden ist, wird nahezu kein zusätzlicher Raum beansprucht. Die notwendigen Anschlußleitungen für den Magnetfeldsensor beeinträchtigen nicht den konstruktiven Aufbau der Magnetkupplung und des Gerätes, in welchem sie eingebaut ist. Durch die Lage zwischen der Trennwand und dem Magnet wird der Sensor von den auf beiden Seiten der Kupplung vorhandenen Magnetfeldern nahezu gleich gut beeinflußt. Zweckmäßigerweise ist der Magnetfeldsensor in dem sogenannten Trockenraum untergebracht, so daß eine aufwendige Kapselung gegen aggressive Einflüsse, wie z. B. Feuchtigkeit, entfällt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine Magnetkupplung mit einem Magnetfeldsensor, der zwischen der Trennwand und den sich auf der Antriebsseite drehenden Magneten angeordnet ist, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Signalflusses der gemäß Fig. 1 verwendeten Schaltung.

In der Fig. 1 ist der Übersichtlichkeit halber eine Stirnmagnetdrehkupplung 1 lediglich mit ihren wesentlichen Elementen dargestellt. Die Stirnmagnetdrehkupplung 1 umfaßt ein Antriebsteil 3 und ein Abtriebs- oder Getriebeteil 5. Das Antriebsteil 3 und das Getriebeteil 5 sind im wesentlichen identisch ausgebildet und befinden sich bevorzugt im Innenraum eines implantierbaren Dosiergeräts. Sie umfassen jeweils zwei gegensinnig gepolte Magnete M 1, M 2 bzw. M 3, M 4, jeweils eine Magnetträgerplatte 7 bzw. 9 und jeweils einen Antriebsrotor 11 bzw. Abtriebsrotor 13, welche Wellen 11, 13 über die Magnetträgerplatten 7 bzw. 9 fest mit den Magneten M 1, M 2 bzw. M 3, M 4 verbunden sind. Der Antriebsrotor 11 ist an einen (nicht gezeigten) Antrieb angeschlossen, welcher das Antriebsteil 3 in Richtung des Pfeils D 1 in Rotation versetzt.

Der Abtriebsrotor 13 ist an einen Abtrieb oder ein Getriebe (nicht gezeigt) angeschlossen, welcher bzw. welches infolge Rotation den eigentlichen Dosiervorgang bei der Medikamentendosierung bewirkt. So kann z. B. mit dem Abtriebsrotor 13 ein Rollenträger einer an sich bekannten Peristaltikpumpe verbunden sein. Bei mitgeführter Drehung des Abtriebsrotors 13 in Richtung des Pfeils D 2 wird der Rollenträger bewegt; er fördert durch Abquetschen des eingelegten Schlauches das in dem Schlauch befindliche Medikament zu einer Austrittsöffnung, die sich im Patienten befindet.

Das Antriebsteil 3 befindet sich in einem ersten geschlossenen Raum 15, welcher als Trockenraum bezeichnet werden kann. In diesem ersten Raum 15 sind auch Bauteile und Vorrichtungen untergebracht, die vor den aggressiven Eigenschaften der in einem zweiten Raum 17 befindlichen Medien zu schützen sind. Solche Bauteile und Vorrichtungen können z. B. Motoren, Batterien, elektrische oder mechanische Bauelemente oder Meßwerke sein. Das Abtriebsteil 5 befindet sich in dem zweiten Raum 17, welcher als Medienraum bezeichnet werden kann. Dort sind im wesentlichen diejenigen Bauteile und Vorrichtungen untergebracht, die mit dem eingesetzten Medium, z. B. einem Medikament wie Insulin, in Kontakt stehen. Das eigentliche Prozeßgetriebe gehört z. B. zu diesen Bauteilen. Der erste Raum 15 ist von dem zweiten Raum 17 durch eine Trennwand 19 hermetisch getrennt.

Im Raum zwischen der Trennwand 19 und der Ebene, in der die Stirnflächen der Magnete M 1, M 2 umlaufen, ist ein Magnetfeldsensor 21 angeordnet. Unter dem Begriff "Magnetfeldsensor 21" wird dabei ein Sensor verstanden, welcher eine oder mehrere Magnetfeldgrößen, wie beispielsweise die magnetische Erregung, die magnetische Flußdichte oder den magnetischen Fluß detektiert. Der Magnetfeldsensor 21 kann beispielsweise ein Hallgenerator, eine Feldplatte oder eine elektrische Spule sein. Wichtig ist die Stelle, an welcher er plaziert ist, also der Raum zwischen der Ebene der Stirnfläche der umlaufenden Magnete M 1, M 2 und der Trennwand 19. An dieser Stelle ist der Magnetfeldsensor 21 bei der Rotation der Magnetkupplung den von beiden Magnetkupplungsrotoren 11, 13 geführten magnetischen Feldern in nahezu gleichem Maße ausgesetzt. Bevorzugt ist der Sensor 21 in einer Aushöhlung oder Nut 22 in der Trennwand 19 untergebracht, und zwar gegenüber den mit wechselnder Polanordnung umlaufenden Magneten M 1, M 2. Der Raum zwischen der Trennwand 19 und der Ebene der Stirnflächen der Magnete M 1, M 2 ist als Luftspalt L bezeichnet.

Bei ungestörtem Betrieb der Magnetkupplung 1 laufen die beiden Magnetkupplungsrotoren 11, 13 mit einem geringen, vom übertragenen Drehmoment abhängigen Versatzwinkel synchron. Die am Magnetfeldsensor 21 bei der Rotation der beiden Magnetkupplungsrotoren 11, 13 erzeugten magnetischen Felder der Magnete M 1 bis M 4 überlagern sich nahezu gleichsinnig. Der Magnetfeldsensor 21 ist in diesem ungestörten Fall einem magnetischen Feld ausgesetzt, das sich nahezu symmetrisch zu Null mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz periodisch ändert.

Bei der Betrachtung des gestörten Betriebs der Magnetkupplung 1 lassen sich die vollständige und die teilweise Blockierung des Abtriebsrotors 13 unterscheiden.

Bei einer teilweise Blockierung ist der Abtriebsrotor 13 in einem bestimmten Winkelbereich noch beweglich. Er stößt z. B. an einem Anschlag an. Das heißt, die magnetischen Felder des Antriebs- und Abtriebsrotors 11, 13 sind bis zu dem Zeipunkt nahezu gleichsinnig überlagert, in welchem der Abtriebsrotor 13 gegen den Anschlag stößt. Ab dem Zeitpunkt des Anschlagens ist das von dem Abtriebsrotor 13 erzeugte magnetische Feld an der Stelle des Magnetfeldsensors 21 solange konstant, bis sich der Antriebsrotor 11 um eine halbe Polaritätsperiode weitergedreht hat. Im vorliegenden Fall von nur je zwei entgegengesetzt gepolten Magneten M 1, M 2 und M 3, M 4 pro Magnetkupplungsrotor 11, 13, die jeweils um 180° bezüglich der Wellen 11, 13 gegeneinander versetzt sind, beträgt die Polaritätsperiode 360°. Ist der Antriebsrotor 11 also um 180° weitergedreht, so stehen sich gleichnamige Pole, beispielsweise Nordpol des Antriebsrotors 11 und Nordpol des Abtriebsrotors 13, gegenüber. Die Magnetkupplung 1 befindet sich in einem instabilen Gleichgewichtszustand. Dreht sich der Antriebsrotor 11 etwas weiter, so springt der Abtriebsrotor 13, beschleunigt durch die jetzt abstoßenden Magnetkräfte, in Gegendrehrichtung um eine halbe Polaritätsperiode, also um 180°, zurück. Anschließend dreht sich der Abtriebsrotor 13 wieder bis gegen den Anschlag, woraufhin sich der beschriebene Vorgang wiederholt.

Mit dem Sprung des Abtriebsrotors 13 ist eine schnelle Änderung des Magnetfeldes der Magneten M 3, M 4 an der Stelle des Magnetfeldsensors 21 verbunden. Dieses führt zu einem Amplituden- und/oder Phasensprung im Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 21, der von einer Auswerteschaltung 23 (in Fig. 2 gezeigt) erfaßt wird, die am Ausgang 25 angeschlossen ist. Auf diese Weise läßt sich ein einseitiges Blockieren des Abtriebsrotors 13 der Magnetkupplung von der Antriebsseite her, also von dem Trockenraum 15 her, erfassen. Es wird bei der Drehbewegungsüberwachung nahezu kein zusätzlicher Raum beansprucht, so daß keine konstruktiven Änderungen aufgrund des Einsatzes des Magnetfeldsensors 21 erforderlich sind.

Im zweiten genannten Fall, bei einer vollständigen Blockierung des Abtriebsrotors 13, tritt am Ort des Magnetfeldsensors 21 ein Magnetfeldverlauf auf, der sich zusammensetzt aus

• a) dem dort zeitlich veränderlichen Verlauf des Magnetfeldanteils der Magnete M 1, M 2 des Antriebsrotors 11 und
• b) einem konstanten Magnetfeldanteil der Magnete M 3, M 4 des vollständig blockierten Abtriebsrotors 13.

Die vom Magnetfeldsensor 21 gemessene Magnetfeld-Zeit- Funktion setzt sich daher zusammen

• a) aus einem veränderlichen Anteil und
• b) einem konstanten Anteil.

Beobachtet wird also eine Nullageverschiebung der periodischen Magnetfeld-Zeit-Funktion. Die Höhe der Verschiebung hängt dabei von dem Ort in Relation zum Magnetfeldsensor 21 ab, an welchem die Blockierung des Abtriebsrotors 13 auftritt. Die Nullageverschiebung kann maximal den halben Wert der im ungestörten Fall erreichbaren Amplitude erreichen. Bezüglich des veränderlichen Anteils ist anzumerken, daß dessen Frequenz in der gleichen Weise von der Winkelgeschwindigkeit des Antriebsrotors 11 abhängt wie im ungestörten Fall. Die Amplitude des veränderlichen Anteils besitzt nahezu den halben Wert der im ungestörten Fall erreichbaren Amplitude.

Neben der Möglichkeit, ein Blockieren des Abtriebsrotors 13 von der der Trennwand 19 gegenüberliegenden Seite, nämlich von dem Trockenraum 15 her zu detektieren, können auch der Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit im ungestörten Fall der Magnetkupplung 1 gemessen werden. Aus dem Drehwinkel bzw. der Drehgeschwindigkeit kann dann das geförderte Flüssigkeitsvolumen bzw. die Förderrate errechnet werden. Für jede Umdrehung der Magnetkupplung ergibt sich durch die konstruktiven Daten der Pumpe ein vorgegebenes Pumpvolumen.

In Fig. 2 ist ein elektrisches Blockschaltbild dargestellt, welches den Signalfluß vom Magnetfeld bis hin zu den Ausgangssignalen der Auswerteschaltung 23 zeigt. Es gelten folgende Abkürzungen:

B,5= magnetische Induktion (stellvertretend für die gemessene Magnetfeldgröße);ϕ _an (t),5= Drehwinkel des Antriebsrotors 11, zeitabhängig;ϕ _ab (t),5= Drehwinkel des Abtriebsrotors 13, zeitabhängig;ϕ(τ),5= Drehwinkel der Magnetkupplung 1, zeitdiskret;U d(ϕ(τ)),5= Ausgangssignal, abhängig vom Drehwinkel der Kupplung, zeitdiskret;U _rot (τ),5= Ausgangssignal, abhängig von der Rotation des Abtriebsrotors 13, zeitdiskret.

Der Magnetfeldsensor 21 kann einen Einspeisungsanschluß für eine Versorgungsspannung U _v aufweisen. Auf den Magnetfeldsensor 21 wirkt die magnetische Induktion B, die sowohl von den Magneten M 1, M 2 der Antriebsseite als auch von den Magneten M 3, M 4 der Abtriebsseite oder von beiden Seiten gemischt hervorgerufen werden kann. Die magnetische Induktion B an der Stelle des Magnetfeldsensors 21 ist also abhängig sowohl von ϕ _an (t) als auch von ϕ _ab (t): B = B(ϕ _an (t) + ϕ _ab (t)). Der Magnetfeldsensor 21 weist einen Ausgang 25 auf, an welchem ein entsprechender Spannungs- oder Stromverlauf als Funktion der Zeit t zur Verfügung steht. Der Spannungs- oder Stromverlauf U(d _an (t), ϕ _ab (t)) ist dabei abhängig von dem Drehwinkel des Antriebs- und Abtriebsrotors 11, 13. Dieser Spannungs- oder Stromverlauf U(t) wird an den Eingang der elektronischen Auswerteschaltung 23 geführt. Die elektronische Auswerteschaltung 23 weist einen ersten Ausgang 27 auf, an welchem U ϕ (ϕ(τ)) erscheint, und einen zweiten Ausgang 29, an welchem U _rot (τ) anliegt. τ bezeichnet dabei bestimmte Zeitpunkte für den Fall, daß die elektronische Auswerteschaltung 23 aus Gründen des Auswerteverfahrens und/oder der Energieeinsparung nur zu diskreten Zeiten die Ausgangssignale U ϕ(ϕ(τ)) und U _rot (τ) liefert.

An die Ausgänge 27, 29 der Auswerteschaltung 23 kann eine Einrichtung 31 angeschlossen sein, die zur Steuerung des Antriebs 33 (z. B. eines elektrischen Motors) der Magnetkupplung 1 dient und/oder eine Vorrichtung 35, die bei teilweiser oder vollständiger Blockierung des Abtriebsrotors 13 einen Alarm abgibt, der z. B. optischer und/oder akustischer Natur ist.

Die Signale U d(ϕ(τ)) und U _rot sind redundant. So ist z. B. bei einem blockierten Abtriebsrotor 13 eine Drehwinkelmessung an der Magnetkupplung 1 nicht sinnvoll. Ebenso kann bei einem ungestörten Lauf der Magnetkupplung 1, bei dem eine Drehwinkelmessung sinnvoll ist, der Abtriebsrotor 13 nicht blockiert sein. Daher ist es ausreichend, bei einer teilweisen oder vollständigen Blockierung des Abtriebsrotors 13 der nachfolgenden Vorrichtung 35 zur Abgabe des Alarms die Blockierung des Abtriebsrotors 13 über das Signal U _rot (τ) mitzuteilen. Ebenso ist es bei einem ungestörten Lauf der Magnetkupplung 1 ausreichend, der nachfolgenden Einrichtung 31 zur Steuerung des Antriebs 33 der Magnetkupplung 1 den Drehwinkel ϕ(τ) über das Signal U ϕ(ϕ(τ)) mitzuteilen.

Die Vorrichtung 35 zur Abgabe des Alarms kann aus betriebstechnischen Gründen mit der Vorrichtung 31 zur Steuerung des Antriebs 33 der Magnetkupplung 1 verbunden sein. Ein solcher Grund kann z. B. das Abschalten des Antriebs 33 der Magnetkupplung 1 nach einer eingetretenen Blockierung des Abtriebsrotors 13 sein. Die Erfassung einer teilweisen Blockierung des Abtriebsrotors 13 ist möglich, da eine teilweise Blockierung, wie vorstehend schon beschrieben wurde, zu einem Amplituden- und/oder Phasensprung in der mit dem Magnetfeldsensor 22 erfaßten Magnetfeld-Zeit-Funktion führt. Die Erfassung einer vollständigen Blockierung des Abtriebsrotors 13 ist möglich über die Messung der Amplitude des veränderlichen Anteils der Magnetfeld-Zeit-Funktion, die mit dem Magnetfeldsensor 22 erfaßt wird. Die Auswertung des bei einer Blockierung des Abtriebsrotors 13 auftretenden konstanten Anteils der Magnetfeld-Zeit-Funktion ist ungeeignet, denn dieser Anteil kann in Sonderfällen auch den Wert Null annehmen. Im Falle einer vollständigen Blockierung des Abtriebsrotors 13 und eines rotierenden Antriebsrotors 11 setzt sich das Magnetfeld an der Stelle des Magnetfeldsensors 22 durch einen zeitlich konstanten Anteil, der vom vollständig blockierten Abtriebsrotor 13 herrührt, und einen zeitlich veränderlichen Anteil, der vom rotierenden Antriebsrotor 11 herrührt, zusammen. Da es sich bei der Verknüpfung der Magnetfelder der beiden Magnetkupplungsrotoren 11, 13 an der Stelle des Magnetfeldsensors 22 um eine lineare Überlagerung handelt, ist es möglich, die beiden im Signalgemisch U(d _an (t), ϕ _ab (t)) am Ausgang des Magnetfeldsensors 22 enthaltenen Signale ϕ _an (τ), ϕ _ab (τ) innerhalb einer bestimmten Meßperiode τ nach Art und Betrag zu trennen. Eine Voraussetzung hierzu ist ein eindeutig umkehrbares, also lineares oder linearisierbares Übertragungsverhalten des Signalflußweges. Somit läßt sich z. B. mit einem Hallgenerator als Magnetfeldsensor 22, der ein lineares Übertragungsverhalten besitzt, und einer geeigneten Auswerteschaltung 23 innerhalb einer bestimmten Meßperiode τ sowohl ein Drehwinkelsignal U ϕ(ϕ(τ) als auch ein Blockierungssignal U _rot (τ) erzeugen. Bei einem Magnetfeldsensor 22 mit nicht eindeutig umkehrbarem Übertragungsverhalten, z. B. bei einer Feldplatte, läßt sich das Signalgemisch U(ϕ _an (t),ϕ _ab (t)) nur dann trennen, wenn ein Signal des Signalgemisches als zusätzliche Information zur Verfügung steht. So ist in einem solchen Falle an der Auswerteschaltung 23 ein zusätzlicher Eingang vorzusehen, an welchem z. B. das Drehwinkelsignal ϕ _an (t) des Antriebsrotors 11 eingegeben wird. Das andere Signal, hier das Blockiersignal U _rot (τ), läßt sich dann durch eine geeignete Korrelation des vom Magnetfeldsensor 22 abgegebenen Signalgemisches U(ϕ _an (t),ϕ _ab (t)) mit dem zusätzlich eingegebenen Signal, hier ϕ _an (τ), bestimmen. Somit läßt sich auch z. B. mit einer Feldplatte als Magnetfeldsensor 22, die kein eindeutig umkehrbares Übertragungsverhalten besitzt, unter Eingabe eines Signals als zusätzlicher Information und einer geeigneten Auswerteschaltung 23 innerhalb einer bestimmten Meßperiode τ sowohl ein Drehwinkelsignal U ϕ(ϕ(τ)) als auch ein Blockierungssignal U _rot (τ) erzeugen.

Claims (7)

1. Magnetkupplung, versehen mit mindestens einem Magneten zur Übertragung von Drehmomenten oder Kräften von einem ersten in einen zweiten Raum, wobei die beiden Räume voneinander durch eine Trennwand getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Trennwand (19) und dem Magneten (M 1, M 2) ein Luftspalt (L) vorgesehen und in diesem ein Magnetfeldsensor (21) angeordnet ist.

2. Magnetkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (21) in einer in der Trennwand (19) befindlichen Nut (22) eingelassen ist.

3. Magnetkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (21) eine Feldplatte, ein Hallgenerator oder eine elektrische Spule ist.

4. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung (23) an den Magnetfeldsensor (21) angeschlossen ist, die ein vom Drehwinkel des Magneten (M 1, M 2) im ersten Raum (15) und einem Magneten (M 3, M 4) im zweiten Raum (17) abhängiges Ausgangssignal (U _ϕ , U _rot ) abgibt.

5. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Medikamentendosiergerät mit einem Feucht- und einem Trockenraum (17 bzw. 15) eingebaut ist, und daß der Magnetfeldsensor (30) in dem Trockenraum (15) untergebracht ist.

6. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (23) mit einer Vorrichtung (35) zur Abgabe eines Alarms verbunden ist.

7. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (23) mit einer Einrichtung (31) zur Steuerung des Antriebs (33) der Magnetkupplung (1) verbunden ist.