DE3834994C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl einer Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der EP 00 59 763 A1 als bekannt hervorgeht.

In der EP 00 59 763 A1 ist eine Einrichtung zum berührungslosen Messen der Drehzahl einer Welle aufgezeigt. Mit der Welle ist ein umlaufender Permanentmagnet verbunden. Dabei ist der Permanentmagnet als Magnetscheibe mit zwei Nord- und zwei Südpolen ausgebildet. Die Nordpole liegen einander, wie die Südpole, jeweils diametral gegenüber. Im Magnetfeld des Permanentmagneten sind einander jeweils ebenfalls diametral gegenüberliegende Paare von bezüglich der Wellenachse radial ausgerichteten Induktionsspulen angeordnet, die mit unterschiedlichem Umlaufsinn in Reihe geschaltet sind. Die Induktionsspulen sind mit einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Drehzahl verbunden. In den jeweils diametral gegenüberliegenden Induktionsspulen ergeben sich wegen des unterschiedlichen Umlaufsinns gleichgerichtete Spannungsimpulse, und somit eine Verdopplung der Empfindlichkeit, da die vom Magnetfeld des Permanentmagneten herrührenden Flußänderungen betragsmäßig gleich, aber unterschiedliches Vorzeichen besitzen. Durch homogene Störfelder aufgrund gleichgerichteter Flußänderungen induzierte Spannungsimpulse werden bei dieser Anordnung mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Induktionsspulen kompensiert, wenn das Produkt aus Windungszahl und Querschnittsfläche jeder Drahtwindung voneinander gegenüberliegenden Spulen gleich ist. Auf diesen möglichen Effekt wird in der Schrift jedoch nicht hingewiesen.

Bei einer Einrichtung, wie in "Elektronisches Messen mechanischer Größen", Albert Haug, 1969, Carl Hanser Verlag München, Seiten 187-188 beschrieben, dient ein mit einer Welle mitrotierender Permanentmagnet zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfeldes im Bereich einer Induktionsspule. Aufgrund des sich ändernden magnetischen Flusses wird in der Induktionsspule eine periodische Folge von Spannungsimpulsen induziert, aus denen sich mittels einer geeigneten Auswerteschaltung die Drehzahl der Welle ableiten läßt. Bei ausreichendem Bauraum wird die Induktionsspule in unmittelbarer Nähe des Permanentmagneten angeordnet, da dann die induzierten Spannungsimpulse am stärksten sind. Wegen der ständig vorhandenen magnetischen Störfelder und der daraus in der Induktionsspule resultierenden Induktionsströme ist der Meßbereich der Einrichtung aber eingeschränkt. Bei niedrigen Drehzahlen kommt der Pegel der aus den magnetischen Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse in den Bereich des Pegels der durch den rotierenden Permanentmagneten induzierten Spannungsimpulse, so daß die Erfassung sehr niedriger Drehzahlen nicht mehr möglich ist. Noch schwächer wird das Nutzsignal, wenn die Induktionsspule in größerem Abstand zum Permanentmagneten liegt. Eine meßstellenferne Anordnung muß jedoch häufig gewählt werden, wenn der Bauraum unmittelbar an der Welle beschränkt ist, oder größere Einbauten dort aus sonstigen Gründen nachteilig sind.

Bei einem Abgasturbolader nach dem JP 56-8 552 A würde sich der Einbau der Induktionsspule im Strömungsraum des Verdichters in unmittelbarer Nähe der Verdichterwelle in ungünstiger Weise auf die Strömungsausbildung auswirken. Der Anbau der Induktionsspule außerhalb des Strömungsgehäuses im Abstand zur Verdichterwelle, auf der der Permanentmagnet befestigt ist, schränkt jedoch den Meßbereich für niedrige Drehzahlen ein.

Aus der FR-PS 14 21 256 ist eine Einrichtung zur Messung der Verschiebung einer Zahnstange bekannt. Die Lücken zwischen den Zähnen und die Zahnbreiten sind dabei jeweils gleich groß. Da die Kernstücke zweier Induktionsspulen in einem der Zahnbreite entsprechenden Abstand oder einem Vielfachen davon zueinander angeordnet sind, erfolgen bei einer Verschiebung der Zahnstangen gegensätzliche, jedoch betragsmäßig gleich große Flußänderungen in den Induktionsspulen. Die Induktionsspulen sind derart in Serie geschaltet, daß die induzierten Spannungen addiert werden und damit die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung verdoppelt wird. Magnetische Störfelder oder Vibrationen der Zahnstange, die gleichgerichtete Flußänderungen in den Induktionsspulen bewirken, werden kompensiert.

Aus einem Artikel "Elektronische Drehzahlmessung" von Bruno Braun, in der DE-Z "Messen und Prüfen", September 1970, Seite 738, wird darauf hingewiesen, daß ein Wechselspannungsgenerator als Impulsquelle für die elektronische Drehzahlmessung eingesetzt werden kann.

Aus "Wie funktioniert das?" Meyers erklärte Technik, Band I, herausgegeben von der Fachredaktion Technik des Bibliographischen Instituts, Mannheim/Zürich, 1963, Seite 94 bis 95, ist ein Wechselstromgenerator dargestellt, wie er jedoch nicht zur Drehzahlmessung vorgeschlagen wird. In einer feststehenden, gegensinnig gewickelten Ankerwicklung wird durch einen rotierenden Permanentmagneten mit mehreren Polen eine Wechselspannung induziert.

Beim Tachogenerator nach der DE-OS 35 39 309 ist die im Wirkungsbereich eines Permanentmagneten angordnete Induktionsspule tangential zur Drehrichtung des Permanentmagneten angeordnet. Die Ausrichtung der Induktionsspule spielt jedoch in Bezug auf die Stärke der Spannungsimpulse keine Rolle. Die in der Induktionsspule induzierte Spannung hängt ab von der Magnetisierung eines im Innern der Spule liegenden Kerns. Der Kern ist mit zwei Schenkeln verbunden, die an den Permanentmagneten heranführen. Auf diese Weise wird ein geschlossener Magnetkreis gebildet.

Die Kompensation von Spannungsimpulsen, die aus einem Störfeld herrühren, ist jedoch nicht möglich.

Die Einrichtung nach der DE-PS 12 98 297 dient zur Anzeige der Drehrichtung. Hierzu werden um 90° phasenverschobene Wechselspannungen erzeugt. Dazu dient ein als Dauermagnet ausgebildeter Anker und ein Stator mit Statorwicklungen. Auch mit dieser Einrichtung ist die Kompensation von Störimpulsen aus einer Störquelle nicht möglich.

In dem Aufsatz "Ersetzt die Bürsten" der DE-Z Elektrotechnik, 1969, Heft 11, vom 25.06.1987 ist ein Tachometergenerator dargestellt. Zur Erzeugung einer Gleichspannung ist ein mit einer Welle umlaufender Permanentmagnet mit sechs Polen ausgebildet. Drei radial ausgerichtete Induktionsspulen sind im Winkel von 120° versetzt zueinander angeordnet, so daß jede Induktionsspule jeweils zugleich einem Pol gleicher Polarität gegenuberliegt. Bei dieser Ausrichtung der Induktionsspulen findet die Kompensation von Störimpulsen aus einem Störfeld jedoch nicht statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung von Drehzahlen aufzuzeigen, die unempfindlich gegen magnetische Störfelder ist, und deshalb starke störsignalfreie Meßsignale liefert, so daß der Meßbereich der Einrichtung sich insbesondere auch auf niedrigste Drehzahlen erstreckt, oder eine meßstellenferne Anordnung der magnetischen Aufnehmer ermöglicht wird, ohne daß der Meßbereich empfindlich dadurch eingeschränkt würde.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zur Kompensation der von Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse bei einer Meßanordnung mit einer Induktionsspule mit radialer Erstreckungsrichtung eignet sich eine Schaltung mit einer weiteren Induktionsspule, die mit gleicher Erstreckungsrichtung wie die erste Induktionsspule angeordnet ist, jedoch tangential zur Drehrichtung der Welle. Bei Hintereinanderschaltung der Induktionsspulen mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen werden die in den beiden Induktionsspulen aufgrund von Störfeldern induzierten Spannungsimpulse subtrahiert. In einer weiteren Ausgestaltung nach einem Unteranspruch wird die Empfindlichkeit der Meßanordnung verdoppelt, wenn jeweils zwei Spulenpaare verwendet werden. Bei Verwendung eines Permanentmagneten mit diametral angeordneten Polen unterschiedlicher Polarität werden in zwei sich radial erstreckenden Induktionsspulen erzeugte Spannungsimpulse addiert, wenn sie mit gleichem Umlaufsinn der Windungen hintereinander geschaltet sind. Da dann jedoch auch von externen Störfeldern hervorgerufene Spannungsimpulse addiert werden, ist zu deren Kompensation mit dem ersten Paar von Induktionsspulen ein weiteres Paar Induktionsspulen mit gegenüber dem ersten Paar unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen in Reihe geschaltet. Das zweite Paar ist ebenso wie das erste Paar ausgerichtet, liegt jedoch tangential zur Drehrichtung der Welle, so daß im zweiten Spulenpaar im wesentlichen nur Spannungsimpulse durch Störfelder erzeugt werden. Da mit den Meßeinrichtungen störspannungsfreie Meßsignale erhalten werden, erstreckt sich deren Meßbereich auch auf niedrigste Drehzahlen, wobei auch eine meßstellenferne Lage der magnetischen Aufnehmer keine empfindliche Einschränkung hinsichtlich des Meßbereichs bringt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Meßanordnung mit einem Permanentmagneten mit diametral angeordneten Polen unterschiedlicher Polarität und zwei Paaren von Induktionsspulen, von denen ein Spulenpaar zur Kompensation von Störimpulsen dient;

Fig. 2 die Meßanordnung nach Fig. 1 in Anwendung auf einen Abgasturbolader.

Bei der Meßanordnung nach Fig. 1 weist der mit einer umlaufenden Welle verbundene Permanentmagnet 1 zwei diametral gegenüberliegende Pole unterschiedlicher Polarität auf. Ebenfalls diametral angeordnet sind zwei Induktionsspulen 3, 4, die auf gleichem Abstand zum rotierenden Permanentmagneten 1 liegen. Der in den bezüglich der Drehachse der Welle radial ausgerichteten Induktionsspulen 3, 4 auftretende magnetische Fluß ist betragsmäßig jeweils gleich und besitzt auch gleiches Vorzeichen. Bei gleichem Umlaufsinn der Windungen der beiden Induktionsspulen 3, 4 werden die induzierten Spannungsimpulse addiert und damit die Empfindlichkeit der Meßanordnung verdoppelt. Die von externen Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse werden bei derart geschalteten Induktionsspulen jedoch ebenfalls addiert und somit dem Meßsignal überlagert. Zur Kompensation der Spannungsimpulse aus externen Störfeldern ist zu dem ersten Paar von Induktionsspulen 3, 4 ein weiteres, zweites Paar von Induktionsspulen 12, 13 in Reihe geschaltet, jedoch mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen gegenüber dem ersten Paar. Das zweite Paar von Induktionsspulen 12, 13 ist hinsichtlich des Spulenaufbaus identisch zum ersten Paar ausgebildet. Auch die Erstreckungsrichtung der Induktionsspulen (3, 4, 12, 13) ist gleich. Da auch die Nutzsignale sich aufheben würden, wenn das zweite Spulenpaar ebenso wie das erste radial ausgerichtet wäre, ist das zweite Spulenpaar tangential zur Drehrichtung der Welle angeordnet. Es wird erreicht, daß die von Störfeldern herrührenden Spannungsimpulse des ersten und zweiten Paares subtrahiert werden. Auf diese Weise ergibt sich eine Meßeinrichtung, bei der sich die Nutzsignale addieren und die Störsignale externer Störfelder kompensiert werden. Da auf diese Weise starke, von Störimpulsen nicht überlagerte Meßsignale erhalten werden, können auch niedrige Drehzahlen der Welle erfaßt werden, auch wenn die Induktionsspulen auf Abstand zum Permanentmagneten 1 liegen. Eine Kompensation der Störspannungen, jedoch ohne Verdoppelung des Nutzsignals wird auch erreicht, wenn nur zwei Induktionsspulen, beispielsweise die Induktionsspulen 3 und 12 mit unterschiedlichem Umlaufsinn in Reihe geschaltet werden, wobei die Erstreckungsrichtungen gleich sind, jedoch die eine Induktionsspule 3 radial und die andere Induktionsspule 12 tangential zur Welle liegt. Die Induktionsspulen 3, 4 sind mit einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung 5 verbunden, die aus den Spannungsimpulsen eine entsprechende Drehzahl ermittelt.

Fig. 2 zeigt eine Anwendung der Meßanordnung an einem Verdichter eines Abgasturboladers. Es ist ein Längsschnitt durch den Verdichter dargestellt. Auf der Laufradwelle 6 ist der Permanentmagnet 1 befestigt. Auf dem Einströmstutzen 7 des Verdichtergehäuses ist ein Ring 8 aufgeschoben, der Aussparungen für die Aufnahme der Induktionsspulen 3, 4 enthält. Im Bereich einer Induktionsspule ist eine Gerätedose 9 zur Aufnahme einer nicht weiter dargestellten Auswerteeinrichtung 5 angeordnet. Bei einer solchen Anordnung bleibt der Strömungsraum 10 des Verdichters frei von sperrigen Einbauten, die die Strömung stören würden.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl einer Welle, mit einem mit der Welle mitrotierenden, radial magnetisierten Permanentmagneten mit wenigstens einem Nord- und einem Südpol, und einer im Magnetfeld des Permanentmagneten angeordneten ersten Induktionsspule mit bezüglich der Wellenachse radialer Erstreckungsrichtung, in der infolge der Änderungen des magnetischen Flusses bei Rotation des Permanentmagneten Spannungsimpulse induziert werden, die zur Ermittlung der Drehzahl der Welle einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, sowie einer zweiten Induktionsspule, die mit unterschiedlichem Umlaufsinn der Windungen mit der ersten Induktionsspule in Reihe geschaltet ist, wobei beide Induktionsspulen mit gleicher Erstreckungsrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Induktionsspule (12 oder 13) tangential zur Drehrichtung der Welle angeordnet ist, und beide Induktionsspulen (3 und 12 oder 4 und 13) jeweils das gleiche Produkt von Windungszahl und Querschnittsfläche jeder Drahtwindung aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pole unterschiedlicher Polarität des Permanentmagneten (1) jeweils symmetrisch zur Wellenachse und diametral zueinander liegend angeordnet sind, daß eine weitere radial ausgerichtete Induktionsspule (4), sowie eine weitere tangential ausgerichtete Induktionsspule (13) in Reihe mit den Induktionsspulen (3 und 12) geschaltet sind, daß die radial ausgerichteten Induktionsspulen (3, 4) und die tangential ausgerichteten Induktionsspulen (12, 13) einander jeweils paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind, daß die radial ausgerichteten Induktionsspulen (3, 4) untereinander gleichen Umlaufsinn aufweisen und symmetrisch zur Wellenachse liegen, daß die tangential ausgerichteten Induktionsspulen (12, 13) untereinander ebenfalls gleichen Umlaufsinn aufweisen, mit gleicher Erstreckungsrichtung wie die radial ausgerichteten Induktionsspulen (3, 4) angeordnet, aber mit unterschiedlichem Windungssinn zu den radial ausgerichteten Induktionsspulen (3, 4) ausgeführt sind.