DE4320634A1

DE4320634A1 - Berührungsloser Drehzahlmesser durch Detektion eines Restmagnetfeldes nach dem Induktionsprinzip mit Drehrichtungserkennung

Info

Publication number: DE4320634A1
Application number: DE19934320634
Authority: DE
Inventors: Wolfram Karger
Original assignee: PCE PROCESS CONTROL ELECTRONIC
Current assignee: PCE PROCESS CONTROL ELECTRONIC
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1995-01-05

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung, die es gestattet, Drehzahl und Drehrichtung eines Gleichstrommotors sowohl in offener als auch in völlig gekapselter Ausführung zu erkennen und zu messen.

Der Aufbau einer solchen Anordnung ist in Fig. 1 beschrieben und enthält folgende Bauelemente:

1 = Motoranker
2 = Magnetrückschluß-Mantel
3 = Permanent-Magnet
4 = Wicklungspakete
5 = Induktionsspule (Drehzahlerkennung)
6 = Induktionsspule (Drehrichtungserkennung).

Die bisher bekannten und beschriebenen Meßverfahren beispielsweise erlauben eine Drehzahl- oder Drehrichtungserfassung nur an offenen Gleichstrom-Motoren. Bei vorliegender Erfindung jedoch können die Meß-Signale außerhalb des Motorgehäuses gewonnen und weiterverarbeitet werden. Dies bringt wesentliche Vorteile sowohl für die Serienprüfung von Motoren in der Produktion als auch im eingebauten Zustand beim Anwender.

Zur Funktionserklärung der obengenannten Erfindung wird folgendes ausgeführt:

Gemäß dem Faraday′schen Induktionsprinzip gilt:

und weiterhin

dabei bedeuten:
U_ind(t) = zeitabhängige induzierte Spannung
dΦ(t) = zeitabhängiges Magnetflußelement
B(t) = zeitabhängige magnetische Induktion
A(t) = die von Magnetfeldlinien durchsetzte Fläche, welche sich zeitlich ändern kann
L = die Induktivität
= die zeitliche Stromänderung.

Die zu detektierende magnetische Flußänderung nach (2) erhält man z. B., wenn ein Gleichstrommotor anläuft. Das von ihm abgegebene Drehmoment resultiert aus:

Md(t) = N · I(t) · Φ(t)

wobei bedeuten:
Md(t) = das zeitabhängige Drehmoment
N = die Windungszahl des Ankers.

Solange sich der Ankerstrom zeitlich ändert, verändert sich auch der magnetische Fluß (siehe 2) und dementsprechend kann mit einer in diesen Fluß gebrachten Induktionsspule nach Fig. 1 Nr. 5 bzw. Nr. 6 die Induktionsspannung detektiert werden.

Auch im stationären Fall, also wenn die Enddrehzahl erreicht ist, bleibt der Fluß nicht konstant, sondern ändert sich periodisch durch den Bürsteneffekt.

Die vom permanentmagnetisch erregten Gleichstrommotor erzeugte Flußänderung setzt sich zusammen aus dem Fluß der Permanentmagnetfelder sowie dem Fluß aus dem Ankerquerfeld. Der resultierende Flußverlauf über der Zeit ist zudem abhängig von den konstruktionsbedingten Motoreigenschaften.

Die gemäß (1) und (2) in den Induktionsspulen (5) bzw. (6) induzierte Spannung ist außerdem von deren Beschaffenheit abhängig. So wird aus (1) und (2) deutlich, daß große Induktivität eine große Induktionsspannung bewirkt, wie sie bei der Induktionsspule (5) vorliegt. Ein Spulenkern der unter (5) beschriebenen Art erhöht zusätzlich die Induktionsspannung. Aus der Thomsongleichung:

mit
f= Resonanzfrequenz
C = Kapazität.

Ist weiterhin zu erkennen, daß die Größe der Induktivität Einfluß auf das Frequenzverhalten der Induktionsspannung hat. Darüber hinaus resultieren aus der Beschaffenheit des Spulenkerns seine Dämpfungseigenschaften. So wirkt die Spule Nr. 5 als Tiefpaß, wie aus dem Oszillogramm Fig. 3 Nr. 2 ersichtlich ist. Umgekehrt ergeben kleine Induktivitäten große Resonanzfrequenzen.

Da Motoren mit Kohlebürsten stationäre Signale im HF-Bereich abgeben, eignet sich eine Induktionsspule mit kleiner Induktivität und nachgeschaltetem schmalbandigen HF-Bandpaß als Modul für ein hochgenaues Trigger-Signal, wie es unter Fig. 1 Nr. 6 realisiert worden ist.

Drehrichtungserkennung: Aus dem Motorstart:

Dazu ist jede der unter Fig. 1 bezeichneten Induktionsspulen Nr. 5 oder Nr. 6 geeignet. Je nach Drehrichtung ergibt sich vom Start des Motors ein positiver bzw. negativer Induktions spannungsimpuls bei ortsfester Induktionsspule.

Erkennung im stationären Zustand:

Je nach Drehrichtung wird die Induktionsspule Fig. 1 Nr. 6 auf die ansteigende oder abfallende Flanke des Bürstenabriß-Signals getriggert. Im allgemeinen ist demnach das Signal der Induktiosspule Fig. 1 Nr. 5 um eine Lamellenbreite verschoben, entsprechend der Drehrichtung. Durch Plazierung der Induktionsspule Fig. 1 Nr. 5 am Luftspalt so, daß sie von Magnetfeldern zweier benachbarter Magnete durchflutet wird, tritt hingegen eine Phasenverschiebung von 180 Grad auf. Diese wird dann mittels bekannter elektronischer Auswertung zur Drehrichtungserkennung genutzt (siehe Fig. 3).

Die Meßanordnung nach vorliegender Erfindung ist einfach aufzubauen und gestattet eine ebenso einfache Anwendung in der Meß- und Prüfpraxis.

Aufbau und Funktionsweise Fig. 2

Die Zeichnung ist so zu verstehen, daß eine Magnetfeldlinie, B(t) (aufgespalten in die x- und y-Komponenten im mitbewegten, kartesischen Koordinatensystem) zu verschiedenen Zeitpunkten, t und t-ot betrachtet wird, während sich der Anker des Motors nach links dreht.

Richtungsgebundene Magnetfeldänderung

Setzen wir jetzt eine Spule mit, in x-Richtung magnetisiertem Kern ein, so können wir die x- Komponente von dB/dt detektieren.

Drehrichtung erkennen

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, werden die Feldlinien durch die Ankerrückwirkung an der ablaufenden Kante des Permanentmagneten verdrängt; damit nimmt die Feldliniendichte hier ab, auf der anderen Seite dagegen zu.

Die Drehrichtung des Ankers bestimmt, auf welcher Seite die Feldlinienverdichtung bzw. -verdünnung stattfindet.

Mit zwei versetzt angeordneten Spulen (5 und 6) kann so durch Differenzmessung der Sensorsignalamplituden die Drehrichtung ermittelt werden.

Claims

1. Berührungsloser Drehzahlmesser durch Detektion eines Restmagnetfeldes nach dem Induktionsprinzip mit Drehzahl und Drehrichtungserkennung, dadurch gekennzeichnet, daß durch ortsfeste Anordnung einer 2. Induktionsspule Nr. 6 in Fig. 1 vom Start weg ein positiver oder negativer Induktionsspannungs-Impuls erzeugt wird, der durch eine weitere elektronische Signalverarbeitung zur Drehrichtungserkennung verwertet wird.

2. Berührungsloser Drehzahlmesser durch Detektion eines Restmagnetfeldes nach dem Induktionsprinzip mit Drehzahl und Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Drehrichtungserkennung im stationären Zustand je nach Drehrichtung die Induktionsspule Nr. 6 (Fig. 1) auf die ansteigende oder abfallende Flanke des Bürstenabriß-Signals getriggert wird.
Das Signal der Induktionsspule Nr. 5 (Fig. 1) ist entsprechend der Drehrichtung um eine Lamellenbreite verschoben. Durch Plazierung der Induktionsspule Nr. 5 (Fig. 1) am Luftspalt, so daß sie von Magnetfeldern zweier benachbarter Magnete durchflutet wird, tritt eine Phasenverschiebung von 180 Grad auf. Letztere wird als Signal ausgewertet.

3. Berührungsloser Drehzahlmesser durch Detektion eines Restmagnetfeldes nach dem Induktionsprinzip mit Drehzahl- und Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anordnung einer Induktionsspule Nr. 5 (Fig. 1 und 2) eine Induktionsspannung detektiert wird, die sich äquivalent zum magnetischen Fluß und der zeitlichen Ankerstromänderung verhält. Somit kann die Motordrehzahl bestimmt werden.

4. Berührungsloser Drehzahlmesser durch Detektion eines Restmagnetfeldes nach dem Induktionsprinzip mit Drehzahl- und Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspulen Nr. 5 und Nr. 6 (Fig. 1) auch aus mehreren, aus Einzelspulen zusammengesetzten Arrays bestehen können. Dies dient zur Vergrößerung der vom Magnetfeld durchfluteten Fläche.