WO2009030221A2

WO2009030221A2 - Sensoranordnung für eine in einem magnetlager gelagerte welle

Info

Publication number: WO2009030221A2
Application number: PCT/DE2008/001484
Authority: WO
Inventors: Carsten Duppe; Harald Grab
Original assignee: Schaeffler Kg
Priority date: 2007-09-08
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US20100201353A1; DE102007042920A1; EP2225475A2; JP2010538281A; WO2009030221A3; US8330455B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine in einem Magnetlager (2) gelagerte Welle (1), umfassend eine magnetische Abschirmung, die unter Ausbildung eines magnetisch abgeschirmten Bereiches das Magnetlager (2) abschirmt, eine in dem magnetisch abgeschirmten Bereich an der Welle (1) angeordnete magnetische Codierung (10), und mindestens einen Empfänger (11), der mindestens eine Änderung eines Magnetfeldes der magnetischen Codierung (10) erfasst. Die vorgenannte Sensoranordnung löst erfindungsgemäß die Aufgabe, für eine in einem Magnetlager (2) gelagerte Welle (1) eine Sensoranordnung anzugeben, die anhand einer magnetischen Codierung (10) der Welle (1) die Position der Welle (1) möglichst in der Nähe des Magnetlagers (2) zu erfassen ermöglicht.

Description

Sensoranordnung für eine in einem Magnetlager gelagerte Welle

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 für eine in einem Magnetlager gelagerte Welle.

Aus der Praxis von in einem Magnetlager gelagerten Welle ist bekannt, dass Schwierigkeiten auftreten, wenn es darauf ankommt, die Stellung der Welle in axialer oder radialer Richtung in dem Lager festzustellen, insbesondere, wenn der Welle eine magnetische Markierung zugeordnet ist, deren Bewegung erfasst wird, um aus der Bewegung der magnetischen Markierung der Welle auf die Position oder weitere Betriebseigenschaften der Welle, wie Drehzahl oder Drehmoment, zu schließen. Hierbei überlagert sich insbesondere in der Nähe des Magnetlagers dessen Magnetfeld mit dem Magnetfeld der magnetischen Markierung, so dass eine eindeutige Trennung des resultierenden Magnetfeldes in den Beitrag der magnetischen Markierung kaum mehr möglich ist. WO 2006/013092 A1 beschreibt eine Sensoranordnung für einen gelagerte Welle, wobei die Sensoranordnung einen Signalgeber eine magnetische Codierung umfasst, die als an dem Korpus der Welle ausgebildeter magneti- sierter Bereich ausgebildet ist, und einen Empfänger, der als Spule ausge- bildet ist, wobei die Spule eine Änderung des Magnetfeldes der magnetischen Codierung umfasst. Mechanische Spannungen in dem Korpus der Welle bewirken aufgrund des magnetostriktiven Effektes eine Änderung des Magnetfeldes der magnetischen Codierung, die von dem Empfänger erfasst werden, wobei indirekt auf eine Position der Welle in dem Lager geschlossen werden kann. Eine derartige Anordnung ist für eine in einem Magnetlager gelagerte Welle nicht ohne weiteres einsetzbar, da das Magnetfeld des Magnetlagers sich mit der Änderung der Magnetisierung der magnetischen Codierung überlagert. Insbesondere ist problematisch, dass sich das Magnetfeld der Magnetlagerung zeitlich ändert, so dass das Magnetlager dem von der Spule gemessenen Magnetfeld ein zeitabhängiges Signal überlagert. Nachteilig ist ferner, dass die beschriebene Messanordnung nur für solche Wellen geeignet ist, deren Korpus aus einem magnetisierbaren Material besteht, gerade solche Wellen aber durch das Magnetfeld der Magnetlagerung beeinflusst werden.

DE 10 2004 025 387 A1 beschreibt eine Sensoranordnung für eine gelagerte Welle, deren Korpus aus einem elektrisch leitfähigen, magnetisierbaren Material besteht. Die Sensoranordnung umfasst einen Magneten, der seitlich an dem Korpus etwa in dessen Mitte angeordnet ist. Wird durch das Korpus der Welle ein elektrischer Strom geleitet, wird in dem Korpus ein Magnetfeld induziert, das sich an dem Ort des Magneten mit dem Magnetfeld des Magneten überlagert, so dass an dem Ort des Magneten in dem Korpus der Welle aufgrund des magnetostriktiven Effektes mechanische Spannungen in dem Korpus der Welle auftreten, die sich entlang des Korpus der Welle aus- breiten und an einem Ende der Welle erfasst werden können. Aus der Zeit zwischen dem anfänglichen Stromimpuls und dem Auftreten der mechanischen Spannungen kann indirekt auf den Abstand der Stelle, an der der Stromimpuls in die Welle eingeleitet wurde, zu dem Ort, an dem der Magnet sich befindet, geschlossen werden, so dass indirekt auch die Position der Welle relativ zu dem Magneten erfassbar wird. Der Aufbau ist insgesamt aufwendig und für eine in einem Magnetlager gelagerte Welle kaum verwert- bar, da die Magnetfelder des Magnetlagers ständig wechselnde mechanische Spannungen in dem Korpus der Welle hervorrufen, die sich der eigentlichen Messgröße überlagern. Auch lässt sich nur eine axiale Positionierung der Welle, nicht aber eine radiale Stellung der Welle in dem Lager erfassen.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, für eine in einem Magnetlager gelagerte Welle eine Sensoranordnung anzugeben, die anhand einer magnetischen Codierung der Welle die Position der Welle möglichst in der Nähe des Magnetlagers zu erfassen ermöglicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Aufgrund der magnetischen Abschirmung und der Anordnung des Empfän- gers in dem magnetisch abgeschirmten Bereich wird der Empfänger von dem Magnetfeld der Magnetlagerung nicht weiter beeinflusst. Durch eine geeignete Ausbildung der magnetischen Codierung lässt sich dann - weitgehend unbeeinflusst von der Magnetlagerung - die Position der Welle ermitteln. Effekte der Magnetlagerung, die auf die Magnetisierung des Korpus der Welle einen Einfluss haben, können durch einen dem Empfänger zugeordnete Elektronik erkannt und abgetrennt werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die magnetische Codierung durch einen magnetisierten Abschnitt des Korpus der Welle gebildet ist, so dass die Welle keine baulichen Veränderungen erfordert.

Alternativ hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die magnetische Codierung durch ein Codierelement ausgebildet ist, das an das Korpus der Welle angebracht ist. Aufgrund des Codierelementes ist die magnetische Codierung auch für solche Wellen vorzusehen, die aus einem nicht- magnetisier- baren Material bestehen. Zudem besteht bei der Ausbildung des Codierele- mentes die Möglichkeit, die magnetische Codierung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung vorzusehen, so dass der Empfänger gleichzeitig die Position der Welle in axialer und in radialer Richtung ermitteln kann.

Bevorzugt ist hinsichtlich der Ausbildung der magnetischen Codierung vor- gesehen, dass die magnetische Codierung einen Schwingkreis umfasst, und dass der Empfänger den magnetischen Anteil der von dem Schwingkreis abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung erfasst. Dabei ermöglicht die von dem Schwingkreis abgestrahlte elektromagnetische Strahlung ein Erfassen der magnetischen Codierung durch den Empfänger, ohne auf den magnetostriktiven Effekt Rückgriff nehmen zu müssen. Weiter kann die Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung eine Zusatzinformation liefern, die von dem Empfänger weiter erfasst und ausgewertet werden kann. Ausgehend von der Frequenz bzw. von dem Frequenzgang der elektromagnetischen Strahlung kann der Empfänger Störeinflüsse, beispielsweise aufgrund des Erdmagnetfeldes oder aufgrund nicht vollständig abgeschirmter Anteile des Magnetfeldes der Magnetlagerung, erkennen und für die nachgeschaltete Auswertung unterdrücken.

Besonders bevorzugt ist hinsichtlich der Ausbildung der magnetischen Codierung durch einen Schwingkreis vorgesehen, dass der Empfänger eine

Spule umfasst, und dass die Spule mit dem Schwingkreis induktiv gekoppelt ist, wobei die Spule den Schwingkreis zu dem Abstrahlen der elektro- magnetischen Strahlung anregt. Der Empfänger versorgt damit den Schwingkreis mit elektrischer Energie, und zwar auf kontaktlose Weise, ohne eine Verbindung mittels Kabeln zu erfordern. Bewegt sich der Schwingkreis relativ zu dem Empfänger, kommt es nur dann zu einer induktiven Kopplung, wenn die Ebene des Schwingkreises im wesentlichen parallel zu einer durch die Spule definierten Richtung liegt. Verschiedene Schwingkreise, die entlang des Umfangs der Welle verteilt angeordnet sind, sprechen damit eine bestimmte Spule des Empfängers jeweils nur kurz an, so dass sich durch das Vorsehen mehrerer Schwingkreise bzw. mehrerer Spulen eine erhöhte radiale oder axiale Auflösung bei der Positionsbestimmung erzielen lässt.

Vorzugsweise ist die magnetische Abschirmung durch ein Abschirmblech ausgebildet; alternativ oder ergänzend hierzu kann die magnetische Abschirmung auch durch eine elektrisch leitende Beschichtung ausgebildet sein, wobei es sich versteht, dass die elektrisch leitende Beschichtung zusätzlich an dem Abschirmblech vorgesehen ist. Die magnetische Abschirmung kann von dem Empfänger baulich getrennt sein; allerdings kann der Empfänger in einem Gehäuse angeordnet sein, wobei das Gehäuse seinerseits eine magnetisch abschirmende Wirkung aufweist. Das magnetisch abschirmende Gehäuse des Empfängers kann dabei die magnetische Abschirmung aufgrund des Abschirmbleches bzw. aufgrund der elektrisch leitenden Beschichtung ersetzen oder ergänzen, beispielsweise, indem das Gehäuse Bestandteile des Magnetfeldes der Magnetlagerung, die durch das Abschirmblech bzw. durch die elektrisch leitende Beschichtung nicht vollständig abgeschirmt sind, von dem Empfänger fernhält.

Vorzugsweise umfasst der Empfänger zwei Halbzylinder, die die magnetische Codierung in radialer Richtung abdecken. Die beiden Halbzylinder bilden ein Gehäuse, das die magnetische Codierung entlang dessen Umfang überdeckt und damit abschirmt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Halbzylinder die magnetische Codierung in axialer Richtung mindestens teilweise überdeckt, und zwar insbesondere beidseitig überdeckt. Damit weist jeder der Halbzylinder einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf. Die Ausbildung des Gehäuses des Empfängers als Halbzylinder ermöglicht dabei, jeden der Halbzylinder auf die magnetische Codierung so anzubringen, dass die beiden Schenkel des U die magnetische Codierung in axialer Richtung abdecken, wobei die Halbzylinder nahe an die magnetische Codierung heranreichen und einen Abstand von 2 mm oder weniger zu der magnetischen Codierung einnehmen können.

Der Empfänger selbst umfasst vorzugsweise mindestens eine Spule, die das Magnetfeld der magnetischen Codierung erfasst, und insbesondere eine Änderung des Magnetfeldes der magnetischen Codierung erfassen kann. Spulen haben, im Vergleich zu anderen Magnetfeld-Sensoren wie Hall- Sensoren oder Reed-Sensoren, den Vorteil, auch als Sender von elektro- magnetischer Strahlung wirken zu können, insbesondere dann, wenn die magnetische Codierung durch einen Schwingkreis gebildet ist, der induktiv gekoppelt wird.

Die magnetische Codierung kann sowohl an einer Seitenfläche der Welle wie auch an einer Stirnfläche der Welle angeordnet sein.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, und

Fig. 2 zeigt in vier Teilschaubildern Ansichten der Einzelheiten des

Ausführungsbeispiels aus Fig. 1.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Welle 1 , die in einer Magnetlagerung 2 gelagert ist. Die Magnetlagerung 2 umfasst einen Lagerring 3, der eine Nut 4 aufweist. In die Nut 4 ist ein Abschnitt eines Abschirmblechs 5 einfügbar.

Das Korpus 6 der Welle 1 besteht aus einem nicht-magnetisierbaren Material, beispielsweise aus einem Stahl mit einem geringen Anteil von Chrom. An das Korpus 6 der Welle 1 ist ein kreisringförmiges Codierelement 7 befestigbar, wobei das Codierelement 7 in der Darstellung von Fig. 1 zweiteilig dargestellt ist. In der montierten Stellung ist das Codierelement 7 an das Korpus 6 der Welle 1 mittels Presssitz befestigt.

Das Codierelement 7 weist eine umlaufende, radiale Umfangsfläche 8, die von dem Korpus 6 der Welle 1 fort weist, und eine axiale Stirnfläche 9, die von dem Lagerring 3 fort weist, auf. An dem Codierelement 7 ist eine magnetische Codierung 10 vorgesehen, die als Abfolge von Abschnitten unterschiedlicher Magnetisierung sowohl an der Stirnfläche 9 wie auch an der Umfangsfläche 8 ausgebildet ist. Fig. 1 zeigt weiter einen Empfänger 11 mit einem Gehäuse 12, das aus zwei Halbzylindern 13 ausgebildet ist. Jeder der Halbzylinder 13 weist einen U-förmigen Querschnitt auf, wobei die Schenkel des U in der montierten Stellung die Stirnfläche 9 sowie die weitere Stirnfläche des Codierelementes 7 übergreifen, während die Grundfläche des U die Umfangfläche 8 des Codierelementes überdeckt.

In dem Gehäuse 12 ist noch eine Spule angeordnet, die die Änderung des Magnetfeldes der Magnetisierung des Codierelementes 7 erfasst, sobald sich das Codierelement 7 relativ zu der Spule bewegt. Erkennbar sind noch elektrische Zuleitungen 14, die in jeden der Halbzylinder 13 führen, und die innerhalb des Halbzylinders 13 angeordnete Spule beaufschlagen bzw. an deren Ende in der Spule durch das Magnetfeld des Codierelementes 7 induzierte Spannungen einen Spannungsabfall erzeugen.

In der montierten Stellung ist das Abschirmblech 5 abschnittsweise in der Nut 4 des Lagerrings 3 aufgenommen und damit das Abschirmblech 5 an dem Lagerring 3 des Magnetlagers 2 befestigt. In einem axialen Abstand zu dem Abschirmblech 5 ist das Codierelement 7 mittels Presssitz an das Korpus 6 der Welle 1 gefügt, und der Empfänger 11 überdeckt das Codierelement 7 in Umfangsrichtung vollständig und in axialer Richtung zumindest teilweise.

Die magnetische Abschirmung wird teils durch das Abschirmblech 5, teils durch den Abstand zwischen dem Codierelement 7 und dem Abschirmblech 5 sowie teils durch das Gehäuse 12 des Empfängers bewirkt, bei dem Gehäuse 12 speziell durch das teilweise Übergreifen der Stirnflächen 9 des Codierelementes bzw. das Überdecken der Umfangsfläche 8 des Codierelementes durch das Gehäuse 12. Die beiden Gehäusehälften 13 weisen einen Abstand von weniger als 2 mm zu dem Codierelement 7 auf, um den Einfluss von magnetischen Störfeldern zu unterdrücken. Fig. 2 stellt das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel in seinem Einzelheiten dar, dabei sind gleiche oder vergleichbare Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In dem linken oberen Teilschaubild von Fig. 2 ist schematisch eine Draufsicht auf die Welle 1 mit dem Codierelement 7 einem der Halbzylinder 13 des Gehäuses 12 gezeigt, in dem der Empfänger 11 angeordnet ist. Fig. 2 zeigt in dem rechten oberen Teilschaubild den oberen Abschnitt des Abschirmbleches 5. Es versteht sich hierbei, dass das in Fig. 1 einteilig dargestellte Abschirmblech 5 auch zweiteilig ausgebildet sein kann. Fig. 2 zeigt in dem linken unteren Teilschaubild eine Seitenansicht, mit der Welle 1 , dem in dem Gehäuse 12 mit den Halbzylindern 13 angeordneten Empfängern 11 sowie der Zuleitung 14 zur Versorgung der Empfänger 11 , sowie das Abschirmblech 5 und die Magnetlagerung 2 mit einem Lagerring 3, der das Korpus 6 der Welle 1 aufnimmt. Erkennbar ist die Nut 4 in dem Lagerring 3, in der das Abschirmblech 5 mittels einer randseitigen Umbördelung aufgenommen ist. In dem rechten unteren Teilschaubild von Fig. 2 ist eine Hälfte des Codierelementes 7 dargestellt, bei der an der radialen Umfangsfläche 8 an einer axialen Stirnfläche 9 die magnetische Codierung 10, die aus einer Abfolgen von umlaufenden Bereichen mit unterschiedlicher Magnetisierung bzw. auf einer Abfolge von Bereichen mit vor- handener oder fehlender Magnetisierung ausgebildet ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war das Codierelement 7 hohlzylindrisch ausgebildet und an der Seitenfläche des Korpus 6 der Welle 1 befestigt. Es versteht sich, dass ein Codierelement auch an der Stirnfläche der Welle 1 angeordnet sein kann und beispielsweise kreisförmig ist, wobei die magnetisierten Abschnitte kreissegmentförmig ausgebildet sind. Es versteht sich weiter, dass auch eine Kombination aus einem kreisförmigen und einem hohlzylindrischen Teil bestehendes Codierelement vorgesehen sein kann, dass über einem Endabschnitt der Welle 1 angebracht wird. Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Sensoranordnung mit dem Abschirmblech 5, dem Codierring 7 und dem Empfänger 11 außerhalb des Magnetlagers 2, unmittelbar angrenzend an den Lagerring 3 angeordnet. Es versteht sich, dass die Sensoranordnung auch in dem Magnetlager 2, beispielsweise zwischen dem Lagerring 2 und einem weiteren Lagerring des Magnetlagers 2, angeordnet sein kann; in diesem Fall sind dann zu beiden Seiten zu den beiden Lagerringen hin magnetische Abschirmungen vorzusehen.

Bezugszeichenliste

1 Welle

2 Magnetlagerung 3 Lagerring

4 Nut

5 Abschirmblech

6 Korpus der Welle 1

7 Codierelement 8 radiale Umfangsfläche

9 axiale Stirnfläche

10 magnetische Codierung

11 Empfänger

12 Gehäuse 13 Halbzylinder

14 Zuleitung

Claims

Patentansprüche

1. Sensoranordnung für eine in einem Magnetlager (2) gelagerte Welle (1), umfassend ' eine magnetische Abschirmung, die unter Ausbildung eines magne- tisch abgeschirmten Bereiches das Magnetlager (2) abschirmt, eine in dem magnetisch abgeschirmten Bereich an der Welle (1) angeordnete magnetische Codierung (10), und mindestens einen Empfänger (11), der mindestens eine Änderung eines Magnetfeldes der magnetischen Codierung (10) erfasst.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Codierung durch einen magnetisierten Abschnitt des Korpus (6) der Welle (1) gebildet ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Codierung (10) durch ein Codierelement (7) ausgebildet ist, das an das Korpus (6) der Welle (1) angebracht ist.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Codierung einen Schwingkreis umfasst, und dass der

Empfänger den magnetischen Anteil der von dem Schwingkreis abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung erfasst.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger eine Spule umfasst, und dass die Spule mit dem Schwingkreis induktiv gekoppelt ist, wobei die Spule den Schwingkreis zu dem Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung anregt.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung durch ein Abschirmblech (5) ausgebildet ist.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung gebildet ist.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Empfänger (11) ein Gehäuse (12) mit zwei

Halbzylindern (13) umfasst, und dass die beiden Halbzylinder (13) die magnetische Codierung (10) in radialer Richtung abdecken.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzylinder (13) die magnetische Codierung (10) in axialer Richtung mindestens teilweise überdecken.

10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (11) mindestens eine Spule um- fasst.

11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Codierung (10) an einer Seitenfläche der Welle (1) angeordnet ist.

12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Codierung (10) an einer Stirnfläche der Welle (1) angeordnet ist.