DE102005025870A1

DE102005025870A1 - Wirbelstromsensoranordnung

Info

Publication number: DE102005025870A1
Application number: DE200510025870
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-12-07
Also published as: WO2006131418A1

Abstract

Es wird eine Wirbelstromsensoranordnung vorgeschlagen, bei der elektrisch leitfähige Strukturen (3) eines Geberelements in einem Magnetfeld an einem Sensor (2) vorbeibewegbar sind und wobei das Sensorausgangssignal durch einen durch die leitfähigen Strukturen (3) hervorgerufenen Wirbelstrom beeinflussbar ist. Die leitfähigen Strukturen bestehen aus Schaufeln (3) oder Zähnen des Geberelements und zwischen den Schaufeln (3) oder Zähnen und dem das Magnetfeld erzeugenden Magneten (1) ist ein Magnetfeldsensor (2) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsensoranordnung zur Erfassung der Bewegung eines Objekts mit einer Kontur aus zumindest teilweise leitfähigem Material nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, dass beispielsweise zur Erfassung der Drehzahl oder der Winkelstellung von rotierenden Bauteilen in einem Kraftfahrzeug berührungslose Drehzahl- und Positionssensoren unter anderem zur Steuerung von Motoren oder auch in Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen eingesetzt werden.

Für sich gesehen ist aus der DE 103 20 941 A1 bekannt, dass ein Wirbelstromsensor einem elektrisch teilweise leitfähigem Geberrad gegenüber angeordnet ist. Es ist hierbei üblich, dass eine Primärspule zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird und in einer Sekundärspule ein Spannung induziert. Das vorbeibewegte Geberrad erzeugt dabei Wirbelstromverluste welche eine Phasenverschiebung zwischen der Treiberspannung und der induzierten Spannung bewirkt, die mittels einer Auswerteeinrichtung zu einer Information über die Geschwindigkeit des Geberrades verarbeitet werden kann.

Hinsichtlich der Signalverarbeitung ist es aus der DE 199 61 876 A1 bekannt, dass bei der Auswertung der mittels eines berührungslosen Sensors gewonnenen Drehinformationen eines rotierenden Bauteils die beispielsweise durch Zahnflanken erzeugten Signaländerungen erfasst werden. Die Auswertung erfolgt dann über Komparatoren, die ein Über- oder Unterschreiten von vorgegebenen Signalpegeln bzw. einen Nulldurchgang detektieren und hieraus die Drehinformationen berechnen.

Bei vielen Anwendungen der zuvor beschriebenen Technik ist die präzise und verzögerungsfreie Erfassung der Bewegungsgrößen wie Winkel oder Drehzahl von größter Bedeutung für die Qualität des Antriebs oder der Regelbarkeit des Gesamtsystems. Beispielsweise stellt sich bei der Regelung von Turbinen das Problem, dass im oberen Drehzahlbereich sich eine hohe Turbinendrehzahl ergibt, wodurch die Luft stärker komprimiert wird als nötig. Im unteren Drehzahlbereich erreicht die Turbine nicht die notwendige Drehzahl, so dass die Luft nicht ausreichend komprimiert wird.

Wenn die Turbine ein Turbinenrad eines sog. Turboladers für den Verbrennungsmotor eins Kraftfahrzeuges ist, so erreicht der Verbrennungsmotor bei den zuvor geschilderten Zuständen nicht die gewünschte Leistung und es entsteht das sog. Turboloch. Die Drehzahl des Turboladers hat somit einen direkten Einfluss auf das Kennfeld und damit auch auf die Leistung des Verbrennungsmotors. Bislang hat man die Drehzahl eines solchen Turboladers nur indirekt schätzen können, da die üblicherweise auf ähnlichen Anwendungsgebieten eingesetzten Drehgeber, wie Inkrementalgeber, Resolver oder magnetische Sensoren aufgrund der schweren Zugänglichkeit des Rotors bzw. des Turbinenrades sowie hoher Temperatur oder der hohen Drehzahl für diese Aufgabe nicht geeignet sind.

Vorteile der Erfindung

Es wird eine Wirbelstromsensoranordnung der eingangs genannten Art fortgebildet, bei der elektrisch leitfähige Strukturen eines Geberelements in einem Magnetfeld an einem Sensor vorbeibewegbar sind, wobei das Sensorausgangssignal durch einen durch die leitfähigen Strukturen hervorgerufenen Wirbelstrom beeinflussbar sind. Erfindungsgemäß sind in vorteilhafter Weise die leitfähigen Strukturen aus Schaufeln oder Zähnen des Geberelements gebildet und zwischen den Schaufeln oder Zähnen und dem das Magnetfeld erzeugenden Magneten ist ein Magnetfeldsensor angeordnet.

Die Erfindung beruht auf dem an sich aus den Maxwellgleichungen bekannten Prinzip v →·B →. Bewegt sich ein leitfähiger Stoff durch ein Feld mit der Geschwindigkeit v, so wird in diesem ein Wirbelstrom I_wirbelsrtom induziert und dieser Wirbelstrom wiederum verursacht ein Wirbelstrommagnetfeld B_wirbelstrom welches dem zuvor genannten Quellfeld entgegenwirkt. Dieses gilt nicht nur für Geberelemente aus ferromagnetischen Materialien wie Stähle sondern auch für nicht ferromagnetische Materialien, wie Kupfer, Aluminium usw..

Vorteilhaft ist es, wenn der Magnetfelssensor ein Differenzfeldsensor zur Messung eines in Bewegungsrichtung des Geberelements hervorgerufenen Differenzfeldes ist, beispielsweise wenn ein Sensor jeweils am linken und am rechten Rand des Magneten angeordnet sind. Man erhält dann aus dem Differenzsignal des Differenzfeldsensors nicht nur die digitale Drehzahl sondern auch eine Amplitude des Signals die drehzahlabhängig ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Geberelement ein Turbinenrad, dessen Schaufeln während der Drehung durch das Magnetfeld des Magneten und am Magnetfeldsensor vorbeibewegbar sind. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung anwendbar, wenn das Turbinenrad Bestandteil eines Turboladers für einen Verbrennungsmotor ist.

Da solche Turbolader-Turbinenräder in der Regel aus nichtmagnetischen Materialien, wie z.B. Aluminium bestehen, wird es mit der Erfindung möglich, ähnlich wie bei Raddrehzahlsensoren auch die Drehzahl des Turboladers zu erfassen. Es kann daher mit der Erfindung auf einfache Weise ein präziser, kostengünstiger und zugleich robuster Sensor für die direkte Erfassung der Drehzahl in Turboladern aufgebaut werden, was aufgrund des Materials und der schweren Zugänglichkeit bisher nur unzulänglich möglich war. Außerdem hat man mehr Freiheiten bei der Wahl des Einbauorts des Sensor und man kann mit einer geeigneten Auswertung eine sichere Drehzahlerfassung über den gesamten Drehzahl- und Temperaturbereich gewährleisten.

In vorteilhafter Weise kann man das Signal des Magnetfeldsensors mittels eines Komparators auswerten, wobei die durch die Schaufeln oder Zähne hervorgerufenen veränderlichen Wirbelstrominduktionen in ein Rechtecksignal umgewandelt werden, dessen Frequenz proportional zur Drehzahl des Geberelements ist. Andererseits ist es auch möglich, dass das Signal des Magnetfeldsensors dadurch ausgewertet wird, dass die Amplituden der durch die Schaufeln oder Zähne hervorgerufenen veränderlichen Wirbelstrominduktionen ausgewertet werden, die ebenfalls proportional zur Drehzahl des Geberelements sind.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wirbelstromsensoranordnung mit einer vorbeibewegten Schaufel eines Turbinenrad,
2 den Verlauf des Magnetfeldes der Wirbelstromsensoranordnung und den Verlauf der durch die Schaufel nach der 1 hervorgerufen Wirbelstrominduktion und
3 die Verläufe des resultierenden Feldes im Sensor und den mit einem Komparator daraus gewonnenen Rechteckverlauf.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist der schematischen Aufbau des Wirbelstromsensors gezeigt, der einen Magneten 1, zum Beispiel einen Permanentmagneten, einen Magnetfeld-Differenzsensor 2 mit zwei Einzelsensoren und eine daran mit der Geschwindigkeit v vorbeibewegte Schaufel 3 eines hier nicht näher dargestellten Turbinenrades, insbesondere als Bestandteil eines Turboladers für einen Verbrennungsmotor, enthält.
Aus 2 ist ersichtlich wie sich das Feld im Bereich des Wirbelstromsensors entlang des Weges s verhält. Wenn die Schaufel 3 des Turbolader-Turbinenrades am Magneten 1 und dem Magnetfeld-Differenzsensor 2 vorbeidreht, wird das Feld des Magneten 1, wie weiter unten erläutert, durch eine Überlagerung der Felder abgeschwächt.
Zunächst ist im Diagramm nach der 2 das Feld des Magneten 1 als Quell- oder Erregerfeld B_Magnet aufgetragen. Der durch die bewegte Schaufel 3 erzeugte Wirbelstrom I_wirbelstrom erzeugt aber seinerseits auch ein Magnetfeld B_wirbelstrom. Dieses Feld B_wirbelstrom Überlagert sich dem Quellfeld B_Magnet des Permanentmagneten 1. Solange die erzeugten Wirbelströme I_wirbelstrom nicht zu groß sind und der Einfluss von B_wirbelstrom auf das resultierende Gesamtfeld vernachlässigt werden kann, gilt näherungsweise für die Wirbelstrominduktion B_WS(n) die folgende Beziehung BWS(n) = μ0·σ·r·B·4·π·n·l
Die Wirbelstrominduktion B_WS(n) ist somit im wesentlichen vom Produkt aus relativer Permeabilität, Leitfähigkeit, Durchmesser, Flussdichte, Drehzahl und Magnetdurchmesser abhängig.
Die Normalkomponente der magnetischen Flussdichte im Bereich des Luftspaltes zwischen der Schaufel 3 und dem Magnetfeld-Differenzsensor 2 verläuft somit über der Drehzahl des Turbinenrades proportional, d.h. die Amplitude von B_wirbelstrom ist proportional zur Drehgeschwindigkeit. In einem Diagramm, in dem die Induktion B_wirbelstrom über der Drehzahl aufgetragen ist, würde dies eine Gerade mit einer beistimmten Steigung sein. Entsprechend der Geschwindigkeit wird somit auch das Magnetfeld B_Magnet des Magneten 1 geschwächt.
Der Magnetfeld-Differenzsensor 2 unterhalb des Magneten 1 erfasst gemäß der 1 die Differenz des Magnetfeldes zwischen dem rechten und dem Linken Rand des Permanentmagneten 1. Dabei wird die Differenz theoretisch Null, falls kein leitfähiges Objekt sich unterhalb des Magnetfeld-Differenzsensors 2 sich bewegt. Bewegt sich ein leitfähiges Objekt unterhalb des Permanentmagneten 1 so entsteht eine Felddifferenz die ihrerseits jedoch abhängig von der Geschwindigkeit und dem Abstand des Objekts, hier die Schaufel 3 des Turbinenrades, ist.
3 zeigt den Verlauf des resultierenden Feldes B aus den sich überlagernden Feldern B_wirbelstrom und B_Magnet und einen Verlauf der Ausgangsspannung U_out eines hier nicht näher erläuteten Komparators, der bei den jeweiligen Nulldurchgängen eine Schaltflanke erzeugt. Dadurch entsteht im Differenzsensor 3 eine magnetische Induktion und eine über einen Komparator abgeleitete Rechteckspannung, die proportional zur Drehzahl des Turbinenrades ist.

Claims

Wirbelstromsensoranordnung, bei dem – elektrische leitfähige Strukturen (3) eines Geberelements in einem Magnetfeld an einem Sensor (2) vorbeibewegbar sind, wobei das Sensorausgangssignal durch einen durch die leitfähigen Strukturen (3) hervorgerufenen Wirbelstrom beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die leitfähigen Strukturen aus Schaufeln (3) oder Zähnen des Geberelements bestehen und dass – zwischen den Schaufeln (3) oder Zähnen und dem das Magnetfeld erzeugenden Magneten (1) ein Magnetfeldsensor (2) angeordnet ist.
Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Magnetfelssensor ein Differenzsensor (2) zur Messung eines in Bewegungsrichtung des Geberelements hervorgerufenen Differenzfeldes ist.
Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Geberelement ein Turbinenrad ist, dessen Schaufeln (3) während der Drehung durch das Magnetfeld des Magneten (1) und am Magnetfeldsensor (2) vorbeibewegbar ist.
Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – das Turbinenrad Bestandteil eines Turboladers für einen Verbrennungsmotors ist und der Magnet und der Magnetfeldsensor (2) in sicherer Distanz zum Betriebsbereich des Turbinenrades angeordnet sind.
Wirbelstromsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Signal des Magnetfeldsensors (2) mittels eines Komparators ausgewertet wird, wobei die durch die Schaufeln (2) oder Zähne hervorgerufene Einfluss einer veränderlichen Wirbelstrominduktionen (B_wirbelstrom) auf das Quellfeld (B_magnet) in ein Rechtecksignal (U_out) umgewandelt wird, dessen Frequenz proportional zur Drehzahl (n) des Geberelements ist.
Wirbelstromsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – das Signal des Magnetfeldsensors (2) dadurch ausgewertet wird, dass die Amplituden der durch die Schaufeln (3) oder Zähne hervorgerufenen veränderlichen Wirbel strominduktionen (B_wirbelstrom) ausgewertet werden, die proportional zur Drehzahl (n) des Geberelements sind.