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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 für
eine in einem Magnetlager gelagerte Welle.
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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.
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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 magnetisierter Bereich
ausgebildet ist, und einen Empfänger, der als Spule ausgebildet
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.
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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 ausbreiten 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 verwertbar, 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.
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Aufgabe der Erfindung
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoranordnung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Aufgrund
der magnetischen Abschirmung und der Anordnung des Empfängers
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.
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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.
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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-magnetisierbaren Material bestehen. Zudem besteht bei der
Ausbildung des Codierelementes 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.
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Bevorzugt
ist hinsichtlich der Ausbildung der magnetischen Codierung vorgesehen,
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.
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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.
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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.
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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.
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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
elektromagnetischer Strahlung wirken zu können, insbesondere
dann, wenn die magnetische Codierung durch einen Schwingkreis gebildet
ist, der induktiv gekoppelt wird.
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Die
magnetische Codierung kann sowohl an einer Seitenfläche
der Welle wie auch an einer Stirnfläche der Welle angeordnet
sein.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels sowie aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben und erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Sensoranordnung, und
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2 zeigt
in vier Teilschaubildern Ansichten der Einzelheiten des Ausführungsbeispiels
aus 1.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnung
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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.
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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 1 zweiteilig
dargestellt ist. In der montierten Stellung ist das Codierelement 7 an
das Korpus 6 der Welle 1 mittels Presssitz befestigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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2 stellt
das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel in
seinem Einzelheiten dar, dabei sind gleiche oder vergleichbare Bauteile
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In dem linken oberen Teilschaubild
von 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. 2 zeigt in dem rechten oberen Teilschaubild den
oberen Abschnitt des Abschirmbleches 5. Es versteht sich
hierbei, dass das in 1 einteilig dargestellte Abschirmblech 5 auch
zweiteilig ausgebildet sein kann. 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 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 vorhandener
oder fehlender Magnetisierung ausgebildet ist.
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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.
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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.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/013092
A1 [0003]
- - DE 102004025387 A1 [0004]