DE29706260U1

DE29706260U1 - Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse rotierenden Körpers

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Publication number: DE29706260U1
Application number: DE29706260U
Authority: DE
Original assignee: Vogt Electronic AG
Current assignee: Vogt Electronic AG
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2007-04-10
Also published as: DE19646056C2; DE19646056A1

Description

Beschreibung

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse rotierenden Körpers.

Zur Drehzahlerfassung von rotierenden Körpern, z.B. Wellen, Zahnrädern, Spindeln und dgl., sind induktiv arbeitende Sensoren bekannt, die nach dem Prinzip des Tachogenerators arbeiten. Der Vorteil dieser induktiven Sensoren liegt in ihrer Robustheit und der Möglichkeit einer einfachen Auswerung der Signalspannung. Diese Vorteile sind insbesondere für die Drehzahlerfassung von rotierenden Körpern in Kraftfahrzeugen von Bedeutung.

Die bekannten induktiven Sensoren haben jedoch den Nachteil, daß aufgrund des Induktionsgesetzes bei langsamen Bewegungen, d. h. niedrigen Drehzahlen, des rotierenden Körpers, die Signalspannung sehr klein wird und mechanische Vibrationen sehr große Störsignale bewirken können. Auch kann es wegen des integrierten Magneten zu Verschmutzungen am Sensorkopf und damit zu Verfälschungen des Sensorsignals kommen.

Den letztgenannten Nachteil haben auch Drehzahlsensoren, die auf Hall-Effekt-Basis arbeiten. Hinzu kommt bei diesen Drehzahlsensoren, daß der Dauer-Temperaturbereich auf die relativ niedrigen
Temperaturen unter 150° C beschränkt ist.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Zweck zu schaffen, die sich durch einen robusten und verschmutzungsunempfindlichen Aufbau auszeichnet, relativ hohe Dauer-Temperaturen von weit über 200° C auszuhalten vermag und im Stande ist, die elektrischen Signale frei von Störgrößen wie Temperatur oder EMV zu liefern.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst.

Bei der neuerungsgemäßen Vorrichtung ist die Amplitude des Ausgangssignals im zulässigen Bereich unabhängig von der Drehzahl, der Temperatur und von der Größe des Luftspalts zwischen dem Flugkreis und dem diesem benachbarten Sensor. Die Einzelkomponenten, aus denen der Sensor besteht, können aus Materialien hergestellt werden, die für Temperaturen weit über 200° C geeignet sind und infolge dessen beispielsweise in der Nähe des im Betrieb sehr heiß werdenden Motors eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden können. Durch die Auswertung der Phasendifferenz zweier Meßspulen werden Störgrößen wie Temperatur oder EMV schon im Sensor eleminiert. Dadurch kann die Auswerteschaltung, die vorzugsweise in einem kühleren Bereich im Motor oder dgl. plaziert wird und mit dem Sensor über ein Kabel verbunden werden kann, einfacher gestaltet werden.

Die "Reichweite" des Sensors hängt von dessen Größe ab, so daß auch diese Eigenschaft des Sensors in weiten Grenzen gestaltet werden kann. Es bereitet auch keine Schwierigkeiten, die Auswerteschaltung so einzurichten, daß nicht nur die Drehzahl sondern auch die Drehrichtung erkennbar ist.

Die Unteransprüche haben bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß Schutzanspruch 1 zum Gegenstand.

Die Funktion der Spiralwicklungen können prinzipiell auch anderweitige flache Spulen erfüllen, so daß der Begriff "Spiralwicklung" auch aus Draht ggf. mehrlagig gewickelte Spulen umfassen soll.

Die Neuerung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne die Auswerteschaltung in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die mit dem Sensor und der Auswerteschaltung in ein Gehäuse eingebaute Vorrichtung,

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• · ·

Fig. 3 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführung der Auswerteschaltung, und

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Relativstellungen zwischen Sensor und Drehglied und der jeweils zugehörigen Phasenverschiebung der von den sekundären Spiralwicklungen gelieferten Spannungen in Bezug aufeinander und bezüglich der Primärspannung.

Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtungrrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse D rotierenden Körpers, hier einer Welle 1, ein um eine vorgegebene Drehachse, hier die Drehachse D der Welle 1, drehbares Drehglied 2 aus elektrisch leitfähigem Material in Form eines Zahnrades 2 auf, das von der Welle 1 mit gleicher Drehzahl angetrieben ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt das in Fig. 1 nur teilweise dargestellte Zahnrad 2 die ebenfalls nur teilweise dargestellte Welle 1 koaxial. Die Zähne 3 des Zahnrades 2 haben einen äußeren Flugkreis 4, und nahe bei diesem ist ein Sensor 5 angeordnet, der mit in Fig. 1 nicht dargestelltem nicht magnetischem Material eingehäust ist.

Der Sensor 5 weist einen ersten flächigen Träger 6 auf, der sich, etwa tangential zu dem Flugkreis 4 erstreckt und auf seinen beiden Seiten je eine flache primäre Spiralwicklung 7 trägt. Die Spiralwicklungen 7 sind durch den Träger 6 hindurch seriell oder parallel miteinander verbunden und belegen auf dem Träger 6 einen vorgegebenen ersten Flächenbereich 8.

Des weiteren weist der Sensor 5 einen zweiten flächigen Träger 9 auf, der sich im wesentlichen parallel zu dem ersten Träger 6 nahe bei diesem erstreckt und auf seinen beiden Seiten je zwei nebeneinander angeordnete flache sekundäre Spiralwicklungen 10 und 11 trägt, die in zusammengehörenden deckungsgleichen Paaren miteinander seriell oder parallel durch den Träger 9 hindurch miteinander verbunden sind und auf dem zweiten Träger 9, jeweils hälftig, einen zweiten Flächenbereich 12 belegen, der den ersten Wicklungs-Flächenbereich 8 auf dem ersten Träger 6 überdeckt.

Die aus dem ersten Träger 6 mit den primären Spiralwicklungen 7 und dem zweiten Träger 9 mit den sekundären Spiralwicklungen 10, 11 bestehende Trägeranordnung ist auf der von dem Flugkreis 4 abgewendeten Seite etwa über den Bereich der Spiralwicklungen 7, 10 und 11 mit einem Ferritplättchen 13 hinterlegt, das sich etwa parallel zu den Trägern 6 und 9 erstreckt.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung zwecks Erzielung des größtmöglichen Einflusses der Zähne 3 des Zahnrads 2 auf die sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 so getroffen, daß sich der Träger 9 mit den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 zwischen dem Flugkreis 4 und dem Träger 6 mit den primären Spiralwicklungen 7 befindet.

Die jeweils auf einer gleichen Seite des zweiten Trägers 9 befindlichen Spiralwicklungen 10 und 11 sind auf der einen bzw. anderen Seite einer sich bezüglich des Flugkreises 4 senkrecht erstreckenden Symmetrielinie 14 angeordnet und haben auf dem zweiten Träger 9 einen Mittenabstand, der im wesentlichen dem Mittenabstand der der Zähne 3 des Zahnrads 2 entspricht.

Die Träger 6 und 9 bestehen jeweils aus einer Folie aus hoch temperaturbeständigem Isoliermaterial, vorzugsweise einer Kunststoffolie, und sind beidseitig mit den zugehörigen Spiralwicklungen beschichtet.

Bei der praktischen Ausführung sind die Träger mit gegeneinander isolierten Spiralwicklungen zusammengeklebt, und die Trägeranordnung ist auf das Ferritplättchen aufgeklebt.

Die auf dem ersten Träger 6 befindlichen beidseitigen primären Spiralwicklungen 7 werden mit im wesentlichen konstantem höherfrequenten Wechselstrom in der Größenordnung von einigen 10 kHz gespeist und erzeugen ein die sekundären Wicklungen 10 und 11 auf dem zweiten Träger 9 durchsetzendes Magnetfeld.

Wie generell in Fig. 2 und in näheren Einzelheiten in Fig 3 dargestellt, weist die Drehzahlerfassungsvorrichtung ferner eine Schaltungsanordnung 15 auf, die die Erregerspannung für die primären Spiralwicklungen 7 auf dem ersten Träger 6 liefert, die von diesen Wicklungen.7 in den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 auf dem zweiten Träger 9 induzierten Spannungen empfängt und aus der von der augenblicklichen Relativstellung der Zahnradzähne 3 bezüglich der sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 abhängigen Phasenverschiebung zwischen den von den Wicklungspaaren 10 bzw. 11 gelieferten Spannungen bzw. Strömen oder aus der Phasenverschiebung zwischen einer dieser induzierten Spannungen und dem konstanten Erregerwechselstrom ein der augenblicklichen Drehzahl der Welle entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.

Wie in Fig.2 dargestellt, wird für die Einsatzmöglichkeit der Vorrichtung auch bei sehr hohen Temperaturen an der mit dem Sensor 5 zu erfassenden Meßstelle, die Schaltungsanordnung 15 vorzugsweise in einem erheblichen radialen Abstand von dem Sensor 5 angeordnet und mit dem Sensor 5 über ein Kabel 5b verbunden.

Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, daß das aus unmagnetischem Material bestehende Sensorgehäuse 5a mit den darin befindlichen Bauteilen mit einem vorzugsweise hoch temperaturbeständigen Gießharz vergegossen werden kann.

Als Träger für die Spiralwicklungen eignen sich prinzipiell auch andere Materialien als Folien, z. B. dünne, harte Plättchen.

Die Fig 3 zeigt das Blockschaltbild einer für die Zwecke der Erfindung geeigneten, beispielsweisen Schaltung zur Auswertung der von den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 gelieferten Signale (Spannungen).

Wie aus Fig. 3 ersichtlich weist die Auswerteschaltung auch einen Oszillator auf, der die Erreger-Wechselspannung für die primären Spiralwicklungen 7 erzeugt und an diese liefert. Die primären Spiralwicklungen sind Teil des Oszillatorschwingkreises, der im Aus-

führungsbeispiel bei 100 kHz schwingt. Befindet sich kein Zahn vor dem Sensor 5, ist die Phasenverschiebung zwischen den beiden von den primären Spiral wicklungen 7 in dem einen bzw. anderen der beiden sekundären Spiralwicklungspaare 10 und 11 induzierten Spannungen 0°. Diesen Zustand gibt die oberste Abbildung in Fig. 4 wieder. Sobald sich ein Zahn 3 des Zahnrades 2 einem der sekundären Spiralwicklungspaare 10 bzw. 11 nähert, werden in diesem Zahn Wirbelstromverluste erzeugt. Diese Wirbelstromverluste verursachen eine Phasenverschiebung der in dem betreffenden sekundären Spiralwicklungspaar induzierten Spannung gegenüber der Primärspannung sowie auch gegenüber der in dem anderen Spiralwicklungspaar induzierten Spannung. Diese Zustände sind für einen ankommenden Zahn in der mittleren Abbildung in Fig 4 und für einen sich entfernenden Zahn in der unteren Abbildung in Fig. 4 dargestellt.

Des weiteren enthält die aus Fig. 3 ersichtliche Auswerteschaltung Schaltkreise, die die in den sekundären Spiralwicklungspaaren induzierten Spannungen getrennt empfangen und phasenrichtig in Rechteckspannungen umformen. Diese Rechteckspannungen werden in einen Phasendemodulator eingespeist, der aus ihnen ein Rechtecksignal erzeugt, das proportional zur Drehzahl ist und am Sensorausgang zur Verfügung steht.

Claims

• · Haar, 8. April 1997 Vogt electronic AG 94130 Obernzell Mein Zeichen: V227/ GM Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse rotierenden Körpers Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse (D) rotierenden Körpers (1), gekennzeichnet durch

a) ein um eine vorgegebene Drehachse (D) drehbares Drehglied (2) aus elektrisch leitfähigem Material, das von dem Körper (1) mit einer in einem festen Verhältnis zu dessen Drehzahl stehenden Drehzahl angetrieben ist und mindestens einen zahnartigen Vorsprung (3) aufweist, und

b) einen nahe bei dem radial äußersten Flugkreis (4) des Vorsprungs (3) angeordneten, mit nicht magnetischem Material eingehäusten (5a) Sensor (5) mit

aa) einem ersten flächigen (6) Träger, der sich etwa tangential oder parallel zu dem Flugkreis (4) erstreckt und auf mindestens einer seiner beiden Seiten eine flache primäre Spiralwicklung (7) trägt, die auf dem Träger (6) einen vorgegebenen ersten Flächenbereich (8) belegt, und

bb) einem zweiten flächigen Träger (9) , der sich im wesentlichen parallel zu dem ersten Träger (6) nahe bei diesem erstreckt und mindestens auf einer sei-

ner beiden Seiten zwei nebeneinander angeordnete flache sekundäre Spiralwicklungen (10, 11) trägt, die auf dem zweiten Träger (9), jeweils hälftig, einen zweiten Flächenbereich (12) belegen, der den ersten Wicklungs-Flächenbereich (8) auf dem ersten Träger (6) überdeckt, wobei

cc) die auf dem ersten Träger (6) befindliche(n) primäre (n) Spiralwicklung(en) (7) mit im wesentlichen konstantem höherfrequenten Wechselstrom gespeist ist/sind und ein die sekundären Wicklungen (10, 11) auf dem zweiten Träger (9) durchsetzendes Magnetfeld erzeugt/erzeugen,

c) und eine die induzierten Spannungen der nebeneinander auf dem zweiten Träger (9) angeordneten Spiralwicklungen (10, 11) empfangende Schaltungsanordnung (15) zum Erzeugen eines der Drehzahl des Drehgliedes (2) entsprechenden elektrischen Signals aus der sich mit der Drehung des Drehgliedes (2) ändernden Phasenverschiebung zwischen diesen induzierten Spannungen oder aus der Phasenverschiebung zwischen einer dieser induzierten Spannungen und dem konstanten Wechselstrom.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ferrit-

plättchen (13), das die Trägeranordnung aus dem ersten Träger (6) mit der/den primären Spiralwicklung(n) (7) und dem zweiten Träger (9) mit den sekundären Spiralwicklungen (10, 11) auf der von dem Flugkreis (4) abgewendeten Seite etwa über den Bereich der Spiralwicklungen (7, 10, 11) hinterlegt und sich etwa parallel zu den Trägern (6, 9) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß sich der Träger (9) mit den sekundären Spiralwicklungen (10, 11) zwischen dem Flugkreis (4) und dem Träger (6) mit der/den primären Spiralwicklung(en) (7) befindet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils auf einer gleichen Seite des zweiten Trägers (9) befindlichen Spiralwicklungen (10, 11) auf der einen bzw. anderen Seite einer sich bezüglich des Flugkreises (4) senkrecht erstreckenden Symmetrielinie (14) angeordnet s ind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (6, 9) jeweils aus einer Folie aus Isoliermaterial bestehen, die ein- oder beidseitig mit der/den zugehörigen Spiralwicklung(en) (7, 10, 11) beschichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (6, 9) aus eine hoch hitzebeständigen Kunststofffolie bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (6, 9) mit gegeneinander isolierten Spiralwicklungen (7, 10, 11) zusammengeklebt sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägeranordnung (6, 7, 9, 10, 11) auf das Ferritplättchen (13) aufgeklebt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (15) in einem erheblichen radialen Abstand von dem Sensor (5) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die

Schaltungsanordnung (15) auch die primäre (n) Spiral wicklungen (7) mit dem konstanten Wechselstrom speist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung !15) in das Sensorgehäuse (5a) eingebaut ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß das Sensorgehäuse (a) mit den darin befindlichen Bauteilen mit Gießharz vergegossen ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehglied (2) ein Zahnrad ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die

auf dem zweiten Träger (9) nebeneinander befindlichen Spiralwicklungen (10, 11) einen Mittenabstand haben, der im wesentlichen dem Mittenabstand der Zähne des Zahnrads (2) entspricht

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Körper (1) eine Welle ist.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 oder 14 und Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (2) die Welle (1) koaxial umgibt.