Fallstudie Drehzahlsensor

Fallstudie magnetischer Drehzahlsensor

Gliederung

  1. Einleitung
  2. Aufbau und Funktion der Sensoranordnung
  3. Systemgrenzen und Wechselwirkungen
  4. Parameter, typische ToleranzfÀlle und deren Charakterisierung
  5. Der Demonstrator
  6. Zusammenfassung

1. Einleitung

Diese Fallstudie gibt einen Überblick ĂŒber den Aufbau und die Funktionsweise einer ĂŒblichen industriellen magnetischen Hall-Drehzahl-Sensoranordnung mit applikationstypischen ToleranzfĂ€llen und deren Charakterisierung.

2. Aufbau und Funktion der Sensoranordnung

Im Maschinenbau werden hĂ€ufig berĂŒhrungslose magnetische Hall-Sensoren fĂŒr die Messung von Drehzahl verwendet. Die meisten dieser Sensoren sind wie folgt aufgebaut (Abbildung 1). In einem zylindrischen KunststoffgehĂ€use (1) mit Flansch und Befestigungsschraube, ist ein magnetisch empfindlicher Hall-Chip (2) mit seinem Hall-Element und der integrierten Signalaufbereitung vor einem Dauermagneten (3) positioniert. Eine elektrische Verbindung (4) mit Stecker (5) versorgt den Hall-Chip mit der Versorgungsspannung und leitet das elektrische Ausgangssignal ĂŒber eine elektrische Beschaltung (6) an eine Auswerteeinheit (7) weiter. Ein rotierendes weichmagnetisches Zahnrad/Geberrad (8), direkt vor dem Sensor, moduliert das Magnetfeld (9) des Dauermagneten und Ă€ndert periodisch die magnetische Flussdichte. Diese Änderung der magnetischen Flussdichte wird von dem Hall-Chip detektiert, als internes magnetisches Analogsignal verarbeitet und es wird z.B. fĂŒr einen vorbeiziehenden Zahn das Signal logisch 0 (z.B. 0 V) und fĂŒr eine vorbeiziehende LĂŒcke das Signal logisch 1 (z.B. 5 V) ausgegeben (siehe Diagramm 1). Somit ist jede Zahn-LĂŒcken-Kombination durch eine 0 → 1 Umschaltung identifiziert. Aus der Periodendauer dieses Signals, mit Wissen der ZĂ€hnezahl des Zahnrades, kann auf einfache Weise die Zahnraddrehzahl errechnet werden.
Abbildung 1: Typischer Aufbau einer einfachen Hall-Drehzahl-Sensoranordnung
Diagramm 1: Vereinfachte Signaldarstellung der Hall-Drehzahl-Sensoranordnung

3. Systemgrenzen und Wechselwirkungen

Wichtig ist hierbei zu wissen, dass die Geometrie des Zahnrades einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften des Drehzahlsignals hat. Somit besteht der Gesamtdrehzahlsensor aus dem eigentlichen Sensor UND aus dem Zahnrad. Die Kombination aus beiden bestimmt somit die Sensoreigenschaften. Da der Sensor typischerweise von einem Sensorlieferanten bereitgestellt wird und das Zahnrad in der Kundenapplikation schon vorhanden ist, mĂŒssen diese aufeinander abgestimmt werden.

4. Parameter, typische ToleranzfÀlle und deren Charakterisierung

Hierbei ist ein wesentlicher Parameter der maximale Luftspalt zwischen Sensor und Zahnrad. Dieser darf typischerweise nur wenige mm betragen (z.B. 2 mm) und muss logischerweise grĂ¶ĂŸer 0 mm sein.

Nun kommen die Toleranzen des mechanischen Systems zu tragen (siehe auch Abbildung 2):

  • Toleranz Sensorposition
  • Toleranz Zahnraddurchmesser und Profilabweichung
  • ExzentrizitĂ€t Zahnrad auf der Welle
  • VerkĂŒrzte ZĂ€hne durch Verschleiß oder BeschĂ€digung
  • WĂ€rmeausdehnung
  • Radiales Zahnradspiel
  • Radiales Lagerspiel der Welle
  • Durchbiegung der Welle z.B. durch QuerkrĂ€fte oder DrehmomentĂ€nderungen
Abbildung 2: Geometrisch statische und dynamische ToleranzfÀlle bei der Drehzahlmessung

Sofort ist zu erkennen, dass der maximale Luftspalt schnell durch mechanische Toleranzen im System aufgebraucht werden kann und die Funktion nicht immer sofort ĂŒber den gesamten Betriebsbereich sichergestellt werden kann.

Die optimale Beschreibung dieses Systems kann begleitet von Modellierungen, Simulationen und Versuchen schnell sehr aufwÀndig und teuer werden.

Ein praxisgerechter Ansatz mit zusĂ€tzlichem Systemwissen kann aber oft schon weiter helfen. Werden frĂŒhzeitig die Verzahnung und der Sensor aufeinander abgestimmt, erreicht man schon von Anfang an einen großen maximal möglichen Luftspalt. Wird nun der Sensor an einer Stelle im System platziert, an der die mechanischen Toleranzen gering sind, kann unter UmstĂ€nden eine Auslegung ĂŒber den gesamten Betriebsbereich mit wenig Aufwand dargestellt werden.

Die EinflĂŒsse der Zahngeometrie, in Kombination mit verschiedenen mechanischen Toleranzen, können mit dem transportablen mechanischen Demonstrator dargestellt werden. Dieser wird fĂŒr verschiedene Versuche zur Drehzahlsensorauslegung in den Sensortechnologie-Schulungen live verwendet.

5. Der Demonstrator

Encoder

Antrieb +/-5000 1/min

Geberrad 1

Geberrad 2

Sensor 1

Sensor 2

xyz-Verstellung 1

xyz-Verstellung 2

Modul 1 schrÀgverzahnt

Modul 1

Modul 1,25

Modul 1,5

Modul 2

Modul 2,5

Modul 3

Abbildung 3 und 4: Demonstrator Grundaufbau und typische ApplikationszahnrÀder Moduln 1-3

EIGENSCHAFTEN DES DEMONSTRATORS:
Drehzahlbereich: +/- 0 – 5000 1/min
Winkelauflösung: 0,4° Antriebswelle
GeberrÀder: Modul 1/1,25/1,5/2/2,5/3 + schrÀgverzahnt + kundenspezifisch
Spezialsensoren: analog und digital mit variablen und/oder deplatzierten Magnetkreis

Luftspaltbereich: 0 – 10 mm
Mittenversatz: +/- 5 mm
Axialversatz: +/- 5 mm
Verdrehung: variabel
APPLIKATIONSMESSUNGEN:
  • Zahnspitzenbruch
  • ExzentrizitĂ€t des Geberrades
  • Radialvibration des Geberrades
  • Luftspaltschlag
  • Synchronmessung: zwei Sensor/Zahnrad-Kombinationen gleichzeitig

Video 1: Der Demonstrator im Aktion

6. Zusammenfassung

Die Fallstudie zeigt eine praxisgerechte Beschreibung einer Drehzahlsensor-Anordnung. Das Wissen ĂŒber die funktionalen ZusammenhĂ€nge ermöglicht eine fundierte und praxisgerechte Darstellung der Eigenschaften. Die einzelnen statischen und dynamischen ToleranzfĂ€lle können mit dem Demonstrator, sowohl fĂŒr Schulungszwecke, wie auch fĂŒr erste Konzepttest abgebildet werden.

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