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Ausgewählte Ausgabe: S2-2016 Ansicht: Modernes Layout
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Massenträgheitsloses Messsystem für Winkel- und Drehzahlmessung in hochdynamischen Antrieben

In der Industrie sowie im Auto oder gar im Haushalt gibt es einen stetigen Anstieg von eingesetzten elektrischen Motoren, beschleunigt durch aktuelle Entwicklungen wie zum Beispiel der Trend zu Elektromobilität in Form von E-Bikes, Elektro-Autos, More Electric Aircraft sowie Industrie 4.0. Dieser Trend wird begleitet von verstärkten Bemühungen um erhöhte Energieeffizienz. Gleichzeitig werden höhere Leistungsdichten bei elektrischen Antrieben angestrebt, was wiederum mit höheren Betriebsdrehzahlen verbunden ist. Diese Trends stellen neue Anforderungen an Messsysteme für die Erfassung der Winkelstellung und Drehgeschwindigkeit von elektrischen Motoren.


Üblicherweise bestehen solche Messsysteme aus einer Maßverkörperung, die auf der Motorwelle fixiert wird, und einer elektronischen Auswertung, welche im Motorgehäuse fixiert wird. Das Massenträgheitsmoment der Maßverkörperung muss mit der Motorwelle beschleunigt werden und trägt dadurch zum Energiebedarf bei. Drei Mitglieder der Innovationsplattform für Magnetische Mikrosysteme – Innomag e.V. – haben gemeinsam ein neuartiges massenträgheitsloses Messsystem entwickelt, das nicht nur den Energiebedarf von elektrischen Motoren signifikant reduzieren kann, sondern auch eine deutlich bessere Dynamik als auch viel höhere Betriebsdrehzahlen ermöglicht. Dadurch werden ganz neue Leistungseigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten für elekt-rische Maschinen geschaffen.

Neue Anforderungen an Sensoren für hochdynamische Antriebe

Motoren benötigen einen Messumformer, zum Beispiel Resolver oder Drehgeber, zur Wandlung der Winkellage des Rotors in eine elektrische Größe, zwecks Ansteuerung und Regelung. Diese Lösungen benötigen ein zusätzliches Bauteil, welches auf der Motorwelle fixiert wird. Das Massenträgheitsmoment dieses Bauteils hat oft einen wesentlichen Anteil am gesamten Massenträgheitsmoment, welches bei jedem Anfahren oder Anhalten des Motors beschleunigt oder abgebremst werden muss. Es gibt auch mechanische Grenzen bei der Belastbarkeit von zum Beispiel Encoderscheiben aus Glas, die hoher dynamischer Belastung bei hohen Drehzahlen nicht standhalten können. Ideal wäre es, wenn man die Motorwelle selbst als Maßverkörperung für das Messsystem nutzen könnte. Da Motorwellen überwiegend aus ferromagnetischen Werkstoffen (Stahl) hergestellt werden, können magne- tische Prinzipien angewandt werden. Eine massenträgheitslose Lösung wurde jetzt von drei Mitgliedern des Netzwerks Innomag entwickelt.

Grundlage für die neue Lösung: Zahnsensoren auf GMR-Basis

Neuartige Zahnsensoren tasten ein zahnähnliches Profil, welches direkt in der Motorwelle eingearbeitet wird, ab. In Kombination mit einem neuen Signalverarbeitungs-ASIC kann eine absolute Winkelmessung berührungslos durchgeführt werden.

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Bild 1
Direkte Abtastung einer Motorwelle mittels GMR-Zahnsensoren.

Die Motorwelle direkt als Maßverkörperung für einen Rotorlagegeber zu nutzen, ist ein komplett neuer Ansatz. Diese Lösung wird ermöglicht durch Zahnsensoren, basierend auf dem GMR-Effekt (Giant Magnetoresistive Effect), für deren Entdeckung Prof. Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich in 2007 den Nobelpreis für Physik erhielt. Diese Sensoren tasten sehr feine zahnähnliche Strukturen ab, die direkt in der Motorwelle eingearbeitet sind (Bild 1).
Seit mehreren Jahren beschäftigt sich Sensitec damit, die GMR-Technologie auch für Anwendungen der industriellen und medizinischen Messtechnik, also für analoge Sensoren, anzupassen und weiterzuentwickeln. Als besonders interessant und erfolgreich hat sich dabei ein Anwendungsgebiet erwiesen, bei dem die periodische Modulierung eines starken Magnetfelds durch ferromagnetische Funktionsbauteile (Zahnräder oder Zylinderstangen) zur berührungslosen und dynamischen Erfassung von Bewegungen genutzt wird. 

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Autoren

Dr. Rolf Slatter

Geschäftsführer Sensitec GmbH
 
Kontakt:
Sensitec GmbH
Georg-Ohm-Straße 11
35633 Lahnau
Tel.: 0 64 41/97 88-0
Fax: 0 64 41/97 88-17
E-Mail: rolf.slatter@sensitec.com
www.sensitec.com

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