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Industrielle Automation 6/2016

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Industrielle Automation 6/2016

SPS IPC DRIVES

SPS IPC DRIVES 2016 I MESSE Von der Formel 1 in die Industrie Berührungslose und hochdynamische Drehzahlmessung mit magnetoresistiven Sensoren 01 Magnetoresistiver (MR) Drehzahlsensor Rolf Slatter, Harry Knöller Magnetische Mikrosysteme in Form von magnetoresistiven (MR) Sensoren werden häufig in Fahrzeugen, medizinischen Geräten, Windturbinen, Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern eingesetzt; sei es für die Erfassung von Weg, Winkel, elektrischem Strom oder Magnetfeldern. MR-Sensoren sind robust, zuverlässig, präzise und miniaturisiert – diese Kombination an Eigenschaften führt zu einem stetigen Wachstum des Anwendungsbereichs. Lesen Sie, was den Anstoß für neue Entwicklungen gab und was daraus entstanden ist. In zahlreichen industriellen und automobilen Anwendungen zeichnet sich ein Trend zu höheren Drehzahlen und schnelleren Linearbewegungen ab. Daraus ergeben sich neue Anforderungen an das Messsystem. Innovative Sensorlösungen werden benötigt mit hohen dynamischen Eigenschaften, hoher Auflösung, Robustheit und geringen Abmessungen. Die hohe Bandbreite, die MR-Sensoren bieten, galt bisher eher als „versteckter“ Vorteil dieser Technologie. Das hat sich geändert und inzwischen stellt er in immer mehr Anwendungsbereichen die Basis für die Winkel- und Positionsmessung in Hochgeschwindigkeitsmaschinen dar. Berührungslose Erfassung von Bewegung MR-Sensoren sind besonders flexibel und können in verschiedenen Messanordnungen eingesetzt werden. Als besonders interessant und erfolgreich hat sich dabei ein bestimmtes Anwendungsgebiet erwiesen, bei dem die periodische Modulierung eines Dr. Rolf Slatter, Geschäftsführer, Dipl.-Ing. Harry Knöller, Produktmanager, beide bei der Sensitec GmbH in Lahnau starken Magnetfeldes durch ferromagnetische Funktionsbauteile, z. B. Zahnräder oder Zylinderstangen, zur berührungslosen und dynamischen Erfassung von Bewegungen genutzt wird. Bild 02 zeigt die Simulation des Feldverlaufes einer durch einen Stützmagneten aufmagnetisierten weichmagnetischen Zahnstruktur. Eine Modulation der Feldstärke und Auslenkung der Feldlinien ist klar ersichtlich. Der eingesetzte MR- Sensor kann als Winkel-, Gradienten- oder Magnetfelddifferenzsensor ausgeführt werden, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Weiterhin können alle gängigen MR-Sensoreffekte (AMR = Anisotroper, GMR = Giant magnetoresistiver, TMR = Tunnelmagnetoresistiver Effekt) angewandt werden, um noch weitere Anforderungen abzudecken. Neue Anforderungen (nicht nur) aus dem Motorsport Ein bekannter Formel-1-Motorenhersteller ist an Sensitec heran getreten, um einen hochauflösenden Drehzahlsensor für die Motorenentwicklung zu entwickeln. Dieser Hersteller kannte die MR-Technologie aus Serienanwendungen im Automobilbereich, zum Beispiel als Raddrehzahl- oder Lenkwinkelsensor. Der angefragte Drehzahlsensor sollte zunächst für die Analyse von Torsionsschwingungen an der Kurbelwelle und Nockenwelle benutzt werden und vorhandene Zahnräder mit unterschiedlichen Zahnteilungen abtasten. Die Anforderungen waren erwartungsgemäß sehr komplex und mit vorhandenen Zahnsensor-Lösungen nicht zu erfüllen. Aufgrund schwieriger Einbau- und Umgebungsbedingungen müsste der Sensor größere Luftspalten zulassen bzw. sehr robust sein gegenüber hohen Betriebstemperaturen und extrem kleine Abmessungen aufweisen. Last, but not least, gab es weitere Wünsche an zahlreichen elektrischen Schnittstellen und eine erweiterte Funktionalität des Sensors wie integrierte Temperaturerfassung und Betriebsstundenzähler. Diese anspruchsvolle Anforderungsliste führte zu der unten beschriebenen Neuentwicklung. Unterschiedliche Technologien im Vergleich Der Pilotkunde hat in Voruntersuchungen unterschiedliche Sensortechnologien in der Praxis verglichen, u. a. Variable Reluktanz (VR)-, Hall-Effekt, Wirbelstrom- und MR-Sensoren und versprach sich die besten Chancen beim magnetoresistiven Effekt, obwohl die Auswahl der bestgeeigneten 20 INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2016

MESSE I SPS IPC DRIVES 2016 Technologie weiterhin eine Herausforderung ist, da alle Technologien spezifische Vorteile aufweisen. VR-Sensoren erkennen Änderungen des magnetischen Flusses durch das Sensorelement, das aus einer Kupferspule, einem Metallkern und einem Permanentmagneten zusammengesetzt ist. In Kombination mit einem Zahnrad oder Polrad erzeugt der Sensor ein analoges elektrisches Signal mit einer Frequenz und Amplitude, die proportional zur Dreh- oder Lineargeschwindigkeit ist. VR-Sensoren sind besonders geeignet für die Verwendung in Hochtemperaturanwendungen, wo andere Sensortechnologien nicht eingesetzt werden können. Ihr Hauptnachteil ist, dass die Signalamplitude bei niedrigen Drehzahlen sehr gering sein kann. Weiterhin ist der zulässige Luftspalt sehr klein und die Sensorabmessungen verhältnis mäßig groß aufgrund des komplexen Aufbaus. Bei hohen Frequenzen wird durch die Induktivität der Sensorspule die induzierte Spannung so stark gedämpft, dass diese nicht mehr auswertbar ist, dass heißt die Bandbreite dieser Sensoren ist begrenzt, typischerweise auf maximal 10 kHz. Hall-Effekt-Sensoren sind in der Lage, die Amplitude eines Magnetfeldes zu erfassen. Diese sind typischerweise mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die das Ausgangssignal schaltet, wenn eine bestimmte Magnetfeldstärke erreicht ist. Hall-Effekt- Drehzahlsensoren erzeugen meist ein digitales Ausgangssignal mit einer Frequenz, welche proportional zur Drehzahl oder linearen Geschwindigkeit ist. Ihr Hauptvorteil ist der Betrieb bei sehr niedrigen Drehzahlen oder sogar bei Stillstand. In den meisten Fällen ist ihre Anwendung jedoch auf eine Umgebungstemperatur von 125 °C begrenzt und die Bandbreite ist limitiert. Das Messelement eines Wirbelstromsensors ist die Spule eines Schwingkreises. Die Sensorspule (Induktivität) und die Leitung (Kapazität) bilden einen Schwingkreis. Der aktive Schwingkreis erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, dessen Feldlinien aus der Sensorspule austreten. Dabei erzeugt das magnetische Wechselfeld im elektrisch leitfähigen Objekt Wirbelströme, die ihrer Ursache entgegenwirken. Wirbelstromsensoren benötigen in der Regel keine Elektronik an der Messstelle. Entsprechend können diese Sensoren auch bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden. Diese Sensoren können jedoch bei sehr niedrigen Drehzahlen nicht eingesetzt werden und der zulässige Luftspalt ist sehr gering. Weiterhin zeigten sich diese Sensoren 03 Funktionsprinzip: Das Bild zeigt die Simulation des Feldverlaufes einer durch einen Stützmagneten aufmagnetisierten weichmagnetischen Zahnstruktur als sehr empfindlich gegenüber Variationen im Luftspalt durch zum Beispiel Wellenschlag und auch gegen Werkstoffunterschiede bei den Zahnrädern. Die Voruntersuchungen deuteten jedoch an, dass MR-Sensoren die komplexen Anforderungen am besten abdecken konnten. 02 Der MR-Sensor wurde für die berührungslose und hochdynamische Drehzahlmessung an ferromagnetischen Zahnrädern entwickelt und kann flexibel für unterschiedliche Zahnteilungen und Messabstände eingesetzt werden; zulässig ist sowohl eine radiale (links) als auch axiale Anordnung (rechts) des Sensors iC-Haus.indd 1 13.10.2016 08:24:13 INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2016 21