Präzision für dicke Wellen

Sensor- und Messtechnik

Drehgeber – Die Montage eines Drehgebers an Wellen mit großem Durchmesser erforderte bisher immer Kompromisse. Ein lagerloser Magnetband-Drehgeber liefert jetzt die Positions- und Drehzahlwerte unabhängig von Wellendurchmesser und Maßtoleranzen.

28. April 2014

Eine zentrale Aufgabe in vielen Anwendungen der Antriebstechnik ist die präzise Messung der aktuellen Position und der Drehzahl einer Welle, etwa zur Regelung von Antrieben und Generatoren. Die dazu erforderlichen Informationen stellen in der Regel Drehgeber zur Verfügung, die entweder an einem freien Wellenende oder als Variante mit Hohlwelle direkt auf der Welle montiert werden.

Probleme bereiten solche Konstruktionen allerdings mit zunehmendem Wellendurchmesser, etwa an großen Motor- oder Generatorwellen in Walzwerken, Papiermaschinen, Wind- und Wasserkraftanlagen oder auch im Schiffbau: In diesem Falle erfordert die Montage eines Standard-Heavy-Duty-Drehgebers zum Beispiel einen kleinen Adapterzapfen am freien Wellenende, was erhebliche Rundlauffehler nach sich ziehen kann.

Zudem erfasst der Geber die Messwerte hier unter Umständen nicht an der regelungstechnisch interessanteren Lastseite. Außerdem macht eine Bseitige Montage eine für viele Anwendungen sinnvolle durchgängige Hohlwelle unmöglich und vergrößert gleichzeitig den insgesamt erforderlichen Einbauraum. Nicht zuletzt ist meist auch noch ein mechanischer Trittschutz für den Geber vonnöten.

Standardlösung macht Probleme

Eine bessere Alternative sind da lagerlose magnetische Drehgeber, die aus einem auf der Welle montierten Polrad und einem fest angebrachten Abtastkopf bestehen. Die kurze Bauweise dieser Geber erlaubt zwar ihre Montage auf der A-Seite, allerdings kann sich dies bei Wellendurchmessern über etwa 1.000 Millimeter dennoch schwierig gestalten, weil dann das Geberrad, das über ein Wellenende geschoben und fixiert werden muss, entsprechend groß und schwer wird.

Auch geteilte Polräder für den nachträglichen Anbau an Wellen ohne frei zugängliches Ende lösen das Problem nicht optimal: Solche passend zum Durchmesser realisierte Sonderanfertigungen verursachen einerseits hohe Kosten, zudem verschlechtern die beiden Stoßstellen an den Enden der Halbringe die Signalqualität.

Vor allem Anwender von Wind- und Wasserkraftanlagen, Papiermaschinen, Baumaschinen oder Großantrieben suchen deshalb zunehmend nach robusten Lösungen mit einfach montier- und wechselbaren lagerlosen Drehgebersystemen, mit denen sich Drehzahl und Position mit hoher Auflösung an Wellen mit großem Durchmesser messen lassen.

Einfache und schnelle Montage

Der Schweizer Sensorikspezialist Baumer hat deshalb jetzt das innovative Messsystem HDmag flex vorgestellt, mit dem sich diese Anforderungen einfach umsetzen lassen. Die zum Patent angemeldete lagerlose Lösung basiert auf einem Spannband-Magnetgeber, der sich für praktisch beliebig große Wellen fertigen lässt, in Verbindung mit einer berührungslosen und verschleißfreien magnetischen Abtastung sowie einer ausgeklügelten Echtzeit-Signalverarbeitung.

Grundlage des Spannbandgebers ist eine flexible magnetische Präzisions-Maßverkörperung, die passend zum Wellendurchmesser hergestellt wird. Zur Montage des Spannbandes an einer beliebigen axialen Position auf der Welle genügt es, das Spannband um die Welle zu legen und mit dem an seinen Enden angebrachten Spannschloss zu verbinden. Die Wellenoberfläche bleibt dabei frei von Bohrungen, Nuten und Einstichen, die Welle selbst bleibt vollständig montiert, sodass Kosten für Demontage und Anpassungen entfallen.

Die anschließende Montage des Sensorkopfs mit vollständig vergossener Elektronik erfordert lediglich zwei Befestigungsschrauben. Dabei toleriert der Sensorkopf axiale Verschiebungen des Spannbandes von ±5 Millimeter, wie sie beispielsweise aufgrund von thermischer Ausdehnung auftreten können, sowie Schwankungen des radialen Abstands vom Spannband zum Sensorkopf von bis zu drei Millimeter. Die gesamte Montage lässt sich von einer einzelnen Person mühelos umsetzen.

Verschleißfrei und präzise

Das berührungslose magnetische Messprinzip gewährleistet einen praktisch verschleißfreien Betrieb des Sensors und ist äußerst unempfindlich gegen Staub, Schmutz, Flüssigkeiten und Betauung. Eine intelligente Echtzeit-Signalverarbeitung liefert gültige inkrementale und quasi-absolute Positionssignale, sobald nach dem Einschalten des Geräts die Lücke des Spannbandes den Abtastkopf zweimal in gleicher Drehrichtung passiert hat.

Die zweifache Abtastung im Sensorkopf ermöglicht dabei eine durchgehende Positions- und Drehzahlberechnung mit konstant hoher Qualität, trotz der durch das Spannschloss bedingten Lücke, weil stets mindestens einer der beiden Magnetsensoren das magnetisierte Band abtastet. Pro Umdrehung sind bei jedem Wellendurchmesser bis zu 131.072 Impulse möglich.

Bei einer 1.000-Millimeter-Welle liegt die Genauigkeit des bis 20 Bit aufgelösten Positionssignals damit bei ±0,02 Grad. Gleichzeitig liefert der Geber präzise digitale Drehzahlsignale in Echtzeit bis 18 Bit mit frei wählbarer Filterung.

Die präzise Signalverarbeitung registriert dabei auch Kriechbewegungen von nur 0,003 U/min, entsprechend einer einzigen Umdrehung in sechs Stunden. Die von der Anwendung geforderten Ausgangssignale werden werkseitig konfiguriert. Als elektrische Schnittstellen stehen SSI, HTL, TTL SinCos und Kombinationen davon zur Verfügung.

Auf einen Blick

- Die Baumer Group mit Zentrale in Frauenfeld im Schweizer Kanton Thurgau ist ein internationaler Hersteller von Sensoren, Drehgebern, Messinstrumenten und Komponenten für die industrielle Bildverarbeitung in der Fabrik- und Prozessautomation.

- Das Familienunternehmen mit rund 2.300 Mitarbeitern besitzt Produktionswerke, Vertriebsniederlassungen und Vertretungen in 19 Ländern.

Erschienen in Ausgabe: 03/2014