Tradition und Innovation

Drehgeber - Raue Einsatzbedingungen stellen die Hersteller von Drehgebern hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Robustheit oft vor große Aufgaben. Erfolg hat nur, wer schnell und nachhaltig handelt.

08. Mai 2006

Auch wenn die eigentliche Geburtsstunde der Drehzahl-Sensoren in Heavy-Duty-Technik inzwischen mehr als 50 Jahre zurückliegt, die Erfahrungen von damals gelten noch heute. Die inkrementalen Drehgeber wie OG 9, später auch POG 9, von Hübner zeichneten sich von Anfang an durch den heute zum Industriestandard gewordenen EURO-Flansch B10 mit einem Wellendurchmesser von 11 mm und durch folgende mechanische und elektrische Attribute der Heavy-Duty-Technik aus.

Die Berliner Konstruktion mit zweiseitiger Lagerung beansprucht zwar etwas mehr Platz als die einseitige Lagerung üblicher Drehgeber, bietet aber den Vorteil, dass die Welle großen Kräften in radialer und axialer Richtung gewachsen ist und zusätzlich die Möglichkeit eröffnet, ein zweites Gerät zu integrieren. Statt des mechanischen Fliehkraftschalters, der bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenz-Drehzahl einen Schaltprozess auslöst, kann das zweite Wellenende auch einen elektronischen Drehzahlschalter tragen, der mit einer oder drei einstellbaren Schaltdrehzahlen Sicherheits- oder Steuerungsaufgaben in der Antriebstechnik übernimmt. Das zweite Wellenende kann aber auch ein elektrisch getrenntes zweites Gebersystem aufnehmen, mit dem sich unabhängige Regelkreise aufbauen lassen. Die Strichzahlen können unterschiedlich oder für die Sicherheitsüberwachung auch redundant sein. Darüber hinaus stehen die Gebersignale als Standard mit störsicherem HTL-Pegel oder als Option auch mit TTL-Pegel zur Verfügung.

Doppelt ist besser

Die zweiseitige Lagerung wird bei Hübner entsprechend der Heavy-Duty-Forderungen auch dann bevorzugt, wenn kein zweites Sensorsystem oder kein zweites Wellenende zum Anbau weiterer Geräte benötigt wird. Hübner hat aber auch Drehgeber mit einseitiger Lagerung im Programm, bei denen eine kurze Baulänge im Vordergrund steht, beispielsweise für Windkraftgeneratoren. Hier kommen bevorzugt Hybridlager mit Keramikkugeln zum Einsatz, die sich durch eine besonders lange Lebensdauer auszeichnen, allerdings zu einem deutlich höheren Preis im Vergleich zu »normalen« Kugellagern.

Es waren Papiermaschinen, die erneut für einen Innovationsschub sorgten, als die Heavy-Duty-Technik auf den neu entwickelten Hohlwellen-Drehgeber HOG 10 zum direkten Anbau an die Antriebsmaschinen übertragen wurde. Die robuste Konstruktion hat sich so bewährt, dass dieser Drehgeber auch in vielfältigen Applikationen im Freien angetroffen wird. Beim HOG 10 sind die beiden Kugellager isoliert im Gehäuse eingebaut, um Wellenströmen der Antriebsmaschine keinen Weg zum geerdeten Gebergehäuse zu bieten. Diese Ströme sind eine große Gefahr für die Kugellager, da Funkenerosion bleibende Schäden an den Kugeln und den Laufflächen der Lager verursachen kann. Eine Labyrinth-Dichtung hält als erste Instanz Staub von den abgedichteten Lagern ab und erhöht die Schutzart auf IP 66.

Weiteres Merkmal dieser Drehgeber sind die großen, um 180° drehbaren, EMV-gerechten Klemmenkästen, die links oder rechts vom Drehgeber einen Kabelabgang nach unten zulassen. Dadurch wird ein Eindringen von Wasser in den Klemmenkasten auch bei nicht fachgerechter Montage des Kabels vermieden. Kundenspezifische Lösungen mit innenliegenden Kabelanschlussklemmen, Metallstecker oder herausgeführtem Kabel sind ebenfalls möglich. Die Abtast-Elektronik mit der Inkrementalscheibe ist, wie bereits erwähnt, in der Regel zwischen den Lagern untergebracht. Wenn möglich, besteht sie aus Gründen der Schockresistenz, die beispielsweise bei einfallenden Stillstandsbremsen besonders gefordert ist, aus Metall. Die Inkrementalscheiben werden in einem additiven galvanischen Prozess mit hoher Präzision hergestellt. Bei Drehgebern, bei denen eine höhere Strichzahl pro Umdrehung und weniger die Schockresistenz im Vordergrund steht, kommen Glasscheiben zum Einsatz.

Genauer durch digitale Signale

Die Abtastung übernehmen schock- und rüttelfeste Opto-ASICs, bei höher auflösenden Drehgebern Verstärkerschaltungen mit großflächigen Fotoelementen, wie sie auch bei den Hübner-Präzisions-Sinusgebern eingesetzt werden. Die LEDs werden stromgeregelt betrieben, um die Helligkeit, die nach einer Halbwertszeit von ca. 100.000 Betriebsstunden auf die Hälfte zurückgeht, konstant zu halten. Die Rechteck-Signale müssen bei Heavy-Duty-Drehgebern meist über längere Strecken übertragen werden, die in hohem Maße elektromagnetisch gestört sein können, insbesondere dann, wenn die Signalkabel in Nachbarschaft zu Motorkabeln verlegt sind. Hübner setzt deshalb von Anbeginn HTL-Signalpegel bis 30 V als Standard ein, damit ein entsprechend hoher Signal-Störspannungsabstand zum sicheren Detektieren der Signale am Empfangsort gewährleistet ist.

Signalkabel weisen eine Kapazität in der Größenordnung von 100 pF/m auf, so dass beispielsweise bei einem 100 m langen Kabel die Push-Pull-Leitungstreiber jedes Kanals eine Kabelkapazität von 10 nF ständig mit der Ausgabefrequenz laden und entladen müssen. Bei einer Flankensteilheit der Rechtecksignale von typisch 10 V/µs ergibt sich ein Lade- und Entladestrom von 100 mA. Noch längere Kabel, bei denen ihr Wellenwiderstand von Z ≈120¸ ins Spiel kommt, belasten die Leitungstreiber bei Signalpegeln von 30 V mit Strömen bis 250 mA. Die Leitungstreiber der Hübner-Drehgeber ab Baureihe 9 (90 mm Gehäuse-Durchmesser) sind für Spitzenströme bis 300 mA ausgelegt. Der Platzbedarf der Leitungstreiber und deren Wärmeabfuhr erfordert ein gewisses Gehäuse-Volumen, das aber bei den Drehgebern ab Baureihe 9 gegeben ist. In der Praxis hat es sich bewährt, die Verlustleistung zu begrenzen, indem die Signalkabel nicht mit dem Wellenwiderstand, sondern mit 1 k¸ abgeschlossen werden. In besonders gestörter Umgebung stehen die HTL-Signale auch invertiert zur Verfügung.

Erwiesene Robustheit

Zur Qualitätssicherung werden die Bauteile umfangreichen Tests unterzogen. Zum Beispiel auf Resonanzfrequenzen: Während der Entwicklungsphase werden die bestückten Leiterplatten auf einem in Frequenz und Amplitude durchstimmbaren Messplatz (Sinus-Gleitprüfung 10 bis 2.000 Hz) auf Resonanzfrequenzen der Bauteile untersucht und optimiert (Versuchs-Aufbau siehe großes Bild). Außerdem werden die Drehgeber von Hübner noch auf die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Schwingungen, einer Schock-Beschleunigung von 2.000 m/s2 bei einer Schockdauer von 6 ms in allen drei Ebenen, dem Schutz gegen Eindringen fester Fremdkörper und der Strahlwasserprüfung nach IP X6 (»Schutz gegen starkes Strahlwasser oder schwere See«) überprüft. Zertifikate, die die mechanische und elektrische Robustheit der Hübnerschen Drehgeber bestätigen.

Dr. Lothar Wilhelmy, Hübner

Erschienen in Ausgabe: 03/2006