Die nehmen´s nicht krumm

Die zuverlässige Ankopplung eines Winkelgebers an das sich drehende Element ist – so würde man meinen – etabliert und unproblematisch. Dem ist nicht immer so. Deutlich wird dies etwa bei Anwendungen mit Achsversätzen zwischen dem sich drehenden Kundenelement und der Sensorachse. Im Gegensatz dazu tolerieren hochauflösende, präzise Drehgeber keine Torsion der Kupplung. Ist diese trotzdem vorhanden, wirkt sie sich negativ auf die Messresultate aus, da sie zu fehlerhaften Winkeldaten führt.

Dieser Tatsache zum Trotz sind in der Praxis zahlreiche „überbestimmte Auslegungen“ anzutreffen, bei denen eine starre Kopplung zwischen Sensorachse und sich drehendem Element auf der Kundenseite besteht. Das kann beispielsweise zu erhöhtem, durch Querkräfte verursachten mechanischen Verschleiß der Sensorlagerung führen oder zu Bruch der Sensorachse.

Abhilfe schaffen berührungslose Winkelsensoren, bei denen zwischen dem sich drehenden Magnet und dem eigentlichen Messsystem kein direkter Kontakt besteht. Der Permanent-Magnet wird in der Regel kundenseitig am sich drehenden Objekt (Welle) befestigt, wodurch Achse und Messsystem komplett voneinander getrennt sind. Folglich sind keine axial und radial wirkenden Kräfte vorhanden, die erhöhten Verschleiß verursachen und die Lebensdauer des Sensors negativ beeinträchtigen.

Die Arbeitsdistanz zwischen Magnet und Messsystem sowie die zulässige Montagetoleranz in Z lassen sich durch Wahl eines geeigneten Magneten optimieren. Je nach Größe des Magneten sind verschieden große Achsversätze in XY mit gleichbleibender Linearität möglich. Dabei handelt es sich um einen Kompromiss zwischen Magnetgröße und möglichen Achsversätzen. Achsversätze in XY und Z lassen jedoch die Reproduzierbarkeit unverändert.

Berührungslose Drehgeber basieren auf einem magnetischen Sensorprinzip. Sie sind also nicht nur verschleßfrei und robust gegenüber externen Einflüssen, sondern überzeugen auch mit Langlebigkeit, Genauigkeit und Auflösung. Sie sind sowohl als Standardkomponenten als auch kundenspezifisch erhältlich und weisen Toleranzen gegenüber Achsversätzen von einigen mm auf. Ihre Auflösung reicht bis 14 Bit, die Genauigkeit bis 10 Bit bei einer Linearität von 0,3 %.

Berührungslose Drehgeber sind auch für weitere Aufgaben prädestiniert, die mit konventionellen Geräten nicht oder nur schwer realisierbar sind. Dazu gehören transmissive Messungen, bei denen die Winkelmessung durch flüssige oder feste Stoffe hindurch erfolgen muss.

Einen weiteren Bereich bilden Anwendungen, bei denen ein minimales Drehmoment eine zentrale Rolle spielt, beispielsweise bei Vorrichtungen für die Messung der Windrichtung. Bisher waren hier teure Sensoren und Lagersysteme notwendig, um beispielsweise Drehmomente von 0,002 bis 0,003 Ncm zu erreichen. Heute lassen sich berührungslose Sensoren einsetzen, die dank mechanischer Trennung von Sensor und Permanentmagnet kein Drehmoment aufweisen (Lagerung der Drehachse sowie damit verbundene Reibungskräfte entfallen). Selbst redundante Systeme sind ohne prinzipielle Erhöhung des Drehmoments preiswert zu realisieren. Mit bisherigen Drehgebern mit Steinlagerung waren dabei bestenfalls Drehmomente von 0,004 bis 0,006 Ncm erreichbar.

Ein weiterer Mangel konventioneller Systeme mit geringem Drehmoment ist eine für viele Anwendungen zu geringe Dichtigkeit. Oft ist mit IP60 die maximale Klasse erreicht, da höhere Werte das durch den O-Ring erzeugte Drehmoment zu stark anheben würden. Demgegenüber lassen sich mit berührungslosen Drehgebern hochdichte Sensoren realisieren, da nur der Sensorteil, an dem sich keine beweglichen Teile befinden, abgedichtet werden muss.

Im Gegensatz zu konventionellen Niederdrehmoment-Winkelgebern sind berührungslose Varianten auch preislich attraktiv. Der einfachere Aufbau reduziert deutlich die Produktionskosten und folglich den Preis.

Bei Anwendungen, die ein geringes Drehmoment des Winkelsensors bedingen, hat das Erdmagnetfeld eine gewisse Bedeutung. Es versucht, den Permanentmagneten mit N-S-Magnetisierung parallel auszurichten und übt dadurch ein Drehmoment auf ihn aus. Dieses Moment bewegt sich bei kleinen Magneten mit einfacher Dipol-Magnetisierung in der Größenordnung von 0,0002 Ncm und ist folglich unkritisch.

Wesentlich stärkeren Einfluss haben statische oder dynamische Magnetfelder externer Quellen. So stören Motoren, stromdurchflossene Spulen oder nah positionierte Permanentmagnete die Sensoren, die magnetisch arbeiten. Demzufolge gilt es magnetische Störfelder abzuschirmen. Dazu wird ein magnetflussleitendes Material verwendet, das Magnet und Sensor umgibt. Um die Performance des Sensors nicht zu beeinträchtigen, muss dieses Material spezielle Eigenschaften aufweisen. Ein einfaches magnetisches Stahlblech reicht oft nicht aus.

Auch elektrische Störfelder können die Genauigkeit des Sensors beeinflussen. Sie lassen sich durch ein elektrisch leitendes Gehäuse abschirmen, wobei aber leitungsgebundene Störungen, die durch die Kabel in den Sensor eindringen, nicht eliminiert sind. Diese lassen sich primär durch elektrische Schaltelemente beheben. Entsprechende EMV-Tests stellen sicher, dass die Sensoren die geforderten Bedingungen erfüllen.

Einige Vorzüge berührungsloser Drehgeber sind auch optischen Encodern zu eigen. Allerdings werden sie oft durch gewichtige Nachteile wie Größe, Preis, möglicher Beschlag und Bruch der Codescheibe zunichte gemacht. Im Gegensatz dazu erreichen Winkelgeber neuster Generation Spezifikationen, die mit optischen Systemen nicht denkbar wären. Dazu zählen Miniatur-Sensoren mit gewichtsoptimierten Magneten und Magnetträgern mit Außendurchmessern von nur 13 mm, Auflösungen bis 14 Bit sowie Genauigkeiten bis 10 Bit. Ebenso sind Lösungen erhältlich, die sich für Heavy-Duty-Anwendungen eignen, da sie unempfindlich gegenüber starken Vibrationen und Schlägen sind. Auch hier stehen neben Standardprodukten maßgeschneiderte Lösungen mit individuellen Leistungsmerkmalen zur Verfügung. Sie unterscheiden sich durch Aspekte wie Gehäuseform, Magnetgeber, Distanz zwischen Permanentmagnet und Messsystem sowie erlaubte Toleranzen. Erhältlich sind Lösungen mit Gehäusedurchmessern von 13 bis 37 mm, Auflösungen bis 14 Bit, IP69K-Spezifikation und Temperaturbereichen von -40° bis +125 ºC.

Darüber hinaus leisten unterschiedliche Anschlusstechniken und Ausgangssignale einen wichtigen Beitrag zur anwendungsgerechten Individualisierung. Zur Auswahl stehen analoge Ausgänge mit unterschiedlichen Spannungs- und Stromwerten sowie digitale Schnittstellen wie PWM, SPI oder SSI. Im Bereich der Anschlusstechnik kann zwischen Litzen, Kabel und Steckerkonfektionen gewählt werden.

Zahlreiche magnetische Drehgeber ermöglichen die freie Programmierung des Drehwinkels von 0 bis 360º, wobei oft die volle Auflösung und Genauigkeit auch bei Winkeln kleiner 360º zur Verfügung stehen. Bei einigen Lösungen sind selbst die Drehrichtung sowie der Indexpunkt individuell setzbar.

Berührungslose Winkelsensoren KEM 510