Der Spannbandgeber HDmag flex von Baumer ermöglicht durch sein neues, zum Patent angemeldetes Konzept die direkte, präzise Winkel- und Drehzahlmessung an großen Wellen. Die flexible, magnetische Präzisions-Maßverkörperung lässt sich wie ein Gürtel mit dem Spannschloss am Wellenumfang fixieren.
Der Autor: Henning Förste, Produktmanager Motion Control bei Baumer
Zur genauen, energieeffizienten Regelung von Antrieben und Generatoren ist das präzise Messen von Position und Drehzahl erforderlich. Drehgeber stellen die erforderlichen Informationen zur Verfügung. Je größer der Wellendurchmesser eines Antriebs oder Generators, desto schwieriger gestaltet sich die Fertigung und Montage der Drehgeber. Das hat sich nun geändert: Ein neuer, lagerloser Spannband-Magnetgeber lässt sich für praktisch beliebig große Wellen fertigen und ermöglicht die genaue, hochaufgelöste Messung von Position und Drehzahl. Er basiert auf einer berührungslosen und verschleißfreien magnetischen Abtastung, kombiniert mit einer ausgeklügelten Signalverarbeitung.
Große Wellen erforderten Kompromisse
Die Montage eines Standard-Heavy-Duty-Drehgebers benötigt einen kleinen Adapterzapfen am freien Wellenende. Das kann erhebliche Rundlauffehler (Taumeln) nach sich ziehen, und der Geber misst unter Umständen nicht an der regelungstechnisch interessanteren Lastseite. Seine B-seitige Montage verhindert zudem eine für viele Anwendungen sinnvolle durchgängige Hohlwelle und vergrößert den erforderlichen Einbauraum.
Eine bessere Alternative sind da lagerlose magnetische Drehgeber, die aus einem auf der Welle montierten Polrad und einem fest angebrachten Abtastkopf bestehen. Ihre Montage ist auch auf der A-Seite möglich, da diese Geber sehr kurz bauen. Bei großen Wellendurchmessern – derzeit sind etwa 1000 mm möglich – kann sich dies trotzdem schwierig gestalten, denn das Geberrad, das über ein Wellenende geschoben und fixiert werden muss, ist recht groß und schwer.
Mittlerweile gibt es zwar geteilte Polräder auf dem Markt für den nachträglichen Anbau an Wellen ohne direkt zugängliches Ende. Allerdings sind diese mit zwei gravierenden Nachteilen verbunden: Es entstehen hohe Kosten und Einschränkungen bezüglich der verfügbaren Hohlwellendurchmesser, weil es sich hier immer noch um passend zum Durchmesser realisierte Sonderanfertigungen handelt. Darüber hinaus führen die beiden Stoßstellen an den Enden der Halbringe zu einem Verlust an Signalqualität.
Flexibler Gürtel mit genauer Maßverkörperung
Vor diesem Hintergrund drängen vor allem Anwender aus den Bereichen Wind- und Wasserkraftanlagen, Papiermaschinen, Baumaschinen oder Großantrieben auf bessere Lösungen. Der Sensorikspezialist Baumer hat nun entsprechend reagiert: Mit einem neuen, zum Patent angemeldeten und konsequent zu Ende gedachten Ansatz lösen die HDmag-flex-Spannbandgeber jetzt solche anspruchsvollen Messaufgaben an Wellen mit beliebigem – theoretisch unbegrenztem – Durchmesser.
Der Spannbandgeber basiert auf einer doppelt ausgeführten, magnetischen Abtastung eines Bandes, das an seinen Enden, ähnlich einem Gürtel, mit einem Spannschloss um die Welle gespannt wird. Durch das berührungslose Messprinzip arbeitet der Drehgeber praktisch verschleißfrei. Er ist äußerst unempfindlich gegen Staub, Schmutz, Flüssigkeiten und Betauung. Der Sensorkopf mit vollständig vergossener Elektronik kann in jeder Position an der Welle befestigt werden und toleriert große axiale Verschiebungen des Spannbandes von ±5 mm, wie sie beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnung an langen Wellen auftreten können. Der Luftspalt, also der radiale Abstand vom Spannband zum Sensorkopf, darf bis 3 mm groß sein, wodurch die bei Großwellen und deren Lagerungen typischen Toleranzen gut beherrschbar werden.
Der Anbau des Spannbandes an einer beliebigen axialen Position auf der Welle ist schnell und ohne großen Aufwand realisierbar. Die Wellenoberfläche bleibt frei von Bohrungen, Nuten und Einstichen. Stattdessen lässt sich das werksseitig dem Umfang der Welle entsprechend zugeschnittene Spannband einfach um die Welle legen und mit dem an seinen Enden angebrachten Spannschloss verbinden.
Schnelle Signalverarbeitung für präzise Messwerte
Dank seiner intelligenten Echtzeit-Signalverarbeitung liefert der Spannbandgeber jederzeit inkrementale und quasi-absolute Positionssignale mit konstant hoher Qualität. Pro Umdrehung sind bei jedem Wellendurchmesser bis zu 131 072 Impulse möglich. Die beiden Sensoren im Abtastkopf sind so ausgerichtet, dass stets wenigstens ein Magnetsensor das magnetisierte Band abtastet, was eine durchgehende Positions- und Drehzahlberechnung trotz der durch das Spannschloss bedingten Lücke ermöglicht. Die Welle kann sich im Betrieb axial bis zu 10 mm und radial bis zu 2 mm hin und her bewegen.
Die Genauigkeit des bis 20 Bit aufgelösten Positionssignals liegt an einer 1000-mm-Welle bei ±0,02°. Das ermöglicht beispielsweise an Windkraftanlagen den ferngesteuerten Rotor-Lock der Turbinenwelle. Der Spannbandgeber liefert eine gültige Position, sobald nach dem Einschalten des Geräts die Lücke des Spannbandes den Abtastkopf zweimal in gleicher Drehrichtung passiert hat.
Gleichzeitig liefert der Spannbandgeber präzise digitale Drehzahlsignale in Echtzeit bis 18 Bit mit frei wählbarer Filterung. Er erfasst Kriechbewegungen von nur 0,003 min-1. Dies entspricht einer einzigen Umdrehung in sechs Stunden. Die von der Anwendung geforderten Ausgangssignale werden werksseitig konfiguriert. Als elektrische Schnittstellen stehen SSI, HTL, TTL SinCos und Kombinationen davon zur Verfügung. I
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