Winkelsensoren für neue Anwendungen

Contelec: Ob Achsenversätze, zu hohe Drehmomente oder die Notwendigkeit transmissiver Messungen – konventionelle Winkelsensoren sind trotz ihrer hohen Reife nicht für sämtliche Anwendungen geeignet. Berührungslose Drehgeber mit abgesetzten Magnetgebern sind in vielen Bereichen eine optimale Alternative mit zahlreichen Vorzügen.

Die zuverlässige Ankopplung eines Winkelgebers an das sich drehende Element ist – so würde man meinen – eine etablierte und unproblematische Angelegenheit. Dem ist nicht immer so. Deutlich wird dies etwa bei Anwendungen, die Achsenversätze zwischen dem sich drehenden Element und der Sensorachse aufweisen, bedingt durch konstruktive Auslegungen und Fertigungstoleranzen. Hochauflösende und präzise Drehgeber tolerieren keine Torsionen der Kupplung. Sind diese trotzdem vorhanden, wirken sie sich negativ auf die Messresultate aus, da eine Verdrehung der Achse zu fehlerhaften Winkeldaten führt. Dieser Tatsache zum Trotz sind in der Praxis noch zahlreiche so genannte «überbestimmte Auslegungen » anzutreffen, bei denen eine starre Kopplung zwischen der Sensorachse und dem sich drehenden Element besteht. Systeme dieser Art können zu mehreren Problemen führen. Dazu gehört der erhöhte, durch Querkräfte verursachte, mechanische Verzschleiss der Sensorlagerung sowie der mögliche Bruch der Sensorachse.

Neue Freiheitsgrade

Abhilfe schaffen berührungslose Winkelsensoren, bei denen zwischen dem sich drehenden Magneten und dem eigentlichen Messsystem kein direkter Kontakt besteht. Bei berührungslosen Drehgebern wird der Permanentmagnet in der Regel kundenseitig am sich drehenden Objekt (Welle) befestigt, wodurch Achse und Messsystem komplett voneinander getrennt sind. Somit sind keine axial und radial wirkenden Kräfte vorhanden, die einen erhöhten Verschleiss verursachen und die Lebensdauer des Sensors negativ beeinträchtigen könnten. Die Arbeitsdistanz zwischen Magnet und Messsystem sowie die zulässige Montagetoleranz in Z-Richtung können durch die Wahl des Magneten optimiert werden. Je nach Grösse des Magneten sind verschieden grosse Achsenversätze in XY-Richtung mit gleichbleibender Linearität möglich. Achsenversätze in XY- und Z-Richtung lassen die Reproduzierbarkeit unverändert. Berührungslose Drehgeber basieren auf einem magnetischen, kontaktlosen Sensorprinzip. Sie sind verschleissfrei und robust gegenüber externen Einflüssen. Sie sind sowohl als Standardkomponenten als auch in kundenspezifischen Auslegungen erhältlich und weisen je nach Ausführung Toleranzen gegenüber Achsversätze von einigen Millimetern auf. Sie erreichen eine maximale Auflösung von 14 Bit und eine Genauigkeit von 10 Bit bei einer Linearität von 0,3 %.

Transmissiv und frei von Drehmoment

Berührungslose Drehgeber eignen sich nicht nur für Anwendungen mit Achsenversätzen, sondern auch für Aufgaben, die mit konventionellen Drehgebern nicht oder nur schwer realisierbar sind. Dazu gehören beispielsweise transmissive Messungen, bei denen die Winkelmessung durch flüssige oder feste Stoffe hindurch erfolgen muss. Einen weiteren Bereich bilden Applikationen, bei denen ein minimales Drehmoment eine zentrale Rolle spielt wie zum Beispiel bei der Messung der Windrichtung. Berührungslose Sensoren weisen dank der mechanischen Trennung von Sensor und Permanentmagnet kein Drehmoment auf. Redundante Systeme lassen sich ohne prinzipielle Erhöhung des Drehmoments preiswert realisieren.

Ein weiterer Mangel, der konventionellen Systeme mit geringem Drehmoment anhaftet, ist eine für viele Anwendungen zu geringe Dichtigkeit. Oft ist mit IP 60 die maximale Dichtigkeitsklasse erreicht, da höhere Werte das durch den O-Ring erzeugte Drehmoment zu stark anheben würden. Demgegenüber lassen sich mit berührungslosen Drehgebern hochdichte Sensoren realisieren. Dies auf Grund der Tatsache, dass lediglich der Sensorteil, an dem sich keine beweglichen Teile befinden, abgedichtet werden muss. Im Gegensatz zu konventionellen Niederdrehmoment-Winkelgebern, die einen aufwändigen Fertigungsprozess sowie teure Materialien bedingen, sind berührungslose Drehgeber preislich attraktiv. So führt der einfachere Aufbau zu einer deutlichen Reduktion der Produktionskosten und folglich zu merklich tieferen Preisen.

Störfeldern begegnen

Anwendungen, die ein geringes Drehmoment des Winkelsensors erfordern, könnten durch das Erdmagnetfeld gestört werden. Wie bei einem Kompass übt es ein Drehmoment auf den Permanentmagneten aus. Bei kleinen Magneten mit einfacher Dipol-Magnetisierung liegt dieses in der Grössenordnung von 0,0002 Ncm und ist in aller Regel unkritisch.

Einen wesentlich stärkeren Einfluss können statische oder dynamische Magnetfelder von externen Quellen ausüben. So stören beispielsweise Motoren, stromdurchflossene Spulen oder nah positionierte Permanentmagnete Sensoren, die nach dem magnetischen Messprinzip arbeiten. Magnetische Störfelder können mit einem magnetflussleitenden Material abgeschirmt werden. Um die Leistung des Sensors nicht zu beeinträchtigen, muss dieses Material spezielle Eigenschaften aufweisen. Ein einfaches magnetisches Stahlblech reicht dazu oft nicht aus.

Auch elektrische Störfelder können die Genauigkeit des Sensors beeinflussen. Sie lassen sich durch ein elektrisch leitendes Gehäuse abschirmen. Störungen, die durch ein Kabel in den Sensor eindringen könnten, müssen mit elektrischen Schaltkreisen eliminiert werden.

Bisherige Grenzen überwinden

Optische Encoder verfügen über ähnliche Vorzüge wie berührungslose Drehgeber. Allerdings werden diese oft durch Nachteile wie Grösse, Preis, möglicher Beschlag und Bruch der Codescheibe zunichte gemacht. Winkelgeber der neusten Generation erreichen Spezifikationen, die mit optischen Systemen nicht denkbar wären. Dazu zählen beispielsweise Miniatur-Sensoren mit gewichtsoptimierten Magneten und Magnetträgern mit Aussendurchmessern von 13 mm, Auflösungen von bis zu 14 Bit sowie Genauigkeiten bis zu 10 Bit. Ebenso sind Heavy-Duty-Ausführungen verfügbar, die unempfindlich gegenüber starken Vibrationen und Schlägen sind. Nebst Standardprodukten stellt Contelec auch massgeschneiderte Kundenlösungen mit individuellen Leistungsmerkmalen und Auslegungen her. Die Sensoren sind mit Gehäusedurchmessern von 13 bis 37 mm, Auflösungen bis zu 14 Bit, IP 69K und Temperaturbereichen von –40 bis +125 ºC erhältlich.

Als Ausgangssignale stehen analoge Ausgänge mit unterschiedlichen Spannungs- und Stromwerten sowie digitale Schnittstellen wie PWM, SPI oder SSI zur Verfügung. Für den Anschluss kann zwischen Litzen, Kabel und Steckerkonfektionen gewählt werden. Ergänzend dazu ermöglichen zahlreiche magnetische Drehgeber die freie Programmierung des Drehwinkels von 0 bis 360º, wobei oft die volle Auflösung und Genauigkeit auch bei Winkeln kleiner als 360º zur Verfügung stehen. Bei einigen Lösungen sind die Drehrichtung sowie der Indexpunkt individuell setzbar.