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Dokumentenidentifikation DE102006021936A1 15.11.2007
Titel Lüft- und Verschleißüberwachung einer elektromagnetisch betätigbaren Komponente
Anmelder Chr. Mayr GmbH + Co KG, 87665 Mauerstetten, DE
Erfinder Unsin, Karl, 86860 Jengen, DE;
Marten, Andreas, 87650 Baisweil, DE
DE-Anmeldedatum 11.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021936
Offenlegungstag 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20060511, B, H, DE

Beschreibung[de]
Stand der Technik:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Luftspaltüberwachung in elektromagnetischen Systemen. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit der Überwachung des Luftspaltes zwischen Magnetspule und Anker in einer elektromagnetischen Komponente (z.B. elektromagnetisch gelüftete Bremse), um daraus Aussagen sowohl über den Betriebszustand (Lüftzustand) als auch über den Verschleißzustand der Reibbeläge abzuleiten.

Da bei Anwendungen mit elektromagnetischen Komponenten (z.B. elektromagnetisch gelüftete Bremse) die einwandfreie Funktion sowohl im Hinblick auf ein korrektes Lüften, als auch im Hinblick auf eine Überwachung des Verschleißes der Reibbeläge von enormer Wichtigkeit ist, sind aus dem Stand der Technik auch verschiedene Systeme zur Lüft- und Verschleißüberwachung von Bremsen und Kupplungen bekannt.

Es gibt drei Hauptgruppen von Systemen:

Induktive Sensoren:

Sie besitzen den Nachteil, dass sie eine Hysterese besitzen, temperaturempfindlich sind, und dass sie durch das starke Magnetfeld der Bremse gestört werden.

Mechanische Schalter:

Sie haben den enormen Nachteil, dass sie sehr genau justiert werden müssen und dadurch nur sehr schwer einzubauen sind.

Luftspaltüberwachung über Strom, bzw. Spannung in der Bremse: Diese Systeme weisen den Nachteil auf, dass sie nur auf dynamische Änderungen des Stromes, bzw. der Spannung reagieren können, und somit bei auftretenden Störungen keine definierte Aussage über die Position der Ankerscheibe angeben können.

Aus der EP 07 35 292 B1 und EP 14 35 130 B1 ist bekannt, dass das Zustandsignal in Abhängigkeit vom Zeitverlauf des Spulenstromes ausgegeben wird und dadurch eine Referenzgröße gebildet wird. In der EP 14 62 673 A1 wird ebenfalls durch eine Überwachung des Spulenstromes die Bewegung der Ankerscheibe bestimmt. Der Spulenstrom zum Einschaltpunkt wird mit einem vorbestimmten ersten Grenzwert verglichen, der für einen vorbestimmten Verschleißzustand repräsentativ ist. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird der tatsächliche Verschleißzustand als repräsentatives Signal ausgegeben.

In der DE 20 2004 001 445 U1 wird ebenfalls der Verlauf des Spulenstromes und/oder der Spulenspannung erfasst und das Bremsbetriebszustandssignal signalisiert, wenn eine Unstetigkeitsstelle im Verlauf vorhanden ist.

Aufgabenstellung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der induktiven Sensoren, mechanischen Schaltern und der Strom-, bzw. Spannungsmessung zu umgehen und eine einfache kostengünstige und zuverlässige Zustandsanzeige des Luftspaltes zwischen Magnetspule und Anker einer elektromagnetischem Komponente anzuzeigen. Hierbei soll mit Hilfe des magnetischen Streufeldes eine Zustandsüberwachung erfolgen.

Lösung

Das Ziel der Zustandsüberwachung ist die Erfassung des Schaltzustandes (gelüftet, nicht gelüftet) einer elektromagnetischen Komponente (z.B. Bremse) aufgrund des in ihr befindlichen magnetischen Streufeldes, welches mit Hilfe eines Magnetfeldsensors gemessen und in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Die Auswertung des Zustands der elektromagnetischen Komponente erfolgt durch die Stärke des Streufeldes, zum einen in Abhängigkeit zum fließenden Strom (entweder durch Messen des Stromes, oder durch festgelegte Spannungs- bzw. Stromgrenzen) und zum anderen durch den dynamischen Verlauf des Streufeldes. Die Stärke des Streufeldes wird mit einem Magnetfeldsensor im Inneren bzw. an der Bremse aufgenommen, und dieser Messwert wird der Auswerteeinheit zugeführt.

Über die Höhe des Streufeldes beim Lüftvorgang der elektromagnetischen Komponente kann auf den Zugweg (Luftspalt zwischen Magnetspule und Anker) der elektromagnetischen Komponente geschlossen werden, und somit zusätzlich eine Verschleißkontrolle durchgeführt werden. Ebenso kann eine Verschleißkontrolle durch Messen des Luftspalts im unbestromten Zustand durchgeführt werden.

Ausführungsbeispiel:

In den Zeichnungen sind verschiedene Lösungsansätze dargestellt:

1 zeigt die statische Auswertung bei bestromter elektromagnetischer Komponente.

Die Höhe des Streufeldes ist zum einen abhängig vom Strom, der durch die elektromagnetische Komponente fließt, und zum anderen vom Abstand des Ankers zu den Polflächen der Magnetspule. Ist die Stromstärke bekannt (durch Messen, oder durch Spannungs- bzw. Stromgrenzen fest vorgegeben), kann über die Höhe des Streufeldes eine Aussage getroffen werden, in welchem Abstand zu den Polflächen der Magnetspule sich der Anker befindet, und aufgrund dessen angezogen (gelüftet) ist oder nicht. Dies veranschaulicht das Diagramm in 1.

Die unterste Kurve zeigt die Feldstärke bei Luftspalt 0, die mittlere Kurve bei einem Luftspalt von 0,1 mm und die oberste Kurve bei einem Luftspalt von 0,35 mm.

2-3-4 zeigen den Versuch bei unbestromter elektromagnetischer Komponente.

Bei unbestromter elektromagnetischen Komponente kann kein Streufeld gemessen werden, aus diesem Grund muss während der unbestromten Zeit der elektromagnetischen Komponente eine Wechselspannung zugeführt werden, welche keinen Einfluss auf die Lage des Ankers hat, jedoch ein Streufeld erzeugt, das groß genug ist um den Abstand des Ankers zu den Polflächen der Magnetspule aufzunehmen.

Dies kann zum Beispiel durch Aufschalten der Netzwechselspannung während der unbestromten Zeitphase erfolgen.

Durch diese Messung kann ebenfalls der Luftspalt im Ruhezustand (Verschleiß des Reibbelages) gemessen werden.

In 2 wird das Streufeld (Hallspannung des Magnetfeldsensors) bei einem Luftspalt von 0 mm zwischen den Polflächen der Magnetspule des Ankers gezeigt.

In 3 bei einem Luftspalt von 0,1 mm und in 4 bei einem Luftspalt von 0,35 mm.

Hier sieht man eindeutig, dass bei unterschiedlichen Luftspalten unterschiedliche Streufelder vorhanden sind.

5 zeigt die dynamische Auswertung beim Lüften (Anziehen des Ankers an die Polflächen der Magnetspule) der elektromagnetischen Komponente. Aufgrund der Tatsache, das sich je nach Entfernung des Ankers von den Polflächen der Magnetspule unterschiedlich hohe Feldstärken des Streufeldes ergeben, kann man dynamisch die Bewegung des Ankers beim Lüften (Anziehen des Ankers an die Polflächen der Magnetspule) aufnehmen, da sich die Feldstärke von der Kurvenform mit Luftspalt 0 oder 0,1 sprunghaft in die Kurvenform mit Luftspalt 0,35 ändert. Dies ist in 5 eindeutig im Bereich 0 bis 50 der waagrechten Zeitachse zu sehen.

Die Höhe der Spitze dieses „Zacken" ist wiederum ein Maß für die Entfernung des Ankers von den Polflächen der Magnetspule zum Zeitpunkt des Lüftvorgangs der elektromagnetischen Komponente.

Aus diesem Wert kann somit die Dicke der Reibbeläge der elektromagnetischen Komponente aufgenommen werden und dadurch eine Verschleißüberwachung erfolgen.

6 zeigt die wechselstromseitige Abschaltung der Magnetspule und Abfall des Ankers.

Bei der wechselstromseitigen Abschaltung erfährt die Feldstärke des Streufeldes einen sprunghaften Anstieg, da auch hier wiederum die Kurvenform und somit der Feldlinienverlauf von der Kurvenform mit Luftspalt 0,35 auf den von Luftspalt 0 oder 0,1 wechselt, wie im Diagramm von 6 zwischen 250 und 350 der Zeitachse zu erkennen ist.

7 zeigt die gleichstromseitige Abschaltung und Einfallen des Ankers. Bei der gleichstromseitigen Abschaltung erfährt die Feldstärke des Streufeldes ebenfalls einen sprunghaften Anstieg, der jedoch um einiges kleiner ist (8), als bei der wechselstromseitigen Abschaltung, da der Unterschied der Kurvenformen bei der gleichstromseitigen Abschaltung geringer ist, wie auf 7 zu erkennen ist.

Die Feldstärkeänderung beim Einfallen der Ankerscheibe bei gleichstromseitiger Abschaltung ist in 8 zwischen 200 und 250 auf der Zeitachse zu erkennen.

9-10-11 zeigt die Schaltungsbeschreibung.

Die Feldstärke des Streufeldes wird durch einen im Inneren bzw. an der elektromagnetischen Komponente montierten Magnetfeldsensor aufgenommen und über eine Datenleitung der Auswerteeinheit zugeführt. In der Auswerteeinheit kann entweder der Strom, der durch die elektromagnetische Komponente fließt, gemessen oder durch Spannungs- bzw. Stromgrenzen festgelegt werden. Aus Abhängigkeit des Stromes zur Hallspannung wird der Schaltzustand der elektromagnetischen Komponente ermittelt, und an dem Ausgang der elektromagnetischen Komponente (z.B. Bremse) wird ein Signal von +24 V, wenn der Anker angezogen (gelüftet) ist und 0 V, wenn der Anker nicht angezogen (nicht gelüftet) ist, ausgegeben. Konnte die dynamische Überwachung keine Bewegung des Ankers erfassen, wird an dem Ausgang Störung ein Signal (z.B. 0 V wenn keine Bewegung und +24 V wenn eine Bewegung aufgenommen wurde) ausgegeben. Als Grundlage für diese Entscheidung ist die Änderung der Hallspannung beim Ein- bzw. Ausschalten ausschlaggebend.

Liegt an der elektromagnetischen Komponente für eine bestimmte Zeit kein Streufeld an, kann optional eine Wechselspannung (z.B. Netzspannung) an die elektromagnetischen Komponente angelegt werden. Aufgrund der gemessen Hallspannung kann jetzt wiederum bestimmt werden in welcher Position sich der Anker befindet, und somit das Signal gelüftet (Anker angezogen) oder nicht gelüftet (Anker abgefallen) an den Ausgang ausgegeben werden. Sowohl aus der Hallspannung bei angelegter Wechselspannung wie auch aus der Hallspannung kurz vor dem Lüften kann die Position des Ankers aufgenommen werden und somit der gesamte Luftspalt (Verschleiß des Reibbelages) festgestellt werden.


Anspruch[de]
Schaltung zum Erkennen des Schaltzustandes einer elektromagnetischen Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldsensor zur Erkennung der Größe des auftretenden Streufeldes an/in der elektromagnetischen Komponente angebracht ist und eine nachfolgende Auswerteeinheit mit einem Ausgang für die Ausgabe eines Signals für den aufgenommenen Schaltzustand und einem Ausgang (Störung) für die Ausgabe einer nicht aufgenommenen Bewegung des Ankers bei erfolgter stromseitiger Ein- bzw. Ausschaltung der Magnetspule und optional einem Ausgang zur Anzeige des Luftspalts (Verschleiß der Reibbeläge) angeschlossen ist. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüften des Ankers durch eine Kurvendiskussion (Nulldurchgang, Wendepunkte und Ableitungen der Messkurve) in der Einschaltphase (Anstieg des Streufeldes) aufgenommen wird. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfallen des Ankers durch eine Kurvendiskussion (Nulldurchgang, Wendepunkte und Ableitungen der Messkurve) in der Ausschaltphase (Abfall des Streufeldes) aufgenommen wird. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzustand der elektromagnetischen Komponente bei Bestromung aufgrund der Höhe des Streufeldes, welches durch den Spulengleichstrom erzeugt wird, in Abhängigkeit zum zugelassenen Strombereich (Toleranz der Eingangsspannung, Temperaturänderung der Komponente) festgestellt wird. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der nicht bestromten Zeit der elektromagnetischen Komponente eine Wechselspannung zugeführt wird und aufgrund der Höhe des Streufeldes, welches durch den zugeführten Wechselstrom in Abhängigkeit zum Wechselstrom durch die elektromagnetischen Komponente gesetzt wird. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzustand der elektromagnetischen Komponente bei Bestromung aufgrund der Höhe des Streufeldes das durch den Spulengleichstrom erzeugt wird in Abhängigkeit zum gemessenen Spulenstrom-/spannung gesetzt wird. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal für den Luftspalt (Verschleiß der Reibbeläge) aus der Höhe des Streufeldes unmittelbar vor dem Lüften erzeugt wird. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal für den Luftspalt (Verschleiß der Reibbeläge) aus der Höhe des Streufeldes, hervorgerufen durch die angelegte Wechselspannung während der nicht bestromten Zeit, erzeugt wird.






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