Eine Publikation der Binkert Medien AG
Ideal für grosse Wellendurchmesser : Ausgabe 02/2012, 16.09.2012

Lagerlos und wartungsfrei

Lagerlose Drehgeber weisen viele Vorzüge auf, zum Beispiel einen wartungsfreien Betrieb oder eine geringe Einbautiefe. Ihre Trümpfe spielen sie aber erst richtig aus, wenn grosse Wellen ins Spiel kommen. Hier sind sie konventionellen Lösungen oftmals überlegen.

Autor: Wolfgang Jarausch, Senior Marketing Manager bei Baumer, Produktsegment Motion Control

Konventionelle Drehgeber können Drehzahl und Position von grossen Wellen nur eingeschränkt erfassen. Wo durchgängige Hohlwellen notwendig sind, um Kühlwasser, Prozessmedien oder Kabel hindurchzuführen, sind die Drehgeber oft seitlich angebaut und über einen Zahnriemen angetrieben. Eine derartige Konstruktion ist wartungsintensiv, wenig robust und regelungstechnisch problematisch. Dieses Dilemma lösen lagerlose Drehgeber, da sie einfach und direkt auf grosse Wellen montierbar sind.

Baumer beispielsweise setzt bei ihren inkrementalen und absoluten lagerlosen Drehgebern auf das magnetische Abtastprinzip, das sich als praxistauglich und robust erwiesen hat. Dies gilt insbesondere für Anwendungen in rauen Umgebungen, wo Staub-, Faser- und Schmutzeinwirkung die Kugellagerdichtungen schnell verschleissen oder die Dichtungen sogar versagen können. Partikel und Feuchtigkeit gelangen so in den Drehgeber und beeinträchtigen seine Funktion.

Direkte Montage auf Wellen bis 740 mm Durchmesser

Das Funktionsprinzip eines lagerlosen magnetischen Drehgebers ist denkbar einfach. Der Drehgeber besteht aus einem Polrad, das als Rotor auf der drehenden Achse angebracht ist, und einem Sensorkopf als Stator. Auf der Aussenseite des Geberrads befindet sich die magnetische Massverkörperung, die oft noch zusätzlich mit einer speziellen, schützenden Bandage überzogen ist. Ein Sensorkopf tastet das Polrad berührungslos ab. Reibungsbedingter Verschleiss ist somit prinzipbedingt ausgeschlossen.

Ein besonders wichtiger Einsatzbereich für lagerlose Drehgeber sind grosse Wellendurchmesser. Inkrementale und absolute Drehgeber der Produktreihe HDmag erlauben die direkte Montage auf Wellen von bis zu 740 mm Durchmesser. Die Welle muss nicht mehr auf bestimmte Durchmesser abgedreht oder mit einem speziellen Wellenadapter angepasst werden, der mit viel Aufwand bezüglich Rundlauf und Taumeln auszurichten ist. Auch Riemenlösungen oder Reibräder gehören der Vergangenheit an.

Die absoluten Drehgeber liefern eine Single­turn-Auflösung von bis zu 17 Bit. Zusätzlich generiert die integrierte Signalverarbeitung bis zu 524 288 inkrementale Rechteck- oder 32 768 Sinussignale pro Umdrehung. Die rein inkrementalen Systeme geben ebenfalls bis zu 524 288 Rechteck- oder 32 768 Sinussignale je Umdrehung aus. Basis für diese hohen Strichzahlen ist die sehr gute Qualität der originären Sinussignale, welche die höheren Impulszahlen durch ein spezielles, sehr genaues und rauscharmes Interpolationsverfahren erzeugt.

Wenn es auf erweiterte Messfunktionalität ankommt, versetzt der Anwender zwei Sen­sorköpfe um 180°. Diese stellen eine Redundanz in der Signalverarbeitung sicher und erlauben die Kompensation von durch Rundlaufabweichungen verursachten Positions- oder Drehzahlmessfehlern, zum Beispiel mittels nachgeschalteter Signalverarbeitung.

Staub-, Faser- und Schmutzeinwirkung ohne Einfluss auf Messergebnis

Die berührungslose Abtastung, das robuste magnetische Messprinzip sowie eine äus­serst hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit machen lagerlose Drehgeber ideal für raue Umgebungsbedingungen. So beeinträchtigen weder Staub noch Schmutz oder Feuchtigkeit die Mess­ergebnisse. Radiale Abstände bis zu 3 mm oder axiale Verschiebungen in der gleichen Grössenordnung, wie sie beispielsweise durch thermische Effekte entstehen, bleiben ohne Auswirkungen auf das Messergebnis. Mit diesen Eigenschaften schliessen die lagerlosen Drehgeber eine Anwendungslücke, die mit gelagerten Ausführungen bisher nicht oder nur unter Einschränkungen bedient werden konnte.

Lagerlose Drehgeber einsetzen, wenn konventionelle an Grenzen stossen

Die Positions- und Drehzahlüberwachung des Rotors in einer Windkraftanlage ist mit lagerlosen Drehgebern ohne Weiteres direkt auf der Rotor- bzw. Turbinenwelle möglich. Als Positionswert steht der hochaufgelöste Singleturn zur Verfügung. Zusätzlich sind bis zu 524 288 inkrementale Impulse zur rauscharmen Erfassung der vergleichsweise langsamen Rotordrehzahl machbar. Die Ausgabe der Drehzahl ist jedoch auch als applikationsspezifisch gefilterter Digitalwert möglich, zum Beispiel via SSI. Ein entscheidender Vorteil lagerloser Drehgeber in Windkraftanlagen ist dabei das Minimieren von unvorhergesehenen und kostenintensiven Wartungsarbeiten für die Drehgeber. Sie sind unempfindlich gegen axiale und radiale Wellenbewegungen, weisen eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer auf und einige Varianten sind zudem noch als DNV-zertifizierte Variante für den rauen Offshore-Einsatz erhältlich.

Aber nicht nur in Windkraftanlagen finden sich geeignete Anwendungsfelder für lagerlose Drehgeber. Auch grosse Torque-Motoren mit Drehmomenten von mehr als 10 000 Nm, zum Beispiel in Müllschreddern, profitieren von der berührungslosen Positionserfassung. Für die Kommutierung benötigt der hochpolige, permanenterregte Synchronantrieb zu jedem Zeitpunkt die genaue absolute Positionsinformation. Das Polrad wird auf der bis zu 300 mm im Durchmesser starken Motorhohlwelle montiert, während der separate Abtastkopf fest mit dem Motorgehäuse verschraubt ist. Die integrierte Signalverarbeitung ermittelt die Absolut-Information und generiert gleichzeitig auch inkrementale Sin/Cos-Signale zur dynamischen Regelung der Anlage. Ähnlich hohe Anforderungen stellt der Einsatz im Walzwerk an die eingesetzten Komponenten. Auch hier spielen die lagerlosen Drehgeber ihre Vorteile aus, zum Beispiel an in Serie geschalteten Walzwerksmotoren, wo aus Gründen der Lastaufteilung jeder Motor über einen eigenen Drehgeber und eine eigene Regelung verfügt.

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Positions- und Drehzahlüberwachung auf der Rotor- bzw. Turbinenwelle in einer Windkraftanlage


Die HDmag-Drehgeber lassen sich direkt auf Wellen bis 740 mm montieren