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Dokumentenidentifikation DE10139243B4 16.11.2006
Titel Verfahren zur Überwachung eines elektromagnetisch betriebenen Aktors sowie elektromagnetisch betriebene Kupplung oder Bremse
Anmelder KENDRION Binder Magnete GmbH, 78048 Villingen-Schwenningen, DE;
ZF Lenksysteme GmbH, 73527 Schwäbisch Gmünd, DE
Erfinder Benzing, Roland, Dipl.-Ing., 78647 Trossingen, DE;
King, Robert, Dipl.-Ing., 78739 Hardt, DE;
Melhardt, Hans-Jürgen, Dr.-Ing., 78086 Brigachtal, DE;
Winn, Franz Rudolf, 72221 Haiterbach, DE;
Hafermalz, Jens-Uwe, Dipl.-Ing., 73116 Wäschenbeuren, DE;
Schüle, Jürgen, Dr.-Ing., 73525 Schwäbisch Gmünd, DE
Vertreter Patentanwälte Westphal Mussgnug & Partner, 78048 Villingen-Schwenningen
DE-Anmeldedatum 09.08.2001
DE-Aktenzeichen 10139243
Offenlegungstag 06.03.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16D 27/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16D 65/21(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16D 65/27(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines elektromagnetisch betriebenen Aktors mit einer von einer ersten Steuereinheit gesteuerten ersten Spule zur Betätigung eines Ankers.

Die Erfindung betrifft ferner eine Kupplung oder Bremse zur Durchführung des Verfahrens.

Elektromagnetische Aktoren mit zwei unabhängig voneinander bestrombaren Spulen sind z.B. aus DE 198 33 102 A1 und US 4,760,491 bekannt.

Elektromagnetisch betriebene Aktoren sind beispielsweise elektromagnetisch betätigte Kupplungen oder Bremsen, die sich bei Nichtbestromung und bei Bestromung in einem von zwei möglichen Betriebszuständen befinden. Der eine Betriebszustand ist der gelöste Zustand einer Bremse oder Kupplung, der andere Betriebszustand stellt bei einer Bremse den Bremszustand und bei einer Kupplung den gekuppelten Zustand dar.

Beim Einsatz von Aktoren in sicherheitsrelevanten Bereichen muß der Aktor bei Stromausfall je nach Einsatzbereich automatisch in einen der beiden Betriebszustände übergehen und sicher in diesem Betriebszustand bleiben, der als betriebssicherer Zustand oder häufig auch mit dem Schlagwort „failsave" bezeichnet wird. Beispielsweise wird der Aktor bei Stromausfall mittels Federkraft in den betriebssicheren Zustand umgeschaltet.

Unentdeckte Fehler im Aktor, beispielsweise Windungsschlüsse, Übertemperaturen, Federbruch, zusätzliche Reibung oder eingedrungene Fremdkörper, können jedoch dazu führen, daß ein unvorhergesehener Wechsel in den betriebssicheren Zustand erfolgt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines elektromagnetisch betriebenen Aktors anzugeben, das rechtzeitig Fehler detektiert.

Die Erfindung löst diese Aufgabe verfahrensmässig mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen dadurch, dass mindestens eine von einer zweiten Steuereinheit gesteuerte Spule vorgesehen ist, dass die Spulen unabhängig voneinander angesteuert werden und dass mindestens eine Steuergrösse der ersten Steuereinheit und mindestens eine Steuergrösse der zweiten Steuereinheit von einer Auswerteeinheit zur Fehlererkennung ausgewertet werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren sieht einen Aktor mit mindestens zwei Spulen vor, die unabhängig voneinander von je einer Steuereinheit angesteuert werden. In einer Auswerteeinheit wird mindestens eine Steuergrösse der ersten Steuereinheit und mindestens eine Steuergrösse der zweiten Steuereinheit zur Fehlererkennung ausgewertet.

Besonders vorteilhaft ist es, für die Auswertung gleiche Steuergrössen auszuwählen.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht für die beiden Steuereinheiten Zweipunktregler vor, deren Schaltzeitpunkte von der Auswerteeinheit mit einer Referenzgrösse verglichen werden. Weicht ein Schaltzeitpunkt von der Referenzgrösse ab, so wird ein Fehler angezeigt. Auf diese Weise lassen sich Fehler, verursacht durch Windungsschlüsse, detektieren, weil ein Windungsschluss die Zeitkonstante einer Spule verringert.

Die Schaltzeitpunkte der Zweipunktregler lassen sich zum Beispiel in vorteilhafter Weise von einem oder mehreren Microcontrollern mittels Zählroutinen erfassen.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass zur Fehlererkennung auch die Betriebsspannung für die Spulen in der Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, einen Kraftsensor oder mehrere Kraftsensoren an vorgebbaren Stellen des Aktors anzubringen, um die an diesen Stellen herrschenden Kräfte zu messen. Die Ausgangssignale der Kraftsensoren werden zur Auswerteeinheit übertragen, wo sie zur Fehlererkennung ausgewertet werden. Beispielsweise kann mittels eines Kraftsensors die Stellung des Ankers im Aktor erfasst werden.

Besonders gut für die Kraftsensoren eignen sich Dehnungsmessstreifen, weil sie nur geringe Abmessungen aufweisen und nahezu an jeder Stelle leicht anbringbar sind.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht einen Induktionssensor zur Messung der Induktion im Luftspalt zwischen dem Anker und den Spulen vor. Die Messsignale des Induktionssensors werden ebenfalls in der Auswerteeinheit zur Fehlererkennung ausgewertet.

Besonders vorteilhaft ist es, in der Auswerteeinheit die Schaltzeitpunkte der Zweipunktregler, die von den Kraftsensoren erfassten Kräfte und die vom Induktionssensor gemessene Induktion gleichzeitig zur Fehlererkennung auszuwerten, um einzelne Fehler möglichst sicher detektieren zu können.

Das erfindungsgemässe Verfahren sowie eine Kupplung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden anhand der Figuren nun näher beschrieben und erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Kupplung im unbestromten Zustand,

2 die Kupplung aus 1 im bestromten Zustand und

3 ein Ausführungsbeispiel eines Zweipunktreglers.

In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Kupplung im Längsschnitt dargestellt. Der Übersichtlichkeit wegen ist in 1 nur der obere Teil des Längsschnitts gezeigt. Der untere Teil liegt spiegelbildlich dazu.

Auf einer Abtriebswelle 11 sitzt eine Kupplungsscheibe 12 mit einer Stirnverzahnung 18, in welche die Stirnverzahnung 18 eines Ankers 3 greift. Der Anker 3 ist mittels einer Feder oder eines Federpakets 13 an einer Kupplungswelle 14 befestigt. Hinter dem Anker befindet sich ein Wickelkörper 16 mit einer Spule 2 und mit einer Spule 5. Die Kupplungsscheibe 12, der Anker 3 und der Wickelkörper 16 mit den Spulen 2 und 5 sind von einem Gehäuse 15 umgeben, an dessen Rückwand der Wickelkörper 16 mittels einer Andruckfeder 17 abgestützt ist. Am Lager des Wickelkörpers (16) auf der Kupplungswelle (14) ist mindestens ein Kraftsensor 7, z. B. ein Dehnungsmessstreifen, angeordnet, der mit einer Auswerteeinheit 6 verbunden ist. Am Gehäuse 15 kann im Bereich des Luftspalts 10 zwischen dem Anker 3 und dem Wickelkörper 16 ein Induktionssensor 9 angeordnet sein, der ebenfalls mit der Auswerteeinheit 6 verbunden ist. Die Spule 2 ist mit einer Steuereinheit 1 verbunden, die mit der Auswerteeinheit 6 verbunden ist. Ebenso ist die zweite Spule 5 mit einer Steuereinheit 4 verbunden, die ebenfalls an die Auswerteeinheit 6 angeschlossen ist.

Es können z. B. auch an der Feder oder dem Federpaket 13 Kraftsensoren vorgesehen sein, deren Ausgangssignale ebenfalls zur Auswerteeinheit 6 übertragen werden, wo sie ausgewertet werden.

Der Auswerteeinheit 6 steht daher eine Vielzahl von Parametern zur Verfügung, deren Werte Rückschlüsse auf spezifische Fehler zulassen. Wie bereits erwähnt, ist es sinnvoll, auch die Betriebsspannung in die Fehlerauswertung mit einzubeziehen.

In 2 ist die Kupplung aus 1 im bestromten Zustand gezeigt.

Bei bestromten Spulen 2 und 5 wird der Anker 3 vom Wickelkörper 16 mit den Spulen 2 und 5 entgegen der Federkraft der Feder oder des Federpaketes 13 angezogen, so dass die Stirnverzahnung 18 des Ankers 3 von der Stirnverzahnung 18 der Kupplungsscheibe 12 getrennt wird. Im bestromten Zustand ist die Kupplung im ausgekuppelten Zustand, während bei unbestromten Spulen die Abtriebswelle 11 über die stirnverzahnte Kupplungsscheibe 12 und den stirnverzahnten Anker 3 mit der Kupplungswelle 14 gekoppelt ist.

Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf dem Wickelkörper 16 zwei getrennte Spulen 2 und 5 angeordnet, deren Wickelsinn und deren Ansteuerung jedoch so gewählt sind, dass sich die Magnetfelder der Spulen addieren. Alternativ hierzu ist für beide Spulen auch eine gemeinsame Wickelkammer möglich. Wickelsinn und Ansteuerung der Spulen sind wiederum so gewählt, dass sich die Magnetfelder der Spulen addieren.

Mittels des Kraftsensors oder der Kraftsensoren 7 wird das Lösen und das Kuppeln des Ankers 3 überwacht. Auch eine nicht vollständige Kämmung bzw. Kopplung der Stirnverzahnungen 18 der Kupplungsscheibe 12 und des Ankers 3 werden mittels der Kraftsensoren 7 erkannt.

Mittels des Induktionssensors 9 auf der Höhe des Luftspalts 10 lässt sich ebenfalls das Lösen und das Kuppeln überwachen. Unvollständiges Einkuppeln wird ebenso erkannt wie unvollständiges Ausrasten.

Die Steuereinheiten 1 und 4 sind vorteilhafterweise als Zweipunktregler gestaltet.

In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Zweipunktreglers gezeigt, der eine der beiden Spulen 2 und 4 steuert. Die andere Spule wird von einem baugleichen zweiten Zweipunktregler unabhängig vom ersten gesteuert.

Über einem Widerstand 24 liegt der eine Pol einer Referenzspannungsquelle 22, deren anderer Pol auf Masse liegt, am nicht invertierenden Eingang eines Vergleichers 19, dessen Ausgang über ein Potentiometer 25 auf seinen nicht invertierenden Eingang rückgekoppelt ist. Der Ausgang des Vergleichers 19 ist mit der Basis eines Transistors 20 verbunden, an dessen Emitter eine Betriebsspannung 26 liegt und dessen Kollektor mit dem einen Anschluss der Spule 2 verbunden ist und über eine Freilaufdiode 21 auf Masse liegt. Der zweite Anschluss der Spule 2 ist unmittelbar mit dem invertierenden Eingang des Vergleichers 19 verbunden und liegt über einem Messwiderstand 23 auf Masse.

Zum Abgreifen der Schaltzeitpunkte bzw. der Schaltfrequenz ist der Ausgang des Vergleichers 19 mit der Auswerteeinheit 6 verbunden, die auch die Betriebsspannung 26 überwacht.

Der Maximalwert und der Minimalwert des Stromes durch die Spule 2 werden mittels der Referenzspannungsquelle 22 und des Potentiometers 25 eingestellt. Sobald der durch den Messwiderstand 23 fliessende und vom Vergleicher 19 gemessene Strom einen vorgebbaren Schwellwert erreicht, schaltet der Vergleicher 19 um.

Wenn sich der Aktor in einem der beiden Betriebszustände – gekuppelt oder ausgekuppelt – befindet, ändert sich die Induktivität im Luftspalt 10 nur wenig. Die Zeit, in welcher der Strom durch die Spule 2 und den Messwiderstand 23 vom maximalen Wert auf den minimalen Wert absinkt, ist ein Kriterium für den Zustand der Spule unabhängig von der Betriebsspannung, denn die Abfallzeit des Stromes vom maximalen zum minimalen Wert hängt nur von der Induktivität und von der als konstant anzusehenden Flussspannung der Freilaufdiode 21 ab.

Durch Vergleich der Abfallzeiten mit den Referenzwerten, die den fehlerfreien Betriebszustand widerspiegeln, lässt sich feststellen, ob die Spule mit einem Fehler behaftet ist oder zu stark erwärmt ist. Durch den Vergleich der entsprechenden Werte beider Spulen mit einer möglichst hohen Wärmekopplung liegt bei Abweichungen vom Referenzwert ein Spulenfehler vor. Es ist diejenige Spule beschädigt oder mit einem Fehler behaftet, deren Frequenz abnormal ansteigt oder mit anderen Worten ausgedrückt, bei der die Zeit, in welcher der Strom vom maximalen Wert auf den minimalen Wert abfällt, stark verkürzt ist.

Durch Überwachung der Betriebsspannung und Auswerten der Zeit, in welcher der Strom durch die Spule vom minimalen zum maximalen Wert ansteigt, lässt sich feststellen, ob eine Spule unzulässig stark erwärmt wird.

Die Erfindung sieht mindestens zwei Spulen vor. Es können aber auch mehr als zwei Spulen eingesetzt werden. Das erfindungsgemässe Verfahren, das eine Analyse der Fehler ermöglicht, ist sowohl für elektromechanisch betätigte Kupplungen als auch Bremsen oder andere Elektromagnete geeignet.

1
Steuereinheit
2
Spule
3
Anker
4
Steuereinheit
5
Spule
6
Auswerteeinheit
7
Kraftsensor
8
Kraftsensor
9
Induktionssensor
10
Luftspalt
11
Abtriebswelle
12
Kupplungsscheibe
13
Feder, Federpaket
14
Kupplungswelle
15
Gehäuse
16
Wickelkörper
17
Andruckfeder
18
Stirnverzahnung
19
Vergleicher
20
Transistor
21
Freilaufdiode
22
Referenzspannungsquelle
23
Messwiderstand
24
Widerstand
25
Potentiometer
26
Betriebsspannung


Anspruch[de]
Verfahren zur Überwachung eines elektromagnetisch betriebenen Aktors mit einer von einer ersten Steuereinheit (1) gesteuerten ersten Spule (2) zur Betätigung eines Ankers (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine von einer zweiten Steuereinheit (4) gesteuerte zweite Spule (5) vorgesehen ist, dass die Spulen (2, 5) unabhängig voneinander angesteuert werden und dass mindestens eine Steuergrösse der ersten Steuereinheit (1) und mindestens eine Steuergrösse der zweiten Steuereinheit (4) von einer Auswerteeinheit (6) zur Fehlererkennung ausgewertet werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Auswertung vorgesehenen Steuergrössen einander entsprechen. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuereinheiten (1, 4) Zweipunktregler vorgesehen werden. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeitpunkte der beiden Zweipunktregler (1, 4) von der Auswerteeinheit (6) mit einer Referenzgrösse verglichen werden. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung einer der zur Auswertung vorgesehenen Steuergrössen vom Referenzwert ein Fehler an der zugehörenden Spule (2, 5) angezeigt wird. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeitpunkte der Zweipunktregler (1, 4) von mindestens einem Microcontroller mittels Zählroutinen erfaßt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (6) die Betriebsspannung (26) zur Fehlererkennung ausgewertet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftsensor (7) zur Messung der an einer vorgebbaren Stelle herrschenden Kräfte vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal in der Auswerteeinheit (6) zur Fehlererkennung ausgewertet wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (7), die vom Anker (3) ausgehende Kupplungskraft und damit ein Maß für das Kupplungsmoment erfaßt. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kraftsensoren (7, 8) Dehnungsmessstreifen vorgesehen sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionssensor (9) zur Messung der Induktion im Luftspalt zwischen dem Anker (3) und den Spulen (2, 5) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignale in der Auswerteeinheit (6) zur Fehlererkennung ausgewertet werden. Kupplung oder Bremse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Abtriebswelle (11) eine Kupplungsscheibe oder eine Bremsscheibe (12) sitzt, der gegenüber der mittels einer Feder oder eines Federpaketes (13) an einer Kupplungswelle (14) drehfest aber axial verschiebbar befestigte Anker (3) angeordnet ist, hinter dem die beiden Spulen (2, 5) angeordnet sind, dass die erste Spule (2) mit der ersten Steuereinheit (1) und die zweite Spule (5) mit der zweiten Steuereinheit (4) verbunden ist und dass die beiden Steuereinheiten (1, 4) mit der Auswerteeinheit (6) verbunden sind. Kupplung oder Bremse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsscheibe oder die Bremsscheibe (12), der Anker (3) und die Spulen (2, 5) in einem Gehäuse (15) untergebracht sind. Kupplung oder Bremse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kupplungswelle (14) und einem Wickelkörper (16), auf dem die Spulen (2, 5) sitzen, mindestens ein Kraftsensor (7) angeordnet ist, dessen Ausgang mit der Auswerteeinheit (6) verbunden ist. Kupplung oder Bremse nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionssensor (9), dessen Ausgang mit der Auswerteeinheit (6) verbunden ist, zur Messung der Induktion im Luftspalt (10) vorgesehen ist. Kupplung oder Bremse nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2, 5) eine gemeinsame Wickelkammer aufweisen. Kupplung oder Bremse nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2, 5) örtlich getrennt angeordnet sind, deren Wickelsinn und Ansteuerung aber so gewählt sind, dass sich deren Magnetfelder addieren. Kupplung oder Bremse nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) und die Kupplungsscheibe (12) eine Stirnverzahnung (18) aufweisen. Kupplung oder Bremse nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (1, 4) Zweipunktregler sind. Kupplung oder Bremse nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweipunktregler aus einem rückgekoppelten Vergleicher (19), einem Transistor (20), einer Freilaufdiode (21), einer Referenzspannungsquelle (22) und einem Messwiderstand (23) aufgebaut ist. Kupplung oder Bremse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannungsquelle (22) über einen Widerstand (24) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (19) verbunden ist, dass der Ausgang des Vergleichers (19) mit der Basis eines Transistors (20) verbunden ist und über ein Potentiometer (25) auf seinen nicht invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, dass am Emitter des Transistors (20) die Betriebsspannung (26) liegt, dass der Kollektor des Transistors (20) mit dem einen Anschluss einer der Spulen (2) verbunden ist und über die Freilaufdiode (21) auf Masse liegt und dass der andere Anschluss der Spule (2) mit dem invertierenden Eingang des Vergleichers (19) verbunden ist und über den Messwiderstand (23) auf Masse liegt. Kupplung oder Bremse nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Vergleichers (19) zum Abgreifen und Auswerten der Schaltfrequenz mit der Auswerteeinheit (6) verbunden ist.






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