Lagerloser und hochauflösender Drehgeber für große Wellen

Details: Veröffentlicht: 10.02.2014; Zuletzt aktualisiert: 07.02.2024; Zugriffe: 11711

Der „HD mag flex“-Spannbandgeber von Baumer ermöglicht durch sein neues Konzept die direkte, präzise Winkel- und Drehzahlmessung an großen Wellen. Die flexible, magnetische Präzisions-Maßverkörperung wird passend zum Wellendurchmesser hergestellt und für den Transport platzsparend aufgerollt. In der Anwendung lässt sie sich wie ein Gürtel mit dem Spannschloss am Wellenumfang fixieren.

Die Welle bleibt montiert, Kosten und Zeitaufwand für mechanische Anpassungen und aufwändige Montage entfallen. Eine intelligente Echtzeit-Signalverarbeitung und der lagerlose, berührungslose Aufbau prädestinieren den Drehgeber für Anwendungen an Generatoren, Großantrieben oder in Wasser- und Windkraftanlagen.

Die Spannbandgeber HDmag flex MIR 3000F und MQR 3000F sind eine revolutionäre und besonders wirtschaftliche Lösung für die präzise Positions- und Drehzahlmessung an Wellen mit grossem Durchmesser.

Baumer01141 Zur genauen und energieeffizienten Regelung von Antrieben und Generatoren ist die präzise Messung von Position und Drehzahl erforderlich. Drehgeber stellen die dazu erforderlichen Informationen zur Verfügung: Je größer der Wellendurchmesser eines Antriebs oder Generators, desto schwieriger gestaltet sich allerdings die Fertigung und Montage der Drehgeber; oberhalb von 1 m Durchmesser gab es bislang nur kostenintensive Sondervarianten. Jetzt gibt es hierfür eine neue Lösung: Ein 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.

Sensorik schützt WKA Rotorblatt vor Eis und Schäden

Die Messung von Position und Drehzahl an großen Motor- oder Generatorwellen, wie sie in Walzwerken, Papiermaschinen, Wind- und Wasserkraftanlagen zu finden sind, bedeutete bisher erheblichen Aufwand. Zum einen verlangen die eher rauen Umgebungsbedingungen möglichst robuste Drehgeber-Lösungen, zum anderen ist es keineswegs trivial, einen entsprechenden Geber an den dicken Wellen zu montieren.

Grosse Wellen erforderten Kompromisse

Baumer01145 Die Montage eines Standard-Heavy-Duty-Drehgebers benötigt einen kleinen Adapterzapfen am freien Wellenende. Das kann erhebliche Rundlauffehler in Form von 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 gleichzeitig den insgesamt erforderlichen Einbauraum. Meist ist dann auch noch ein mechanischer Trittschutz für den Geber erforderlich, damit er vor Beschädigungen geschützt ist.

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.

Um die Welle gespannt mit genauer Maßverkörperung

Baumer01143 Vor diesem Hintergrund drängen vor allem Anwender aus den Bereichen Wind- und Wasserkraftanlagen, Papiermaschinen, Baumaschinen oder Großantrieben auf bessere Lösungen. Ihr Bedarf an robusten, einfach montier- und wechselbaren lagerlosen Drehgebersystemen, mit denen sich Drehzahl und Position mit hoher Auflösung messen lassen, steigt ständig. Der Sensorikspezialist Baumer hat nun entsprechend reagiert: Mit einem neuen, zum Patent angemeldeten und konsequent zu Ende gedachten Ansatz lösen die HD mag flex Spannbandgeber jetzt solche anspruchsvollen Messaufgaben an Wellen mit beliebigem und 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 und 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 radiale Abstand vom Spannband zum Sensorkopf, sprich Luftspalt, darf bis 3 mm groß sein, wodurch die bei Großwellen und deren Lagerungen typischen Toleranzen gut beherrschbar werden.

Einfache und schnelle Montage

Baumer01142 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. Die Drehgeber eignen sich damit sehr gut für Nachrüstungen.

Das Spannschloss ist so ausgelegt, dass es Toleranzen des Wellendurchmessers von etwa 2 mm ausgleichen kann. Die anschließende Montage des Sensorkopfs erfordert lediglich zwei Befestigungsschrauben. Der Luftspalt lässt sich einfach mit einer Lehre einstellen. Eine Person erledigt diese Arbeiten innerhalb weniger Minuten. Dabei lässt sich die im Abtastkopf integrierte elektronische Funktionsüberwachung als Justierhilfe nutzen. Selbst eine für einen Wellendurchmesser von 2 m ausgelegte Sensorausführung wiegt weniger als 2 kg und passt in eine schuhschachtelgroße Verpackung. Montage- und Transportkosten reduzieren sich damit deutlich gegenüber den bisher verfügbaren Lösungen.

Schnelle Signalverarbeitung für hochpräzise Messwerte

Baumer01144 Dank seiner intelligenten Echtzeit-Signalverarbeitung liefert der Spannbandgeber jederzeit inkrementale und quasi-absolute Positionssignale mit konstant hoher Qualität, unabhängig von der Spannschlossweite. Pro Umdrehung sind bei jedem Wellendurchmesser bis zu 131.072 Impulse möglich. Die beiden Sensoren im Abtastkopf sind werksseitig so ausgerichtet, dass stets wenigstens ein Magnetsensor das magnetisierte Band abtastet. Das ermöglicht eine durchgehende Positions- und Drehzahlberechnung trotz der durch das Spannschloss bedingten Lücke. 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 Grad. 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.

Kupplungen, Bremsen und Monitoring für die Windkraftanlage

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 Umdrehung in 6 h. Die von der Anwendung geforderten Ausgangssignale werden werksseitig konfiguriert. Als elektrische Schnittstellen stehen SSI, HTL, TTL SinCos und Kombinationen davon zur Verfügung.