DETECTOR FOR MONITORING THE STEADY MOTION OF ROTARY OBJECTS

Abstract: 1. A detector for monitoring the uniform motion of a rotating object with the aid of an indicator stationary relative to the rotating object to scan an aligned transmitting element on the object to be monitored and derive respective scanning pulses therefrom, wherein a cross-piece which carries a detector element rigidly connected to the stationary housing of the rotating object adjacent to the rotor hub in a plane vertical thereto, characterized in that each signal transmitting element (5) is fixed in a recess (21) which are conditional on production technology per se, at the periphery of the end face of the hub (2) of the rotating object, the cross-piece (3) serving as a carrier for a circuit board (4), the detector element (42) being arranged on the side of the circuit board (4) which faces towards the rotor hub (2), and the circuit board (4) carrying elements of an electrical evaluation circuit which are connected to the detector element (42).

Description: Detektor zum Sbe-vachen der gleichförmigen Bewegung; von rotierenden Gegenstanden. Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zum Überwachen der gleichförmigen Bewegung von rotierenden Gegenständen mit Hilfe gegenüber diesen feststehender Indikatoren, die auf den zu überwachenden Gegenständen in regelmässigen Abständen angeordnete Signalgeberelemente abtasten und daraus jeweils einen Abtastimpuls ableiten. Oft ist die Geschwindigkeit von rotierenden Gegenständen, die normalerweise im wesentlichen gleichförmig beweg werden, daraufhin zu überwachen, dass bestimmte Grenzwerte nicht über- oder unterschritten werden. Wird ein Grenzwert nicht eingehalten, so ist dieser fehlerhafte Betriebszustand anzuzeigen. Die Anzeige ermöglicht eine Korrektur oder erlaubt, entsprechende Massnahmen zu treffen, die weitere Folgeerscheinungen dieses Fehlers verhindern.3in spe- zieller Anwendungsfall kann z. 3. die Uberwachung der Drehzahl von Lüfteraggregaten sein, die zum Kühlen von grösseren elektrischen Anlagen eingesetzt werden, weil eine Vielzahl dicht gepackter, elektronischer Bauelemente in ihrer Masse eine derart hohe Verlustwärme erzeugt, dass sie durch reine Konvektion von Luft als Kühlmittel nicht abgeführt werden kann. Wenn dann eines dieser Lüfteraggregate ausfällt oder auch nur mit verminderter Drehzahl arbeitet, kann dies zu einer übermässigen Erwärmung der elektronischen Baugruppen führen, deren Funktion dadurch teilweise oder sogar gänze gestört wird. Aus " Si emens- Zeitschrift " 44 (1970), Heft 5, Seite 309 ff ist es bekannt, den einwandfreien Betriebszustand solcher Lüfteraggregate mit Kaltleiter-Strö'mungsmessern hoher Empfindlichkeit zu überwachen. Im Prinzip wird dabei eine definierte lsÅarmequelle durch die von einem einwandfrei ar beitenden Lüfteraggregat erzeugte Luftströmung abgekühlt. nachdem, ob man die Temperatur oder die Leistungsaufnahme Wärmequelle konstant hält, ist die aufgenommene elektrisch Energie oder die Temperatur der Wärmequelle ein Mass für d: Strömung. Eine solche Uberwachungsmethode ist bezüglich d Uberwachung der einwandfreien Funktion des Lüfteraggregat etwas kritisch, da der Kühlluftstrom selbst auch bei ein- wandfreier Funktion des Lüfteraggregats, abhängig von den Betriebsbedingungen der elektrischen Anlage und auch wech den Umgebungsbedingungen, unterschiedliche Temperaturen a weisen kann. Dies wiederum kann zu mangelhaften Anzeigen. über einen angeblich fehlerhaften Betriebszustand führe ähnliches gilt auch für Bi-Metall-Fuhler, die für diesen Zweck häufiger eingesetzt werden. Diese funktionieren jedoch nur dann zufriedenstellend, wenn die Lüfteraggregate im Nenndrehzahlbereich laufen. Falls ein Aggregat durch Unterbrechung des Motorstromkreises, Ausbleiben der Netzspannung oder durch Lagerschaden stehen bleibt, bzw. durch einen beginnenden Lagerschaden in seiner Drehzahl bzw. leistung stark abfällt, ist in vielen, besonders kleinen gedrängt aufgebauten Lüfteraggregaten die Luftströmung dt Eigenkonvektion so stark abgesunken, daB diese Fühler 4bS haupt nicht oder viel zu spät ansprechen. Für gröBere LUfteraggregate, die vielfach als Äxiallüfter ausgebildet sind, ist es weiterhin bekannt, auf die rot4 erende Rotornabe des Lüfteraggregates unmittelbar einen kleinen Tachogenerator aufzusetzen und so unmittel#ar die Drehzalii des Lüfteraggregats selbst zu überwachen. Eine solche Lösung ist z. B. in der DE-OS 19 48 906 beschrieben. Diese direkte Uberwachung des Funktionszustandes, d. h. der Drehzahl eines Lüfteraggregats, ist aber zusammen mit der notwendigen Auswerteschaltung für kleine Lüfteraggregate teuer und lässt sich insbesondere in solche Lüftertypen aus konstniktiven Gründen wegen zu grosser Abmessungen nicht einbauen. Darüber hinaus ist es bekannt, die Translations- oder Rotationsbewegung von Gegenständen mit Hilfe von optischen oder indutkiven Indikatoren zu überwachen. Diese tasten berührungslos auf den Gegenständen in regelmässigen Abständen angeordnete Signalgeberelemente ab. Bei diesen Elementen kann es sich um Farbmarkierungen, aber auch um Schlitze und Kerben auf den bewegten Gegenständen handeln. Ein spezieller derartiger induktiver Detektor ist aus der DE-AS 1 001 496 bekannt. Hier soll die rotatorische Bewegung eines Messwerk ausgewertet werden; dazu tritt eine von dem Messwerkzeiger getragene Metallfahne zwischen die beiden Spulen eines Oszillators Dadurch werden infolge der Feldverdrängung die beiden Spulen entkoppelt und gedämpft, so dass sich die Oszillatorspannung verringert bzw. die Schwingung ganz abreisst oder die Frequenz verändert wird. Diese Veränderung der Oszillatorspannung kann dazu benutzt werden, Fehlermeldeeinrichtungen zu betätigen, die ein Warnsignal abgeben. Man könnte einen derart aufge- bauten Indikator in entsprechend abgewandelter Form auch dazu verwenden, die Geschwindigkeit von im wesentlichen gleichförmig rotatorisch bewegten Gegenständen zu überwachen. Diese wäre aber ebenfalls unzweckmässig, weil derartige Indikatoren für diesen Anwendungsfall aufwendig sind und eine konstruktive Anpassung eines Lüfteraggregates an diesen D < :tektor erforderte. Der ErfIndung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Detektor zum Überwachen der gleichförmigen Bewegung von rotierenden Gegenständen der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine direkte Funktionsüberwachung der Drehbewegung gestattet, ohne dass ein handelsübliches Lüfteraggre gat zur Lösur##dieser Uberwachungsaufgabe konstruktiv ver ändert werden muss. Der Detektor muss also so ausgebildet sein, dass er als Anbaueinheit bei kleinen konstruktiven Abmessungen ohne weiteres eingesetzt werden kann, dabei aufwandserm, d. h. billig in der Herstellung und konstruktiv so ausgebildet ist, dass er ohne weiteres an unterschiedliche Gerätetypen anpassbar ist. Diese Aufgabe wird bei einem Detektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Signalgeberelemente in an sich fertigungstechnisch bedingten Aus nenmungen auf dem Umfang der Naben des rotierenden Gegenstandes festgelegt sind und dass der Rotornabe benachbart in einer dazu senkrechten Ebene mit dem feststehenden Gehäuse des rotierenden Gegenstandes starr verbunden ein Steg als Träger für eine Leiterplatte angeordnet ist, die auf der der Rotornabe zugekehrten Seite ein Detektorelement und ausserdem die mit diesem verbundenen Elemente einer elektrisc Auswerteschaltung trägt. Diese Lösung geht davon aus, dass z. B. Lüfternaben häufig in einem Druckgussverfahren hergestellt werden und deshalb auf dem Nabenstummel in regelmässigen Abständen abgeordnete Ausnehmungen aufweisen, die zum Auswerfen des Gussteils aus der Druckgussform dienen. Diese häufig als Sacklöcher ausgebildeten Ausnehmungen können nun dazu verwendet werden, die Signalgeberelemente selbst, beispielsweise kleine Permanentmagnete oder Halterungen für Signalgeberelemente aufzunehmen. Mehrere solcher Signalgeberelemente können dann symmetrisch zueinander angeordnet werden, so dass sich dadurch auch keine grösseren Unwuchten ergeben, TsleranzeB also bem Auswuchten eines Lüfterrades, das an sich auch sonst notwendig ist, ausgeglichen werden können. Diese Lösung beruht also auf einer direkten Erfassung der Grundfunktion eines rotierenden Gegenstandes und lässt auch die Verwendung von beispielsweise von handelsüblichen bzw. listenmässigen Lüfteraggregaten zu, die mit oder ohne eine solche Anbaueinheit ihre Grundfunktion liefern können. Dabei ist es gleichgültig, ob es sich um Lüfteraggregate nach dem Axial-, Radial- oder Tangentialprinzip handelt. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der an zwei diagonal einander gegen überliegenaen Ecken des feststehenden Gehäuses des rotierenden Gegenstandes aufrecht stehend festgelegte Steg über der Achse der Rotornabe Z-förmig abgewinkelt ist und im Bereich der Leiterplatte mehrere Stifte aufweist, die zum Festlegen der Leiterplatte in mit Lötaugen ausge- stattete Durchgangsbohruhgen der Leiterplatte eingelötet sind. Diese Lösung stellt eine besonders einfache und fertigungstechnisch vorteilhafte Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Steg als tragendem Element dar und ermöglicht ein einfaches Ausrichten der Leiterplatte in einer zu der Achse des rotierenden Gegenstandes enkrechten Ebene, wobei die Z-förmlge Biegung des Steges in der Mitte der Leiterplatte deren Kippen aus der festgelegten Ebene verhindert. Diese konstruktive Ausgestaltung des Detektors ermoglicht, wie aus weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der ErfIndung, die in weiteren Unteransprüchen beschrieben sind, hervorgeht, das Detektorelement in freizügiger Weise auf der Unterseite der Leiterplatte anzuordnen und auch den Steg mit geringen änderungen konstruktiv so auszubilden, dass die Anbaueinheit flexibel an unterschiedlIche Gerlet-#en der rotierenden Gegenstände, insbesondere von keten Lüfteraggregaten anpassbar ist. Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfinuung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1, Fig. 2 zwei Ansichten eines Lüfteraggregates mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten angebauten Detektor zum überwachen der gleichförmigen Be wegung des Lüfteraggregats, Fig. 3 einen Schnitt längs der Scbnittlinie III...IIT durch dieses Lüfteraggregat gemäss der Darstellung von Fig. 1 und Fig. 4 ein Blockschaltbild als Beispiel für eine Aus werteschaltung des Detektors In Fig. 1 und 2 sind eine Drauf- bzw. eine Seitenansicht eines handelsfiblichen Lüfteraggregats, hier eines Axial- lüfters, dargestellt. Die beiden Ansichten zeigen ein feststehendes Lüftergehäuse 1, in der Draufsicht der Fig. 1 ist zudem eine Rotornabe 2 des Lüfteraggregats teilweise angedeutet. In einer zu der Achse dieser Rotornabe 2 senkrechten Ebene ist ein Steg 3 in einer der beiden Diagonalen des Liiftrgehäuses 1 angeordnet und mit diesem fest verschraubt. Dieser aufrecht stehende Steg 3 ist im Bereich der Rotornabe 2 Z-förmig abgewinkelt und dient als Träger für eine Leiterplatte 4, die an seiner Unterseite, dem Nabenende benachbart, in einer zur Achsenrichtung der Rotornabe 2 senkrechten Ebene liegt. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, weist der Steg 3 an seiner Unterseite, der Leiterplatte 4 zugekehrt, mehrere Stifte 31 auf, die in mit Lötaugen besetzte Durchgangsbohrungen 41 der Leiterplatte 4 eingreifen. Die Enden der Stifte 31 des Steges 3 werden in diese Durchgangsbohrungen 41 der Leiterplatte 4 eingelötet und stellen so die starre Verbindung zwischen dem tragenden Steg 3 und der Leiterplatte 4 dar. In Fig. 3 ist eine Ansicht des Lüfteraggregats längs der Schnittlinie II#.;EII von Fig. 1 dargestellt. Daraus geht hervor, dass die Leiterplatte 4 dem Wellenende der Rotornabe 2 dicht benachbart und parallel zu diesem angeordnet ist. Die Rotornabe 2 weist handelsüblich auf ihrem Umfang in regelmässigen Abständen verteilt Sacklochbohrungen 21 auf, die herstellungstechnisch bedingt sind. Die Rotoren dieser kleinen Lüfteraggregate werden nämlich vielfach als Druckgussteile hergestellt, dabei dienen die Sacklochbohrungen 21 zum Aufnehmen von Auswerfern beim Herausheben eines fertig gegossenen Rotorteils aus der Druckgtissform. Im vorliegenden Fall werden diese deshalb bei serienmässigen Lüftera'ggregaten bereits vorhandenen Ausnehmungen am Wellenende der Rotornabe 2 benutzt, um Signalgeberelemente aufzunehmen bzw. auf der Rotornabe festzulegen. Im vorliegenden Ausfu¯hrungsbei- spiel ist in der Sacklochbohrung 21 ein kleiner Permanent- magnet 5 als Signalgeberelement eingesetzt, der mit seinem Südpol S in Richtung der Leiterplatte 4 weist. Auf der Unterseite dieser Leiterplatte 4 ist ein Detektorelement dem Pe=anentmagneten51dicht benachbart angeordnet. Dieses ist in diesem Fall ala Hallgenerator 42 ausgebildet. Die über der Rotornabe 2 angeordnete Leiterplatte 4 trägt im übrigen auch alle hier nicht mehr dargestellten elektrischen Bauteile einer Auswerteschaltung zum Bewerten der von dem Hallgenerator 42 abgegebenen Signalimpulse. Besonders in Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, dass elektrische Anschlussleitungen 43 an die Leiterplatte, die hier als Band- kabel ausgeführt sind, am Steg 3 befestigt zu einer Steckverbindung 6 geführt sind, die an einer Schmalseite des Lüftergehäuses festgelegt ist. Diese konstruktive Ausbildung des Detektors als Anbaueinheit an ein listenmässiges LUfter#ggregat erlaubt eine sehr geringe Bauhöhe, eignet sich deshalb insbesondere für kleine Aggregattypen und ist flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle, auch unterschiedliche Uberwachungsmethoden anpassbar, So könnte z. B. die Leiterplatte 4 auch eine kleine, der Rotornabe 2 zugekehrte Lichtquelle tragen, deren Licht von in die Sacklochbohrungen 21 der Rotornabe 2 eingesetzten reflektieren- den Flächen auf ein als fotoelektrischer Wandler ausgebildetes Detektorelement gerichtet wird. Es wären aber auch andere induktive Auswertemethoden z. B. mit einer Feldplatte als Detektorelement denkbar. Die einfache Verbindung des Steges 3 mit der Leiterplatte 4, wobei der Z-förmig abgewinkelte Steg 3 ein Kippen der Leiterplatte 4 aus der zur Achsenrichtung der Rotornabe 2 senkrechten Ebene verhindert, erlaubt eine einfache Anpassung der Anbaueinheit an unterschiedliche Anwendungsfälle bzw. Lüfteraggregate mit unterschiedlichen Abmessungen. Denn in einem solchen Fall imiss lediglich die#Länge des Steges 3 mit seinen Auf nahmelöchern für die Schraubverbindung mit dem Lüftergehäus#- 1 angepasst werden. In Fig. 4 ist noch in einem#Blockschaltbild ein Beispiel für eine mogliche Ausruhrungsform einer Auswerteschaltung, die dem in Fig. 3 dargestellten Anwendungsfall entspricht, dargestellt. Schematisch ist die Rotornabe 2 angedeutet, die den Permanentmagneten 5 als Signalgeberelement trägt. Diesem zugeordnet ist als Detektorelement der Hallgenerator 42, an dessen Ausgang eine handelsübliche integrierte Schaltung 44 angeschlossen ist. Diese enthält einen Drehzahl Gleichspannungswandler 441, dessen Ausgangssignal dem Istwert xi für die Drehzahl entspricht. Dieser wird ebenso wie ein Sollwert xs, der von einem Sollwertgeber 442 abgegeben wird, einer Komparatorschaltung 443 zugeführt und in einer angeschlossenen Schwellwertschaltung 444 bewertet. Beim Ansprechen der Schwellwertschaltung 444 in einem Fehlerfall, d. h. einer nicht mehr in einem zulässigen Toleranzbereich liegende Drehzahl des Lüfters wird mit einem Ausgangssignal der Schwellwertschaltung 444 eine als Lumineszenz- diode 45 ausgebildete Fehleranzeige gesetzt. Darüber hinaus wird das Ausgangs signal der Schwellwertschaltung 444 einem UND-Glied 445 zugeführt, dessen Ausgang an eine Serienendstufe 46 angeschlossen ist. Deren Ausgangssignale werden über die Anschlussleitungen 43 einer zentralen Auswerteeinheit zugeführt, wenn gleichzeitig eine Vielzahl von Lüfteraggregaten zu überwachen ist. Dabei ist es z. B. möglich, die Ausgänge der Serienendstufe 46 hintereinanderzuschalten und so be#Ausfall bzw. fehlerhaftem Betriebsverhalten nur eines der damit gemeinsam überwachten LüSter- aggregate ein zentrales Fehlermeldesignal zu erzeugen. Die insoweit erläuterte Schaltung würde allerdings nach dem Einschalten während des Hochlaufens der Lüfteraggregate 40 zur Nenndrehzahl, eine Fehleranzeige setzen. Um -dies zu verhindern, ist an das UND-Glied 445 ein Verzögerungsglied 47 angeschlossen, mit dem in diesem Betriebszustand das UND-Glied kurzzeitig gesperrt und damit die Ausgabe eines Fehlersignals verhindert wird. 4 Figuren 9 Patentansprüche

Claims: Patentansprüche 1. Detektor zum Uberwachen der gleichförmigen Bewegung von rotierenden Gegenständen mit Hilfe gegenüber diesen feststehender Indikatoren, die auf den zu überwachenden Gegen ständen in regelmässigen Abständen angeordnete Signalgeberelemente abtasten und daraus jeweils einen Abtastimpuls ableiten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Signalgeberelemente (5) in an sich fertigungstechnisch bedingten Ausnehmungen (21) auf dem Umfang der Nabe (2) des rotierenden Gegenstandes festgelegt sind und dass der Rotornabe benachbart in einer dazu senkrechten Ebene mit dem feststehenden Gehäuse (1) des rotierenden Gegenstandes starr verbunden ein Steg (3) als Träger für eine Leiterplatte (4) angeordnet ist, die auf der der Rotornabe zugekehrten Seite ein Detektorelement (42) und ausserdem die mit diesem verbundenen Elemente einer elektrischen Auswerteschaltung trägt. r. Detektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der an zwei-dizgcual eInander gegenüber- liegenden Ecken des Gehäuses (1) des rotierenden Gegenstandes aufrechtstehend festgelegte Steg (3) über der Achse der Rotornabe (2) Z-förmig abgewinkelt ist und im Bereich der Leiterplatte (4) mehrere Stifte (31) aufweist, die zum Festlegen der Leiterplatte in mit Lötaugen ausgestattete Durchgangsbohrungen (41) der Leiterplatte (4) eingelötet sind. 3, Detektor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Steg (3) zudem als Träger für Leitungsverbindungen (43) der auf der Leiterplatte (4) angeordneten Auswerteschaltung mit einem am Gehäuse (1) des rotierenden Gegenstandes seitlich angeordneten Stecker für eine Steckverbindung (6) dient. 4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Signalgeberelemente (5) als ferromagnetische Elemente und das Detektorelement (42) als induktiv wirksamer Indikator ausgebildet sind. 5. Detektor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Detektorelement ein Hallgenerator (42) verwendet ist. 6. Detektor nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, dass die Leiterplatte (4) eine Lichtquelle aufweist, die Signalgeberelemente optisch reflektierend und das Detektorelement als fotoelektrischer Wandler ausgebildet sind. 7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf der Leiterplatte (4) eine Lumineszenzdiode (45) als Anzeigeelement für einen fehlerhaften Betriebszustand vorgesehen ist. 8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine zentrale Anzeigeschaltung vorgesehen ist, an der Auswerteschaltungen einer Mehrzahl rotierender Gegenstände hintereinander angeschlossen sind. 9. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die rotierenden Gegenstände als Lüfteraggregate ausgebildet sind, die zum Kühlen elektronischer Bausteine elektrischer Anlagen eingesetzt werden.

Inventors: VOIGT, ULRICH, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1979
Main classification: G01P13
IPC codes: G01P3, G01P13