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Magnetische Winkelsensoren im Maschinenbau

01  Der „SpeedMan Max“ richtet sich speziell an Versender mit hohem Füllvolumen oder großen Stückzahlen. Er fördert Papier mit einer ­Geschwindigkeit von bis zu 3,3 m/s und produziert daraus pro Minute etwa 3 mᶾ Füllvolumen. (Quelle: Sprick)

01  Der „SpeedMan Max“ richtet sich speziell an Versender mit hohem Füllvolumen oder großen Stückzahlen. Er fördert Papier mit einer ­Geschwindigkeit von bis zu 3,3 m/s und produziert daraus pro Minute etwa 3 mᶾ Füllvolumen. (Quelle: Sprick)

02  Für die kontaktlose Winkelerfassung ist an der drehenden Achse ein Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des Magnet­felds und damit die Signalspannung des Sensorelements (Quelle: Novotechnik)

02  Für die kontaktlose Winkelerfassung ist an der drehenden Achse ein Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des Magnet­felds und damit die Signalspannung des Sensorelements (Quelle: Novotechnik)

03   Sensor und Positionsgeber sind als getrennte Komponenten konzipiert. Das erleichtert die Integration in die Anwendung (Quelle: Novotechnik)

03   Sensor und Positionsgeber sind als getrennte Komponenten konzipiert. Das erleichtert die Integration in die Anwendung (Quelle: Novotechnik)

Zu den Messprinzipien, die häufig zur kontaktlosen Winkelerfassung eingesetzt werden, gehören magnetische Verfahren. Sensoren, die den Halleffekt nutzen, liefern absolute Messwerte, arbeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig, sind preisgünstiger als andere Messverfahren und eignen sich für mobile Einsatzfälle (Bild 1) ebenso wie für zahllose Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau, zumal sie sich dank kompakter Abmessungen und großer Schnittstellenvielfalt gut in unterschiedlichste Anwendungen integrieren lassen.

Bei magnetischen Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen, wird ein Hall-Element von einem Strom durchflossen. Wenn nun ein Magnetfeld senkrecht einwirkt, liefert das Hall-Element eine Spannung quer zum Stromfluss. Da diese Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke verläuft, ist eine berührungslose Winkelmessung ohne viel Aufwand zu realisieren: Man bringt einfach einen Magneten auf einer drehbaren Welle an (Bild 2). Durch Kombination mehrerer Sensorelemente und Integration der kompletten Signalverarbeitung in wenigen Bauelementen sind so komplexe Systeme in kleinstem Bauvolumen möglich.
Die Hall-Sensoren arbeiten weitgehend alterungsunempfindlich und unabhängig von Feldstärkeschwankungen der Gebermagnete. Sowohl kontaktlose Systeme mit Welle als auch Systeme ohne mechanische Wellenanbindung ermöglichen die Messung bis zu vollen 360° oder gar über mehrere Umdrehungen. Hohe Auflösungen bei guter Dynamik, große mechanische Toleranzen und schnelle Umsetzung kundenspezifischer Sonderlösungen sind weitere Eigenschaften dieser Technologie.

Schneller Papierspender
Magnetische Winkelsensoren der Baureihe RFC-4800 (Bild 3) von Novotechnik haben sich mittlerweile in vielen Anwendungsfällen bewährt. Der Verpackungsspezialist Papier Sprick beispielsweise setzt die Sensoren in seinem neuen „SpeedMan Max“ ein, einem schnellen Papierspender für Verpackungsmaterial. Die Entwicklung richtet sich speziell an Versender mit hohem Füllvolumen oder großen Stückzahlen, denn Hohlräume von Kartons und Paketen lassen sich damit schnell und umweltfreundlich füllen; Schäden am Transportgut werden so zuverlässig verhindert.
Das zum Patent angemeldete System fördert Papier mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3,3 m/s und produziert daraus pro Minute etwa 3 mᶾ Füllvolumen. „Gefüttert“ wird die Maschine mit Recyclingpapier des gleichen Herstellers. Es ist in platzsparend gefalteten Bahnen von 360 Laufmetern oder 2 200 Laufmetern erhältlich und mit dem blauen Umweltengel zertifiziert. Der Papierspender ist ideal in zentralisierten Verpackungsbereichen oder als End-of-Line-Lösung einsetzbar, um die Geschwindigkeit des Verpackungs- und Füllprozesses zu erhöhen.

Einfache Integration in die Maschine
Damit die Papierzufuhr reibungslos funktioniert, muss die Vorschubgeschwindigkeit geregelt und die Länge des Vorschubs erfasst werden. Diese Aufgabe übernahm früher eine Kombination aus einem an der drehenden Welle befestigten Profilrad und zwei Näherungsschaltern. Das funktionierte gut, hatte jedoch einen entscheidenden Nachteil. Die Montage erwies sich als zu aufwendig: Profilrad und die beiden Näherungsschalter mussten jeweils befestigt und justiert werden, zudem galt es beide Sensoren zu verkabeln. Der magnetische Winkelsensor dagegen lässt sich wesentlich leichter einbauen und konnte die ursprüngliche Lösung nahezu eins zu eins ersetzen, weil die für diese Applikation gewählte Ausführung das Messsignal inkremental als HTL-Signal ausgibt.
Die einfache Montage hängt unmittelbar mit der Funktionsweise zusammen: Für die Winkelerfassung wird an der drehenden Achse in unmittelbarer Nähe zum Antrieb ein positionsgebender Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des Magnetfelds und damit die Signale des etwa 15 mm flachen Sensors. Diese Signal­änderung wird dann noch innerhalb des Sensor-IC in ein drehwinkelproportionales Ausgangssignal umgerechnet und der übergeordneten Steuerung zur Verfügung gestellt. Weil Sensorelement und positionsgebender Magnet konstruktiv voneinander getrennt sind, vereinfacht sich die Montage, denn der Sensor kann mit Luftspalt bis zu 1,4 mm Entfernung zum Positionsgeber platziert werden. Eine Markierung zeigt die richtige Ausrichtung zum Sensor. Dessen Gehäuse besteht aus hochwertigem und temperaturbeständigem Kunststoff. Befestigungslaschen ermöglichen einen einfachen Anbau und eine bequeme mechanische Justierung. Man braucht beim Einbau also keine besonderen Einstellvorrichtungen. Der Sensor ist vergossen und damit verschmutzungsunempfindlich. Für die elektrische Verbindung sind Kabel oder Einzellitzen vorgesehen, die in das Gehäuse eingegossen sind. Da weder Welle noch Lagerung notwendig sind und der Messabstand variabel ist, sind applikations­bedingte Einbautoleranzen unproblematisch.

Breites Anwendungsspektrum in Industrie und mobiler Automation
Diese Vorzüge können die magnetischen Winkelsensoren natürlich auch in vielen anderen Anwendungen ausspielen. Dank unterschiedlicher Mechaniken und Steckerabgängen lassen sie sich einfach in unterschiedliche Anwendungen integrieren. Auch bei den elektrischen Schnittstellen herrscht Vielfalt: von verschiedenen ein- und mehrkanaligen Varianten mit analogen Schnittstellen über SPI, SSI und inkremental bis hin zu CANopen oder IO-Link sind alle gängigen Schnittstellen verfügbar.
Neben industriellen Applikationen erschließt sich ihnen auch im mobilen Bereich ein breites Einsatzfeld. Schließlich verkrafteten sie Schwingungen und Vibrationen bis 20 g (gemäß IEC 60068-2-6) sowie Stöße bis 50 g (6 ms, gemäß IEC 60068-2-27) und erfüllen sämtliche in mobilen Anwendungen geforderten EMV- und EMC-Spezifikationen. Die zulässige Umgebungstemperatur liegt zwischen –40 °C und 125 °C, die Anforderungen der Schutzart IP67 bzw. IP6K9K sind erfüllt. Obendrein arbeiten die Sensoren sehr genau. Sie liefern Messwerte mit einer Auflösung von bis zu 14 bit. Die (unabhängige) Linearität liegt bei ±0,3 %, die Wiederholgenauigkeit bei 0,1°. Die Anwendungsbereiche sind damit breit gefächert, neben Maschinen- und Anlagenbau gibt es auch bei Flurförderzeugen, Bau-, Agrar- und Forstmaschinen sowie in der Medizintechnik zahlreiche Anwendungsbeispiele. Selbst in Wellenkraftwerken verrichten die magnetischen Winkelgeber zuverlässig ihre Dienste. (mh)

Dipl.-Ing. Cengiz Ücler ist Produktmanager bei der Novotechnik Messwertaufnehmer OHG in Ostfildern. uecler@novotechnik.de

Dipl.-Ing. Cengiz Ücler ist Produktmanager bei der Novotechnik Messwertaufnehmer OHG in Ostfildern. uecler@novotechnik.de

Ellen-Christine Reiff ist Fachautorin im Redak­tionsbüro Stutensee. ereiff@rbsonline.de

Ellen-Christine Reiff ist Fachautorin im Redak­tionsbüro Stutensee. ereiff@rbsonline.de