用于转动轴的转角传感器和带有这种转角传感器的风力发电设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于转动轴的转角传感器和带有这种转角传感器的风力发电设备，该转角传感器具有沿轴外圆周布置的量具，至少一个设计为传感器的探测头和测量值处理单元，测量值处理单元处理已检测的轴的位置数据和/或速度数据的测量值，其中探测头与量具相间隔地布置，并且传感器信号能够在轴转动时探测量具的表面。量具包括具有链元件的滚子链，滚子链的内滚子或内销沿轴定向，其中链力传递地和形状配合地固定在轴外圆周上。从而得到一种耐用、廉价并且同时非常精确的测量系统。
【专利说明】用于转动轴的转角传感器和带有这种转角传感器的风力发 电设备
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种用于转动轴的转角传感器，以及一种借助转角传感器确定和 测量转动轴的转子转速或位置的方法。本实用新型还涉及在风力发电设备中转角传感器的 多种应用。
【背景技术】 [0002]
[0003] 转角传感器是用于转动轴的测量系统，并且例如用于风力发电设备的转子中。其 用于确定这种设备的转子位置和/或转速，其中风力发电设备的转子包括具有垂直坚立的 转子叶片的转子轮毂和转子轴，该转子轴与发电机机械地相连以产生电流。
[0004] 转角传感器具有安置在转动轴上方的探测头并且借助安置在探测头中的（基于 光学、电或磁性工作的）传感器装置检测或测量轴的位置。通过对测量值的评估根据已确 定的传感器信号获得轴当前的位置值。通过时间测量能够根据位置测量结果确定当前转子 转速。这样确定的位置和速度值被传送至设备控制器中，其从中产生用于风力发电设备的 控制和/或调节信号。对于已确定的位置数据要求非常高的测量精度，因为测量误差会导 致设备的错误的控制和调节值。
[0005] 例如在DE29815905U1中公开了一种称为角度测量系统的转角传感器装置。该已 知装置具有在轴的外周上的圆盘形式的量具（Massverkdrpemng)，在轴的外圆周上安置 一种作为量具的标准体，这种标准体根据探测原理满足通常的光电的、磁性的、电感的或电 容的探测头。
[0006] Fa. Baumer 集团公司的产品说明书" Baumer, Sensorama, Innovation and TeChn〇l〇gy"01/2011版描述了一种称为"紧固带-旋转传感器"的装置，其公开了一种设 计为紧固带（Spannband)的量具，其能够被探测头探测。具有磁性的紧固带借助例如是带 子的紧固锁扣在轴上。两个集成在探测头内的传感器检测所述带的磁场并且在处理单元中 产生测量信号，由该信号通过反正切函数（Arc-tang-Funtion)确定轴的位置值。这种探测 可以不间断地越过紧固锁和量具的可能的断开处，而不会丢失信号或脉冲。这种已知的紧 固带编码器能够尤其在较大的轴直径情况下被事后安装，例如通常安置在风力发电设备的 转子轴上。
[0007] 特别是对于在风力发电设备的转子轴上的使用，这种已知的转角传感器具有明显 的缺点。其必须一方面非常抗振，并且必须在极端的环境影响下可靠地工作，例如其在海上 离岸的使用中。但是作为补充，位置确定需要很高的测量精度，用以与已述的测量精度值相 适配。在磁性量具中存在这样的危险，金属的外来物或较强的磁场会损坏尺寸标准带并且 使测量值出错。
[0008] 这种传统的转角传感器仅是在一定条件下能够满足这些要求，因为尤其在恶劣的 风力驱动时从磁化的尺寸标准带中获取测量值必须非常耗费地进行，因此这种转角传感器 非常昂贵。
[0009] 此外，这种测量值的获取由于重新校准、同步性和测量值求解的不足而具有很大 的误差成因。为了在海上区域控制风力发电设备，转角传感器的探测例如通常大约在10至 12Bit。这对应于相对轴直径的大约0. 1至0. 2度的测量精度。 实用新型内容
[0010] 本实用新型所要解决的技术问题在于这样扩展设计一种尤其用于风力发电设备 所述类型的转角传感器，使得其构成一种耐用、廉价并且同时非常精确的测量系统。
[0011] 所述技术问题通过一种用于转动轴的转角传感器解决，其包括：沿轴外圆周布置 的量具，至少一个设计为传感器的探测头和测量值处理单元，其这样处理已检测的测量值， 使得这些测量值能够评估并且能够被处理得到轴的位置数据和/或速度数据，其中探测头 与量具相间隔地布置，并且传感器信号能够在轴转动时探测量具的表面，其中，量具包括具 有链元件的滚子链，滚子链的内滚子或内销沿轴的轴向定向，其中，该链力传递地（例如摩 擦配合地）和形状配合地固定在轴外圆周上。
[0012] 按照本实用新型的具有设计为传感器的探测头的转角传感器使用具有链元件的 滚子链作为量具，其内滚子或内销沿转动轴的轴向定向。在本实用新型范围中的"探测"指 的是测量在链表面和传感器之间的距离。
[0013] 滚子链是耐用的和可大量制造的产品，其尺寸和构造在国内和国际上是标准化 的（例如DIN8187，DIN IS081889等等）。相应地其比特别耗费制造的量具要便宜得多。按 照本实用新型的转角传感器可以简单地与各种轴外圆周相适配，其几乎没有机械磨损，并 且对于在测量带或测量法兰上的量具，不需要耗费地制造的编码部分。实用新型发明人的 试验测量已经证实，借助按照本实用新型的转角传感器确定的位置值和速度值具有相对转 子外圆周的〇. 15度的测量精度。因此其可以满足用于风力发电设备的测量精度的要求。
[0014] 链的内滚子或内销沿轴的轴向定向，并且径向上朝向设计为传感器的探测头，其 中该链力传递（例如摩擦配合地）和形状配合地固定，以用于保护转子轴和防止在转子外 圆周上振动。这种安置在外圆周上的总是相同的链元件可以保证简单地无磨损的测量值采 集。测量值可以被控制器读取，并且可用于其他系统的适用的总线系统或通信系统。在轴转 动时，传感器检测其相对于具有内滚子或内销的链元件的距离，并且由此通过相应的测量 值处理确定轴的位置和速度数据。作为量具的链元件已经具有转子表面的增量部分，其因 此原理上能够由所有普通的传感器记录。其既可以是模拟的也可以是数字处理的传感器。 这种检测的传感器信号可以被输入到相应的数字或模拟的测量值处理单元中，并且在那借 助（后续会描述的）按照本实用新型的测量方法加工用于转动轴（尤其是风力发电设备的 转子轴）的当前位置数据和角度数据。
[0015] 对单个链元件的其它可能的距离（其可能对测量精度产生负面影响）可以有利地 借助"映射关系"(Mapping)的方法来弥补。在该方法步骤中，建立量具（即链）的一种"映 射"(Map)类型，以便能够将其用作用于轴的定位的参考物。该步骤包括记录和保存信号最 小值和信号最大值，由信号的最小值和最大值确定链元件的偏移量（offset)和确定振幅。 接着借助当前测量值校准至少一个参照物（"扫描"）（Scanning)。
[0016] 由于链或单独的链元件的内滚子或内销的始终相同的间距明显有利的是，设有用 于探测的测量系统，提供实际间距。因此可以使用普通的具有模拟/数字输出的接近传感 器，其能够检测整个链宽度。已述的实用新型发明人试验测量结果已经显示，具有相应的封 闭设计的和相应的测量算法的模拟接近传感器可以满足所需的测量精度。由于链元件的构 造形式可以借助内滚子或内销的规则顺序在探测时生成大约正弦形的模拟传感器信号，该 信号以足够的测量精度描述内滚子和内销的被探测表面的距离。这种正弦形信号可以进 而直接被加工而确定轴的位置或角度。
[0017] 在本实用新型另一种有利的实施形式中推荐，使用至少两个具有固定预设间距的 电感的模拟传感器，由此能够附加地提高测量精度。如果第一传感器起作用，则第二传感器 作为冗余（Redundanz)之一，因此转角传感器直到下一次常规的保养日期时仍能保持功能 性。当链闭合结构正好位于两个传感器之一的下方时，通过使用至少一个第二传感器也可 以提供测量值。此外，两个或更多的传感器设计提供了这种可能，实施附加的传感器信号的 可信度检查。若链闭合结构或链连接环节正好位于两个传感器之一的下方时，通过使用第 二传感器也可以提供测量值。
[0018] 为了轴的定位，在测量过程之前，需要在转角传感器的量具上精确地确定所谓的 同步点或零点。第二传感器可以导致对该点更精确的定位。
[0019] 不依赖于传感器的数量，可以有利地在测量处理单元的存储器中借助"映射关系" 校准当前确定的测量值。在运行程序中借助算法进行传感器信号的测量值处理，该传感器 信号在电感探测中实用地作为电压信号，所述算法可根据传感器信号确定转子轴的位置和 速度。
[0020] 为了能够处理传感器的数据，可以有利地使用传统的模拟/数字变流器（A/D变流 器），借助其可以将传感器的模拟测量值转换成数字信号，该信号随后被计算机输入到测量 值处理单元中，在那能够被加工并且与早期保存的测量值作对比和评估。作为计算机和A/ D变流器的备选这也可以借助微型控制器来实现。
[0021] 为了保护轴和为了防滑地固持，用作量具的链必须借助可紧固的链连接环节被固 定在轴外圆周上。为此，在链和轴表面之间安置防滑带作为轴防护、防滑结构和防震结构。 所述带例如可以粘接在轴表面上。该带有利地具有橡胶弹性的属性和粗糙的表面。这种材 料还要是耐气候因素的和具有较长的寿命。
[0022] 两个链端在轴上的连接借助可紧固的链连接环节实现。连接环节的紧固区域应该 尽可能的小，以便不会使得探测值出错。在此，要排除传统的链连接结构或链锁，因为链元 件的相对轴外圆周的数量并非始终是偶数。这种紧固元件有利地包括两个沿轴向延伸的构 造相同的元件，它们分别在一侧借助销与链端部相连。两个端部有利地能够借助螺栓紧固。 这种链连接环节还有利地用作用于定位的同步点，因为这种环节能够被传感器与其它链 环节相区分。
[0023] 所述链需要在轴外圆周上具有一个或必要时多个引导装置，因此其不会侧向位 移。为此推荐，引导装置在其探测面上具有凹槽，链可以在该凹槽内被引导，其中探测面具 有与轴的曲率半径相适配的曲率，用于保证相对链尽可能小的距离。
[0024] 在此有利地推荐，将具有至少一个传感器和测量值记录装置的探测头集成在至少 一个引导装置中。至少一个传感器、探测头和引导装置之一由此都集成在唯一的壳体中。因 此可以有利地保证对链最优的探测。所构成的壳体此外应该被尽可能如此耐用和如此小的 设计，因此测量结果不会额外地被影响。
[0025] 借助按照本实用新型的转角传感器确定和测量转动轴的转子转速以及 位置的方法，有利地通过确定与测量相关的参数来实施。该过程在以下称为"配 置"（Konfiguration)。在该测量过程中将会核查，A/D变流器或微型控制器是否与总线连 接器正确地相连。若是这种情况，则自动地装载配置数据，其主要包括测量系统的校准。这 些数据包括在链紧固装置中同步缝隙的长度和链元件的长度。如果没有出现错误，则开始 检索链的同步点。在上下文中已经指出，这种"搜索过程"不包括最终确定同步点。
[0026] 在所有与测量相关的数据在程序的配置部分中被记录和计算后，则开始按照本实 用新型的"映射关系"，其建立链的参照物。这借助第一传感器、接着借助第二传感器（如果 有）进行。
[0027] 在建立"映射"时，在经过同步点后记录和保存信号电压的每个最小值和每个最大 值。传感器的输出电压取决于材料和传感器之间的距离。因此最大值在每两个相邻的链元 件的内滚子或内销之间的中部产生，因为在该区域中传感器和链之间的距离是较大的。当 链的每一个内滚子或内销被传感器探测时，在链元件的端部出现电压最小值，因为在此传 感器和链之间的距离较小。
[0028] 在同步点出现最大测量值。通过在轴的多次转动中探测链，则确定搜索和 保存最大电压值。接着由所测的电压值形成平均值并且将该平均值用作同步电压 (Sync-Spannung)〇
[0029] 通过最大值与最小值的差的一半可以得出链元件的偏移量（offset)。通过最大 值与偏移量的差可以算出链元件的振幅，进而得到参照值（映射）。每个单独的链元件的振 幅和偏移量可以被保存在特殊的数据结构或区域（Array)中，因此这种映射可以规律地被 刷新。这阻止了测量误差，并且提高了测量系统的精度，因为传感器的输出电压例如严重地 依赖于温度。因此例如在确定的区间（例如在全部的1〇〇转之后）开始新的映射过程。基 于最后一次旋转的数据有利地自动地和持久地刷新映射关系，从而始终可以计算位置。
[0030] "扫描"方法步骤包括首先在每次转动中精确地确定同步点。精确确定同步点是非 常重要的。当该点以确定量移动时，则整体的测量也以相同的量移动。因此整个的测量结 果会出错。为了确定同步点有利地建议全部四个可能的测量方法。
[0031] 作为第一可行性方法，最大出现电压的上升沿或下降波面（Flanke)(包括最小安 全性）作为同步点被触发。这种方法的缺点在于，同步电压可能由于温度改变而减小，因此 同步点不会再被发现。此外，同步电压的波面可能由于测量误差或轴较大的制造公差在错 误的位置被触发。
[0032] 作为另一种可行性方法推荐，借助两个测量值的电压差确定同步点。但是因为轴 的速度不是恒定的，因此这种差值的大小也会根据转动速度而改变。在转子轴较快地转动 时，这种差值（Delta)会非常大，因为单独的测量值会相互差距较大。在较慢的转动中，这 种差值非常小。这种缺点可以有利地避开，通过将始终相同的测量点相互对比（例如所有 1/4链元件）。为此保存较早的测量值，并且通过当前的速度确定同步点，借助较晚的测量 值形成差值。由位置数据确定的速度测量然而以精确的时间测量为前提。
[0033] 作为第三种可行性方法推荐，借助积分确定同步点。在X，y坐标系统中正弦曲线 在整个周期（sin(X)从0到2π)上面积的积分的结果是〇。这也适用于链元件的信号的积 分。但是因为这种测量信号在X，y坐标系统中沿正的Υ方向偏移，由映射得出的偏移量必 须被减去。当传感器经过链连接环节的或同步点的缝隙时，则链元件的积分不等于〇。这种 效果可以因此用作触发点。但是这种实施例仅在恒定转速中能可靠地发挥功能。在轴的速 度改变或完全静止时需要在积分中考虑这种速度改变。
[0034] 作为第四和优选的用于同步点检测的可行性方法推荐，将两个在以确定距离错开 的传感器的测量值相加。通过相加新产生的、叠加的函数是周期性的。当其中一个传感器 经过同步点时，出现明显的峰值，其大约是最大振幅的两倍。这种峰值的正波面可以可靠 地用作触发点。在两个传感器中，两个传感器也会相继经过同步缝隙。因此会前后出现两 个峰值。两个峰值可以用于计算同步点的位置。
[0035] 在确定同步点后，可以通过参照物（映射）的校准借助当前的测量值确定轴的位 置。这有利地首先通过所谓的"全局"（globale)然后通过"局部"（lokale)定位进行。
[0036] 全局定位通过链元件的数量的记录乘以相对轴周长的链元件长度进行。轴周长和 链元件长度是已知的。在轴转动时计数链元件的数量。软件可以借助链元件的数量计算传 感器"粗略的"全局位置。但是这种全局的位置计算仍不能满足所需的测量精度，如其例如 在风力发电设备中用于转角传感器所要求的精度。例如为了达到〇. 15度的测量精度，因此 必须还要实施局部的定位。
[0037] 局部定位根据该方程进行
[0038]
【权利要求】
1. 一种用于转动轴（7)的转角传感器，包括： -沿轴外圆周布置的量具（22)， -至少一个设计为传感器（20)的探测头（19)和 -测量值处理单元（21)， 其中所述探测头（19)与量具（22)相间隔地布置，并且传感器信号能够在所述轴（7) 转动时探测所述量具（22)的表面，其特征在于，所述量具（22)包括具有链元件（24)的滚 子链（23)，该滚子链的内滚子或内销（25)沿所述轴（7)的轴向定向，其中，所述链（23)力 传递地和形状配合地被固定在轴外圆周上。
2. 按照权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，所述内滚子和内销（25)的被探测 的表面在探测过程中具有正弦形的模拟的曲线。
3. 按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，所述传感器（20)包括电感的 模拟的接近传感器。
4. 按照前述权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，所述传感器（20)包括至少两 个以固定间距相互布置的模拟传感器。
5. 按照前述权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，所述测量值处理单元（21)包 括存储器，其中有已保存的测量值，该测量值与当前测出的值能进行对比或者能被对比，其 中所述当前值能与已保存值相适配或者能被适配。
6. 按照前述权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，所述链（23)的端部借助能够 张紧的链连接环节（26)相互连接。
7. 按照前述权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，在所述链（23)和轴表面（27) 之间安置防滑带（28)作为轴防护、防滑结构和防震结构。
8. 按照前述权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，所述链（23)在所述轴外圆周 上具有至少一个引导装置（31)。
9. 按照权利要求8所述的转角传感器，其特征在于，所述至少一个引导装置（31)在其 探测面上具有凹槽（32)，所述链（23)被在该凹槽（32)内导引。
10. 按照权利要求9所述的转角传感器，其特征在于，所述探测面具有与所述轴外圆周 的曲率半径相适配的曲率。
11. 按照前述权利要求8所述的转角传感器，其特征在于，所述引导装置（31)包括探 测头（19)和至少一个传感器（20)。
12. 按照前述权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，所述链（23)具有用于在轴表 面（27)上位置识别的确定的同步点（33)。
13. 按照前述权利要求12所述的转角传感器，其特征在于，所述同步点（33)被安置在 链连接环节（26)中。
14. 一种风力发电设备，具有通过风可以围绕转子轴线旋转的转子（6)，其有转子轮毂 (8)、转子轴（7)和至少一个固定在所述转子轮毂（8)上并由该转子轮毂基本沿横向于转子 轴线延伸的转子叶片（9、10)，所述风力发电设备还具有至少一个发电机（16)，该发电机与 所述转子轴（7)机械地连接并且能够由该转子轴驱动，其特征在于按照前述权利要求1至 13之一所述的转角传感器（18)，用以确定转子转速和转子位置。
【文档编号】G01B21/22GK203869684SQ201320354729
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】F.伯托洛蒂, S.斯邦尼克, T.萨姆贝克 申请人:Ssb风系统两合公司