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Entwicklung und Aufbau einer Differenzgeschwindigkeitssensorik für aktive Lagerungen

Pfeffer, Daniel :
Entwicklung und Aufbau einer Differenzgeschwindigkeitssensorik für aktive Lagerungen.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2011)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein Differenzgeschwindigkeitssensor für ein hybrides aktives Lager mit paralleler Krafteinleitung (HaLpaK) entwickelt. Zur aktiven Tilgung der mechanischen Schwingungen von Verbrennungsmotoren beinhaltet das HaLpaK-System einen Regelkreis, bei dem ein Piezostapelaktor mit Wegübersetzung eine aktive Tilgung der Vibrationen ausführt. Hierfür ist die Messung der Differenzgeschwindigkeit zwischen den beiden Lagerseiten notwendig. Diese ist im Frequenzbereich zwischen 20 und 200 Hz zu erfassen. Sie erreicht dabei Werte zwischen 8,8 und 88 mm/s.

Nachdem aus einem Vergleich von möglichen Messverfahren das elektrodynamische Tauchspulverfahren als beste Lösung für die Messaufgabe hervorgeht, wird auf dieser Basis ein Sensor entwickelt. Hierfür wird zunächst das aus einer Tauchspule und einem Magnetkreis bestehende Sensorelement ausgelegt. Hier kommt ein NdFeB-Magnet mit einer Remanenzflussdichte von 1,2 T zum Einsatz. Auf Basis von analytischen Betrachtungen und numerischen Feldsimulationen werden die für die Sensorempfindlichkeit maßgeblichen Parameter identifiziert und optimiert.

Anschließend wird eine Linearführung für die Relativbewegung zwischen Tauchspule und Magnetkreis entworfen und ein Gehäuse für den Sensor konstruiert. Die Linearführung erfolgt durch zwei Membranfedern, die für diese Anwendung ausgelegt werden. Durch eine Instrumentationsverstärkerschaltung wird der Signalpegel an den geforderten Messbereich angepasst. Zwei Sensoren werden für den Einsatz im HaLpaK-Motorlager angefertigt und charakterisiert. Die Charakterisierung ergibt, dass das Sensorelement eine Wandlungskonstante B*l von 22,1 Tm besitzt. Der Sensor weist eine mittlere Empfindlichkeit von 31,6 V/(m/s) auf. Diese steigt im Messbereich zwischen 20 und 200 Hz um ca. 4,7% an. Diese Steigung kann elektrisch oder nach der Digitalisierung des Signals rechnerisch kompensiert werden. Die mechanische Impedanz des Sensors wird charakterisiert und untersucht. Der Vergleich zwischen Messung und der vorangegangenen FEM-Simulation der mechanischen Impedanz zeigt Unterschiede im kHz-Bereich. Diese werden untersucht und daraus konstruktive Verbesserungsvorschläge abgeleitet.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2011
Autor(en): Pfeffer, Daniel
Titel: Entwicklung und Aufbau einer Differenzgeschwindigkeitssensorik für aktive Lagerungen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein Differenzgeschwindigkeitssensor für ein hybrides aktives Lager mit paralleler Krafteinleitung (HaLpaK) entwickelt. Zur aktiven Tilgung der mechanischen Schwingungen von Verbrennungsmotoren beinhaltet das HaLpaK-System einen Regelkreis, bei dem ein Piezostapelaktor mit Wegübersetzung eine aktive Tilgung der Vibrationen ausführt. Hierfür ist die Messung der Differenzgeschwindigkeit zwischen den beiden Lagerseiten notwendig. Diese ist im Frequenzbereich zwischen 20 und 200 Hz zu erfassen. Sie erreicht dabei Werte zwischen 8,8 und 88 mm/s.

Nachdem aus einem Vergleich von möglichen Messverfahren das elektrodynamische Tauchspulverfahren als beste Lösung für die Messaufgabe hervorgeht, wird auf dieser Basis ein Sensor entwickelt. Hierfür wird zunächst das aus einer Tauchspule und einem Magnetkreis bestehende Sensorelement ausgelegt. Hier kommt ein NdFeB-Magnet mit einer Remanenzflussdichte von 1,2 T zum Einsatz. Auf Basis von analytischen Betrachtungen und numerischen Feldsimulationen werden die für die Sensorempfindlichkeit maßgeblichen Parameter identifiziert und optimiert.

Anschließend wird eine Linearführung für die Relativbewegung zwischen Tauchspule und Magnetkreis entworfen und ein Gehäuse für den Sensor konstruiert. Die Linearführung erfolgt durch zwei Membranfedern, die für diese Anwendung ausgelegt werden. Durch eine Instrumentationsverstärkerschaltung wird der Signalpegel an den geforderten Messbereich angepasst. Zwei Sensoren werden für den Einsatz im HaLpaK-Motorlager angefertigt und charakterisiert. Die Charakterisierung ergibt, dass das Sensorelement eine Wandlungskonstante B*l von 22,1 Tm besitzt. Der Sensor weist eine mittlere Empfindlichkeit von 31,6 V/(m/s) auf. Diese steigt im Messbereich zwischen 20 und 200 Hz um ca. 4,7% an. Diese Steigung kann elektrisch oder nach der Digitalisierung des Signals rechnerisch kompensiert werden. Die mechanische Impedanz des Sensors wird charakterisiert und untersucht. Der Vergleich zwischen Messung und der vorangegangenen FEM-Simulation der mechanischen Impedanz zeigt Unterschiede im kHz-Bereich. Diese werden untersucht und daraus konstruktive Verbesserungsvorschläge abgeleitet.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Geschwindigkeitsmessung, Geschwindigkeitssensor, Impedanzmessplatz mechanisch, Linearführung, Membranfeder, Motorlager aktiv, Sensor elektrodynamisch, Tauchspulsystem
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:23
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1755

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 21-09-2010

Ende Datum: 21-03-2011

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1755
Gutachter / Prüfer: Hatzfeld, Dipl.-Ing. Christian ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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