Eine kontaktlose, induktive Geberlösung, die gedruckte, laminare Wicklungen verwendet, ist so robust ausgelegt, dass sie an beziehungsweise um die Abtriebswelle eines Aktuators montiert werden kann. Diese Geräte arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie kontaktlose Resolver und verlangen - anders als ihre optischen Pendants - keine aufwändige Montage.

In Elektromotor-Getriebe-Anwendungen ist es häufig notwendig, den Ausgangswinkel des Systems beziehungsweise eines Aktuators genau zu kennen. Hier bietet es sich meist an, die Position direkt an der bewegten Last zu messen. Oft gestaltet es sich jedoch schwierig, einen Positionsgeber zu finden, der den teils rauen Umgebungsbedingungen und dem verfügbaren Bauraum entspricht. Vor allem der große Wellendurchmesser der Abtriebswelle bereitet Probleme. Daher wird üblicherweise der Ansatz gewählt, die Winkelstellung oder Geschwindigkeit indirekt zu messen - abgeleitet aus Messungen an anderer Stelle. Dieser Artikel beschreibt den herkömmlichen Ansatz sowie die direkte Winkelmessung an der Last. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, das durch eine neue induktive Sensor-Technologie von Zettlex möglich wird. Den Vertrieb im deutschsprachigen Raum übernimmt Maccon.

Herkömmliche Ansatz zur ­Positionsmessung
Wie wird der Stellwinkel der Ausgangswelle eines Aktuators beziehungsweise eines Elektromotorgetriebesystems gemessen? Üblicherweise wird die kleinere Eingangswelle gewählt, um an dieser Stelle den Lagesensor unterzubringen, wobei der Winkel der Abtriebswelle aus diesem Messsignal abgeleitet wird - unter der Annahme, dass die Leistungsübertragungskette konstant ist. Der Winkel des Antriebs wird somit indirekt ermittelt. Seit vielen Jahren war dies der favorisierte Ansatz bei der Konstruktion von Drehantrieben, Drehtischen, Radarantennen, Überwachungskameras, großen Motoren, medizinischen Scannern und Teleskopen etc.
Von Vorteil bei dieser Lösung ist, dass es zahlreiche Drehgeber für Anwendungen an dieser Stelle gibt, da die Eingangswelle üblicherweise kleiner ist. Nachteil: Die indirekte Winkelmessung ist nicht immer zuverlässig. Zudem gibt es in der Praxis Probleme mit der Annahme, dass der Untersetzungsfaktor konstant ist. Allgemein gilt: Wenn die erforderliche Messgenauigkeit deutlich geringer ist als 1 Grad, wird die indirekte Messung wahrscheinlich nicht zuverlässig funktionieren. Die Probleme liegen hier bei der Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Die Ungenauigkeit resultiert aus der Anzahl der mechanischen Toleranzfaktoren des Aktuatorsystems. Für ein System mit Getriebeuntersetzung können unter anderem folgende Faktoren die Genauigkeit einschränken:

 - Encoder-eigene Messgenauigkeit,
 - Signaltemperaturdrift aufgrund von Temperaturschwankungen,
 - unterschiedliche Wärmeausdehnungen in Zahnrädern, Wellen, ­Lagern, Halterungen usw.,
 - Getriebespiel und -verschleiß,
 - fehlender Rundlauf von Zahnrädern und den Wellen,
 - Wellen- und interne Getriebetorsion, verursacht durch das Lastmoment,
 - Einflüsse von Schock und Vibration,
 - Veränderungen der Schmierungseigenschaften - Menge undViskosität,
 - mechanische Reibung - vor allem die Haftreibung,
 - Wellendurchbiegung,
 - Alterungseffekte bezüglich Montagetoleranzen,
 - Anfälligkeit gegenüber Fremdkörpern, die Langzeit-Betriebssicherheit: Getriebe bestehen aus vielen bewegten Teilen. Die Zuverlässigkeit des mechanischen Systems nimmt mit der Anzahl von Bestandteilen ab.

Jeder dieser Effekte beeinflusst die Genauigkeit und Betriebssicherheit kaum - in Summe hingegen schon. Eine ähnliche Liste kann für Systeme aufgestellt werden, die über Keilriemen, Zahnriemen oder Ketten verbunden sind.

Direkte Winkelmessung am Abtrieb
Wenn die Lage eines Objekts genau zu bestimmen ist, gilt es, unmittelbar in der Nähe des Objektes zu messen. Das Ergebnis ist eine verbesserte Genauigkeit und Messzuverlässigkeit. Warum also wird die direkte Messmethode nicht immer angewandt? Bisher waren die Größe und der Preis von Drehgebern mit großen Bohrungen ausschlaggebend. Weiterhin galten sie als umweltgefährdend und konstruktiv schwer anpassbar.
Optische Encoder mit großem Innendurchmesser gibt es schon seit Jahren, doch sie sind teuer, unhandlich und störanfällig gegenüber Fremdkörpern. Auch Resolver mit großen Bohrungen sind kostenintensiv und benötigen eine komplexe elektrische Versorgung und Signalverarbeitung, wodurch sie für die meisten Anwendungen ungeeignet sind. Eine neue Generation von induktiven Drehgebern soll nun eine einfache, effektive und genaue Winkelmessung bei großen Wellendurchmessern erlauben. Diese Geräte arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie kontaktlose Resolver. Anstatt Drahtspulen oder Wicklungen verwenden sie gedruckte, laminare Wicklungen. Die Erregerfrequenz ist dabei wesentlich höher, was ein niedriges Profil und eine Ringgeometrie, die die Montage um große Wellen erlaubt, ermöglicht. Anders als ihre optischen Pendants verlangen diese Geräte keine aufwändige Montage und die elektrischen Schnittstellen sind einfach. Das Gerät wird mit Gleichstrom versorgt und liefert die Feedback-Signale im SSI-Format. Das Ergebnis ist eine einfach zu installierende, leichte, genaue und zuverlässige Geberlösung.

Vorteile der direkten und induktiven Messtechnologie
Heute gibt es Hohlwellengeber, die genau und absolut messen und robust genug sind, um an der beziehungsweise um die Abtriebswelle eines Aktuators montiert zu werden. Was sind die Vorteile? Erstens: Während optische Sensoren immer noch die erste Wahl des Ingenieurs sind, bieten die hier vorgestellten induktiven Encoder die Möglichkeit einer genauen und absoluten Positionsmessung, die von rauen Umweltgegebenheiten weitgehend unbeeinflusst ist - das heißt durch Fremdstoffe wie Schmutz oder Feuchtigkeit.
Zweitens sind diese Geber bezüglich mechanischen Montagefehlern (axial, radial, Winkel) sehr tolerant. Dies bedeutet, dass zusätzliche Präzisionsgehäuse oder Lagerstellen entfallen können und der Geber direkt an der Mechanik des Host-Systems, zum Beispiel um die Welle des Motors oder Getriebes, montiert werden kann. Oft stellt dies eine wesentliche konstruktive Vereinfachung dar: Größe und Gewicht können reduziert werden, weitere Lager, Wellen, Kupplungen und Dichtungen entfallen. Die großzügige Durchgangsbohrung der Geber erlaubt den problemlosen Durchgang von Wellen sowie von Kabeln, Schläuchen und Röhren etc. Schließlich verursacht die direkte und absolute Positionsmessung am Ausgang des Antriebs gegenüber der Messung am Getriebeeingang mit einem inkrementellen Encoder wenig Kosten.