Berührungslose Drehmomentsensoren: Zeit, dass sich was dreht

Ob in Maschinen und Anlagen oder im Motorsport: Die übertragene Leistung ist eine wichtige Kenngröße, um die Effizienz von Antrieben zu quantifizieren. Welche Bauteile mindern die Leistungsfähigkeit? Welcher Betrieb ist am effektivsten? Berührungslose Drehmomentsensoren auf Basis der Magnetostriktion kommen daher auch überall dort zum Einsatz, wo sich etwas dreht.

Drehmoment und Drehzahl an einer Welle gleichzeitig zu messen, stellt gleich mehrere Herausforderungen dar. Um das Drehmoment zu erfassen, wurden Antriebswellen bisher häufig an einer Messstelle unterbrochen, um einen Sensor einzusetzen. Damit gibt der Anwender aber die Hoheit über die mechanischen Eigenschaften seines Systems zum Teil an den Hersteller des Drehmomentsensors ab. Doch die Anforderungen an die eigentliche Welle und an den Sensor sind häufig grundverschieden. Während der Anwender die Welle auf ihre mechanischen Eigenschaften hin konstruiert, ist der Drehmomentsensor so ausgelegt, dass er ein möglichst gutes Drehmomentsignal erfassen kann. Das führt dazu, dass die eingesetzten Wellen oft überdimensioniert sind.

Doch auch die reine Drehzahl an einer Antriebswelle zu erfassen, kann eine besondere Herausforderung sein. Optische und elektromagnetische Standardverfahren reagieren etwa empfindlich auf Schmutz und Nässe in der Umgebung. Außerdem darf möglichst keine zusätzliche Masse auf die Welle aufgebracht werden, was zu Unwucht führen kann. NCTE löst diese Probleme über berührungslose Drehmomentsensoren auf Basis der Magnetostriktion.

Messung durch einen Luftspalt von mehreren Millimetern

„Mit einem patentierten Verfahren codieren wir die bestehende Welle, zum Beispiel Antriebswellen, so dass die Sensoren berührungslos die mechanischen Kräfte in Echtzeit messen können. Die magnetische Codierung ist langzeitstabil. Ein separater diskreter Primärsensor ist nicht notwendig“, erklärt Verena Graf, Vorstand der NCTE. Damit die Technologie auch dann funktioniert, wenn es Einflüsse von externen Magnetfeldern gibt, werden immer zwei Magnetfelder in gegenläufiger magnetischer Orientierung eingebracht. Das Bauteil selbst wird dabei nicht zum Magneten. Nahe der Welle befinden sich dann hochauflösende Miniatur-Magnetfeldsensoren. „Die erkennen kleinste Magnetfeldänderungen durch einen Luftspalt von mehreren Millimetern komplett berührungslos und somit wartungsfrei“, so Graf weiter.

In der Industrie kommt die magnetische Messtechnik zum Beispiel bei Extrudern und Richtmaschinen zum Einsatz. Extruder müssen in der Kunststoff-, Lebensmittel- oder Pharmazeutika-Herstellung immer produktiver arbeiten. Gleichzeitig soll es keine Abstriche bei der Produktqualität geben. Höhere Produktivität heißt in der Regel höhere Drehmomentdichte, und die wiederum kann das Material über seine Belastungsgrenze bringen. Die NCTE-Sensoren unterstützen dabei, die Extruder so effizient wie möglich zu machen – und teure Reparaturen und Wartungen zu minimieren. Die Sensoren sind zudem sehr einfach für bestehende Anlagen nachzurüsten. Auch bei taumelnden Wellen bietet das berührungslose Messen eine sichere Messmethode.

Zuverlässige Messung bei Drehzahlen über 40.000 U/min

In der Aluminium-Industrie misst die Sensorik die Leistung beispielsweise die Leistung von Richtmaschinen. Diese müssen besonders genau arbeiten, sonst verkanten Bleche oder rutschen durch. Bei sehr schnellen Produktionsprozessen kommt es darauf an, die Maschinen nicht zu überlasten – schlimmstenfalls drohen gebrochene Gelenkwellen und Fertigungsausfälle. Die NCTE-Sensoren trotzen hier stärksten Vibrationen, Biegungen oder anderen herausfordernden Umgebungsbedingungen.

In Prüfständen kommen berührungslose Drehmomentsensoren zum Einsatz, wenn besonders hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit gefragt sind. Zu den bisherigen Projekten in diesem Bereich zählen Prüfstände für Helikopter- und Flugzeuggetriebe mit sehr hohen Umdrehungszahlen bei großen Lastkollektiven, Prüfstände mit einer Messstelle, die im Öl liegt oder deren Welle im Sensorbereich ölumspült ist oder Einsatzgebiete, bei denen Spritzwasser und Schmutz im Sensorbereich unvermeidbar sind.

Auch im Motorsport messen die Sensoren zuverlässig bei Hochdrehzahlen. Das Red Bull KTM MotoGP Factory Racing Team setzt beim Erfassen von Drehmoment und Temperatur im Getriebeausgang auf die Sensorik der NCTE – bei Drehzahlen über 40.000 U/min. „Wir bewegen unsere Motorräder auf der Rennstrecke ständig am Limit. Für uns ist es entscheidend, dass die NCTE-Sensorik unter den extremen Bedingungen zuverlässig arbeitet“, sagt Sebastian Risse, Technischer Direktor bei KTM in der MotoGP. Das Getriebe im Motorrad ist so kompakt, dass für größere Sensorik-Einbauten kein Platz ist. NCTE magnetisiert die Getriebeausgangswelle und der Minisensor sitzt diesmal innerhalb der Welle – eine Besonderheit der berührungslosen Messung, die wiederum zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten schafft, zum Beispiel in der Zukunftsindustrie Robotik.