Magnetoresistive Sensoren zur Zustandsüberwachung von Maschinenelementen

Der Wettbewerb in der Investitionsgüterindustrie wird derzeit durch viele Faktoren beeinflusst, u. a. durch die Globalisierung, Industrie 4.0 und zunehmenden Preisdruck. Maschinenbauer müssen sich differenzieren, z. B. indem sie individuelle Pakete schaffen, bestehend aus technischen Produkten und Lebenszyklus-orientierten Services, sogenannte Produkt-Service-Systeme (PSS). Es gibt einen zunehmenden Bedarf an Verfügbarkeits-orientierten Produkt-Service-Systemen, bei denen der Maschinenbauer die Verfügbarkeit der Anlage oder des Produktes garantiert und damit einen Teil des Herstellungsrisikos des Kunden übernimmt. PSS können durch verschiedene Geschäftsmodelle angeboten werden. Allerdings sind viele Maschinenbauer weiterhin zurückhaltend, Garantien bezüglich der Maschinenverfügbarkeit anzubieten aufgrund von fehlender Transparenz in Bezug auf den Maschinenzustand. Dies wiederum behindert zustandsbasierte Wartung und macht Vorhersagen bezüglich der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer der Komponente schwierig oder ungenau. Intelligente Sensoren, die den Zustand kritischer Maschinenkomponenten präzise überwachen, stellen daher eine entscheidende „enabling“ Technologie für zukünftige Verfügbarkeits-orientierte PPS dar.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Erfassung von Informationen über den Zustand von Maschinen bzw. Maschinenelementen – wie Wälz- oder Gleitlager, Zahnräder, Führungen etc. Ein klassischer Ansatz benutzt Schwingungen und ein verwandtes Verfahren erfasst Akustik. Es werden auch oft Temperatur oder Verschleiß in Form von Abrieb erfasst. An Bedeutung gewinnen zunehmend die Erfassung von „Instantaneous Angular Speed“ (momentane Winkelgeschwindigkeit) als auch „Motor Current Signature Analysis“ (Motorstrom-Signatur-Analyse). Die eingesetzte Sensorik muss nicht nur klein, präzise und robust sein, sondern auch über eine hohe Bandbreite und niedrigen Leistungsbedarf verfügen. Bevorzugt sollen vorhandene Sensoren bzw. Messstellen für diese zusätzliche Funktionalität genutzt werden, um zusätzliche Sensoren zu vermeiden. Magnetoresistive Sensoren erfüllen diese komplexen Anforderungen in einem hohen Maß. Die Messung der momentanen Winkelgeschwindigkeit ist für die Zustandsüberwachung von großer Bedeutung. Die Drehung einer Maschinenwelle ist ein Ergebnis des Gesamtbetriebs der Maschine und trägt damit Informationen über alle mechanischen und elektromagnetischen Prozesse, die zur Drehung beitragen. Jeder Fehler, Ausfall oder Defekt hat theoretisch eine Auswirkung auf die Momentandrehzahl. Die Messung wird typischerweise mit einem inkrementalen Drehgeber in Kombination mit einer Zählerkarte durchgeführt, um die Zeit zu messen, die zwischen der steigenden Flanke des Gebersignals verstrichen ist. Die Winkelinformation wird direkt erfasst. Encoder, die auf dem MR-Effekt basieren, weisen eine hohe Auflösung, eine hohe Winkelgenauigkeit und eine hohe Bandbreite für schnell rotierende Wellen auf. Dieses Verfahren bewährt sich erfolgreich bei der Identifizierung von Getriebe- und Lagerfehlern sowie von Defekten an Elektromotoren.

Für gültige Ergebnisse ist es wichtig, dass der Encoder einen geringen Signaljitter liefert, da dies sonst den Messwert verfälscht und zu einem hohen Rauschpegel im berechneten Drehzahlwert. Basierend auf den Erfahrungen aus dem vom BMBF geförderten F&E-Projekt InnoServPro (2015 – 2018) wurde ein Zahnsensor mit außergewöhnlich niedrigem Signaljitter speziell für die Messung der momentanen Winkelgeschwindigkeit und die damit verbundene Torsionsschwingungsanalyse von schnell drehenden Getrieben (bis 30.000 U/min) entwickelt.