DE10018728A1 - Positionier- und Stellantrieb - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Positionier- und Stellantrieb mit einem in das Gehäuse integrierten quasiabsoluten Winkelmeßsystem beschrieben. Hierzu treibt ein Elektromotor eine Rotorwelle an, welche als Hohlwelle ausgebildet ist und mittels eines Stirngetriebes eine koaxial gelagerte Abtriebswelle antreibt, welche innerhalb der Rotorwelle zur zweiten Motorstirnseite geführt wird. Darüber hinaus weist der Elektromotor an seiner zweiten Stirnseite einen Motorwinkelgeber mit einer an der Motorwelle angebrachten magnetischen Codierung und einen Positionswinkelgeber mit einer an der Abtriebswelle angebrachten Codierung sowie entsprechende Magnetsensoren zur Detektion der jeweiligen Signale auf. DOLLAR A Neben der Motorkommutierung stehen die Positionssignale darüber hinaus für elektromotorische Stell- und Positionieranwendungen zur Verfügung.
Description
Die Erfindung betrifft einen Positionier- und Stellantrieb.
Positionier- und Stellantriebe werden in vielen Bereichen der
Technik eingesetzt, um gegeneinander bewegbare Teile zuzustel
len und gegenseitig zu positionieren. Beispiele für die Anwen
dung solcher Positionier- und Stellantriebe sind insbesondere
Zustellachsen und Formatverstellungen im Bereich von Druck-
und Textilmaschinen, Holzbearbeitungsmaschinen, Verpackungs
maschinen, Bäckereimaschinen, Folien- und Etikettiermaschinen
sowie deren vor- und nachgelagerten Handlingseinrichtungen und
Aufbauten.
Solche Positionier- und Stellantriebe weisen einen Elektromo
tor auf, der vielfach über ein Getriebe eine Abtriebswelle an
treibt, welche den Positionier- und Stellvorgang bewirkt. Mit
der Abtriebswelle ist ein Positionswinkelgeber gekoppelt, der
die Positionsrückmeldung und gegebenenfalls Geschwindigkeits-
und/oder Beschleunigungsrückmeldungen für den Stellvorgang ge
neriert. Werden Gleichstrom-Elektromotoren verwendet, so wird
in der Regel auch ein Motorwinkelgeber eingesetzt, der die Ro
torstellung des Elektromotors für die Kommutierung und Bestro
mung der Motorwicklungen ermittelt. Der Elektromotor, das Ge
triebe und die Winkelgeber machen den Aufbau des Positionier-
und Stellantriebs platzaufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionier-
und Stellantrieb kompakt und platzsparend aufzubauen, um die
Möglichkeiten des Einbaus bzw. Anbaus des Positionier- und
Stellantriebs zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Positio
nier- und Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindungen sind in den Unteran
sprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß sind der Elektromotor, das Getriebe, der Posi
tionswinkelgeber und der Motorwinkelgeber in einem gemeinsamen
Gehäuse integriert, welches auch die Elektronik für die Erfas
sung und Verarbeitung der Signale der Winkelgeber einschließt.
Insbesondere ist die Rotorwelle des Elektromotors als Hohlwel
le ausgebildet, in welcher koaxial die Abtriebswelle gelagert
ist. An einem Stirnende des Elektromotors ist das Getriebe an
geordnet, wobei die Abtriebswelle koaxial durch das Getriebe
hinausgeführt ist und mit dem hinausgeführten Ende angekoppelt
werden kann. Die Antriebswelle führt koaxial durch den Rotor
des Elektromotors und trägt an der dem Getriebe entgegenge
setzten zweiten Stirnseite des Elektromotors den Positions
winkelgeber. Dieser Positionswinkelgeber ist koaxial umschlos
sen von dem an der Rotorwelle angeordneten Motorwinkelgeber.
Die abtastenden Sensoren der beiden Winkelgeber sind auf einer
gemeinsamen Platine angeordnet, die auch die Elektronik für
die Erfassung und Verarbeitung der Signale dieser Sensoren
trägt. Dadurch können die Winkelgeber und die zugeordnete
Elektronik kompakt und platzsparend in dem Gehäuse unterge
bracht werden. Vorzugsweise kann eine weitere Platine parallel
zu der die Sensoren tragenden Platinen in dem Gehäuse inte
griert sein, die die Regelungs- und Leistungselektronik für
die Motorbestromung trägt. Da beide Platinen parallel zur
Stirnfläche des Elektromotors, das heißt senkrecht zur Achse
von Rotorwelle und Abtriebswelle angeordnet sind, vergrößern
diese Platinen die Bauabmessungen des Gehäuses wenig.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Winkelgeber magneti
sche Winkelgeber, die einen geringen Platzbedarf für die an
die jeweilige Welle gekoppelten Einheiten und für die zugeord
neten Sensoren und deren Elektronik benötigen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die ein
zige Figur zeigt einen Positionier- und Stellantrieb im Axial
schnitt.
Der Positionier- und Stellantrieb weist einen Gleichstrom-
Elektromotor auf. Als Drei-Phasen-Motor ist der Elektromotor
mit drei Spulenwicklungen 10 ausgebildet. Der magnetische
Rückschluss der Spulenwicklungen 10 wird durch ein Joch 12 und
ein koaxial in die Spulenwicklungen 10 und das Joch 12 einge
setztes Polrohr 14 bewirkt. Koaxial in dem Polrohr 14 ist ein
permanentmagnetischer Rotor 16 angeordnet, der auf einer Ro
torwelle 18 sitzt. Die Rotorwelle 18 ist als Hohlwelle ausge
bildet und mittels Wälzlagern 20 in einem Gehäuse gelagert.
In der Rotorwelle 18 ist eine Abtriebswelle 22 koaxial ange
ordnet und drehbar gelagert. Zur drehbaren Lagerung ist die
Abtriebswelle 22 einerseits mittels eines Wälzlagers 24 in dem
Gehäuse und andererseits mittels eines Wälzlagers 26 in der
Rotorwelle 18 gelagert. Die Rotorwelle 18 ragt an einer ersten
Stirnseite, in der Zeichnung an der linken Stirnseite, über
den Elektromotor axial hinaus. Die Abtriebswelle 22 ragt ih
rerseits an dieser Stirnseite axial aus der Rotorwelle 18 he
raus. Die Rotorwelle 18 ist antriebsmäßig mit der Abtriebswel
le 22 über ein Getriebe 28 verbunden, welches vorzugsweise als
Untersetzungsgetriebe ausgebildet ist. Das Getriebe 28 ist als
stirnverzahntes Zahnradgetriebe ausgebildet, dessen Zahnräder
in dem Gehäuse gelagert sind. Das Getriebe 28 ist einerseits
mit einer Umfangsstirnverzahnung des aus dem Elektromotor he
rausragenden Endes der Rotorwelle 18 in Eingriff und anderer
seits mit einer Umfangsstirnverzahnung des aus der Rotorwelle
18 herausragenden Bereichs der Abtriebswelle 22.
An der dem Getriebe 28 entgegengesetzten zweiten Stirnseite,
das heißt an der in der Zeichnung rechten Stirnseite, ragt die
Rotorwelle 18 mit einem kurzen Wellenstummel aus dem Rotor 16
heraus. Auf diesem Stummel der Rotorwelle 18 ist ein Ringmagnet
30 aufgepresst, der eine in Umfangsrichtung periodische
Permanentmagnetteilung aufweist. Der Ringmagnet 30 wird durch
Hall-Sensoren 32 abgetastet, die mit geringem radialem Abstand
von dem Außenumfang des Ringmagneten 30 angeordnet sind. Die
Hall-Sensoren 32 sitzen auf einer ersten Platine 34, die senk
recht zu der Achse der Rotorwelle 18 in einem geringen axialen
Abstand von dem Ende der Rotorwelle 18 in dem Gehäuse ange
bracht ist.
An der in der Zeichnung rechten zweiten Stirnseite endet die
Abtriebswelle 22 mit einem geringen axialen Abstand innerhalb
der Rotorwelle 18 vor deren axialem Ende. An dem stirnseitigen
Ende der Abtriebswelle 22 ist ein Positionsmagnet 36 ange
bracht, der von einem axial vor diesem Positionsmagneten 36
angeordneten magnetoresistiven Sensor 38 abgetastet wird. Die
ser MR-Sensor 38 ist ebenfalls auf der ersten Platine 34 ange
bracht. Der Positionsmagnet 36 ist in radialer Richtung von
einer Abschirmhülse 40 umschlossen, die eine magnetisch ab
schirmende Trennung bewirkt zwischen den magnetischen Mess
systemen einerseits des Ringmagneten 30 und der Hall-Sensoren
32 und andererseits des Positionsmagneten 36 und des MR-Sen
sors 38.
Das magnetische Messsystem des Ringmagneten 30 und der Hall-
Sensoren 32 bestimmt die Winkelstellung der Rotorwelle 18 und
damit des Rotors 16 und liefert die Daten zur Kommutierung und
Bestromung der Spulenwicklungen 10 des Gleichstrom-Elektromo
tors.
Der Positionsmagnet 36 und der MR-Sensor 38 liefern je nach
Ausbildung des Positionsmagneten 36 und des MR-Sensors 30 si
nusförmige Signale mit ein oder mehreren Sinus-Perioden pro
Umdrehung der Abtriebswelle 22. Diese sinusförmigen Signale
werden interpoliert, um die absolute Winkelposition der Ab
triebswelle 22 zu bestimmen. Die von dem Positionsmagneten 36
und dem MR-Sensor 38 generierten absoluten Positionssignale
werden digitalisiert und können zusätzlich addiert und gespeichert
werden, so dass die Winkelposition der Abtriebswelle 22
und eines von der Abtriebswelle 22 angetriebenen Stellgliedes
auch über mehrere Umdrehungen der Abtriebswelle 22 ermittelt
werden kann. Es ergibt sich somit ein Multiturn-Absolutgeber
für die Position der Abtriebswelle 22.
Die erste Platine 34 trägt außer den Hall-Sensoren 32 und dem
MR-Sensor 38 auch die Elektronik für die Erfassung und Ver
arbeitung der von diesen Sensoren gelieferten Signale und Da
ten. Weiter ist eine zweite Platine 42 parallel und axial be
abstandet zu der ersten Platine 34 in dem Gehäuse angeordnet,
die die Regelungselektronik und die Leistungselektronik für
den Elektromotor trägt.
Der Elektromotor mit den Spulenwicklungen 10 und dem Rotor 16,
das Getriebe 28, die magnetischen Messsysteme 30, 32 und 36,
38 sowie die erste Platine 34 und die zweite Platine 42 sind
komplett in dem Gehäuse gekapselt und eingeschlossen. Hierzu
besteht das Gehäuse aus einem Gehäuserohr 44, welches vorzugs
weise als Aluminium-Strangpressorofil ausgebildet und herge
stellt ist. Dieses Gehäuserohr 44 nimmt den Elektromotor mit
den Spulenwicklungen 10 auf. An der in der Zeichnung linken
ersten Stirnseite schließt sich an das Gehäuserohr 44 ein Ge
häuseblock 46 an, der vorzugsweise aus Sinterstahl gebildet
und hergestellt ist. Der Gehäuseblock 46 ist in das Gehäuse
rohr 44 eingepasst und weist einen mit dem Gehäuserohr 44 im
Wesentlichen übereinstimmenden Außenumfang auf. Der Gehäuse
block 46 hat die Form eines Topfes, dessen dem Gehäuserohr 44
zugewandter Boden einen nach innen gerichteten Flansch bildet,
in welchen das linke Wälzlager 20 der Rotorwelle 18 eingesetzt
ist. Der Topfinnenraum des Gehäuseblockes 46 nimmt das Getrie
be 28 auf. An seiner von dem Gehäuserohr 44 abgewandten offe
nen Stirnseite, das heißt in der Zeichnung an der linken
Stirnseite wird der Gehäuseblock 46 durch einen eingepassten
ersten Deckel 48 verschlossen. Der Deckel 48 weist einen mit
tigen Durchbruch auf, durch welchen die Abtriebswelle 22
stirnseitig aus dem Gehäuse herausragt. Mit diesem herausragenden
Ende kann die Abtriebswelle 22 an ein Positionier- und
Stellglied angekuppelt werden. Der Deckel 48 nimmt das Wälzla
ger 24 für die Drehlagerung der Abtriebswelle 22 auf.
An der entgegengesetzten zweiten Stirnseite ragt das Gehäuse
rohr 44 über die Spulenwicklungen 10 axial hinaus und bildet
einen Aufnahmeraum, in welchem die magnetischen Messeinrich
tungen und die Platinen 34 und 42 mit der zugehörigen Elek
tronik aufgenommen sind. An dieser rechten Stirnseite wird das
Gehäuserohr 44 durch einen eingesetzten zweiten Deckel 50 ver
schlossen. Außen an dem Gehäuserohr 44 ist ein Kabelanschluss
52 angebracht, durch welchen die Versorgungsleitungen und Da
tenleitungen in das Gehäuse geführt werden.
10
Spulenwicklungen
12
Joch
14
Polrohr
16
Rotor
18
Rotorwelle
20
Wälzlager
22
Abtriebswelle
24
Wälzlager
26
Wälzlager
28
Getriebe
30
Ringmagnet
32
Hall-Sensoren
34
1. Platine
36
Positionsmagnet
38
magnetoresitiver Sensor
40
Abschirmhülse
42
2. Platine
44
Gehäuserohr
46
Gehäuseblock
48
1. Deckel
50
2. Deckel
52
Kabelanschluss
Claims (9)
1. Positionier- und Stellantrieb, mit einem
Elektromotor, der einen Stator (10) und einen koaxial in
dem Stator (10) drehbar gelagerten Rotor (16) aufweist,
mit einer Rotorwelle (18) des Rotors (16), die als Hohl
welle ausgebildet ist, mit einer koaxial in der Rotor
welle (18) drehbar gelagerten Abtriebswelle (22), mit
einem an einer ersten Stirnseite des Elektromotors ange
ordneten Getriebe (28), welches die Rotorwelle (18) mit
der Abtriebswelle (22) antriebsmäßig verbindet, wobei
die Abtriebswelle (22) an dieser ersten Stirnseite aus
der Rotorwelle (18) und dem Getriebe (28) axial heraus
geführt ist, mit einem Positionswinkelgeber (36, 38) und
einem Motorwinkelgeber (30, 32), die an der entgegenge
setzten zweiten Stirnseite des Elektromotors angeordnet
sind, wobei der Positionswinkelgeber eine an der Ab
triebswelle (22) angebrachte Positionswinkeleinheit (36)
und einen feststehenden Positionswinkelsensor (38) auf
weist und wobei der Motorwinkelgeber eine an der Rotor
welle (18) angebrachte Motorwinkeleinheit (30) und einen
feststehenden Motorwinkelsensor (32) aufweist, mit einer
Elektronik zur Erfassung und Verarbeitung der Signale
des Positionswinkelgebers (36, 38) und des Motorwinkel
gebers (30, 32) und mit einem Gehäuse (44, 46, 48, 50),
welches den Elektromotor (10, 16), das Getriebe (28),
den Positionswinkelgeber (25, 38), den Motorwinkelgeber
(30, 32) und die Elektronik umschließt und an dessen
Stirnseite (48) die Abtriebswelle (22) herausgeführt
ist.
2. Positionier- und Stellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Positionswinkelgeber einen an dem stirnseitigen Ende der
Abtriebswelle (22) angebrachten Positionsmagneten (36)
und einen auf einer Platine (34) angeordneten magnetore
sistiven Sensor (38) aufweist.
3. Positionier- und Stellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Motorwinkelgeber einen an dem stirnseitigen Ende der Ro
torwelle (18) angebrachten Ringmagneten (30) und wenig
stens einen auf einer Platine (34) angeordneten Hall-
Sensor (32) aufweist.
4. Positionier- und Stellantrieb nach den Ansprüchen 2 und
3,
dadurch gekennzeichnet, dass der
magnetoresistive Sensor (38) und der wenigstens eine
Hall-Sensor (32) auf einer gemeinsamen Platine (34) an
geordnet sind, die auch die Elektronik für die Erfassung
und Verarbeitung der von diesen Sensoren gelieferten
Signale trägt.
5. Positionier- und Stellantrieb nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das
Getriebe (28) ein stirnverzahntes Zahnradgetriebe ist,
welches einerseits in eine Umfangsstirnverzahnung eines
aus dem Rotor (16) herausragenden Endabschnittes der Ro
torwelle (18) eingreift und andererseits in eine Um
fangsstirnverzahnung eines aus der Rotorwelle (18) her
ausragenden Abschnittes der Abtriebswelle (22).
6. Positionier- und Stellantrieb nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das
Gehäuse aus einem Gehäuserohr (44), einem Gehäuseblock
(46) und das Gehäuse an den beiden Stirnseiten abschlie
ßenden Deckeln (48, 50) aufgebaut ist, wobei das
Gehäuserohr (44) den Elektromotor (10, 16), den Posi
tionswinkelgeber (36, 38), den Motorwinkelgeber (30, 32)
und die zugehörige Elektronik aufnimmt, während der Ge
häuseblock (46) das Getriebe (28) aufnimmt.
7. Positionier- und Stellantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Gehäuseblock (46) topfförmig ausgebildet ist, mit seiner
Bodenseite an das Gehäuserohr (44) anschließt und an
seiner offenen Stirnseite durch den ersten Deckel (48)
verschlossen ist.
8. Positionier- und Stellantrieb nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das
Gehäuserohr (44) an der von dem Getriebe (28) abgewand
ten Stirnseite über den Elektromotor (10, 16) axial hin
ausragt und einen durch den zweiten Deckel (50) ver
schlossenen Aufnahmeraum für eine oder mehrere Platinen
(34, 42) bildet, die die Sensoren (32, 38) des Positi
onswinkelgebers und des Motorwinkelgebers tragen sowie
die Elektronik für die Erfassung und die Verarbeitung
der Daten dieser Sensoren und für die Regelung und Be
stromung des Elektromotors (10).
9. Positionier- und Stellantrieb nach den Ansprüchen 2 und
3,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Ringmagnet (30) den Positionsmagneten (36) koaxial
umschließt.
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