DE102004059181A1 - Maschine mit integriertem Drehgeber - Google Patents
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Abstract
Die Maschine (1) umfasst eine mittels mindestens eines Lagerschilds (5) gelagerte Welle (2) und einen Drehgeber (7). Der Drehgeber (7) enthält ein mit der Welle (2) mitrotierendes Geberelement (8) und ein mit dem Geberelement (8) zusammenwirkendes Sensorelement (9). Das Geberelement (8) ist an einem dem Lageschild (5) zugewandten Endbereich (3) der Welle (2) angeordnet und das Sensorelement (9) ist in eine ohnehin vorhandene Komponente (5) der Maschine (1) integriert.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einer mittels mindestens eines Lagerschilds gelagerten Welle und mit einem Drehgeber.
- Eine derartige Maschine kann beispielsweise als elektrodynamische Maschine, insbesondere als elektrischer Generator oder als elektromechanische Antriebsmaschine, also als Elektromotor, vorliegen. Hierbei sind sämtliche bekannte Ausführungsformen, wie die einer Synchronmaschine, einer Asynchronmaschine, einer Gleichstrommaschine oder auch einer Reluktanzmaschine, möglich. Darüber hinaus ist der Anwendungsbereich nicht auf elektrische Maschinen beschränkt. Grundsätzlich kann es sich bei der Maschine auch um eine Verbrennungsmaschine mit einer Welle, deren Drehzahl und/oder Drehposition erfasst werden soll, handeln.
- Bei bekannten Ausführungsformen ist der Drehgeber als gesondertes Anbaumodul axial mit der Maschine verbunden. Die Ankopplung erfolgt mittels Einschrauben einer Geberwelle in die (Haupt-)Welle der Maschine oder mittels einer hohen Welle. Die bekannten als Anbaumodul ausgeführten Drehgeber enthalten im Wesentlichen ein gesondertes Gehäuse, die Geberwelle, ein Kugellager sowie eine Platine mit einem darauf angebrachten Sensorelement. Aufgrund dieser vielen Einzelkomponenten sind die bekannten Drehgeber relativ teuer. Außerdem benötigen sie insbesondere in axialer Richtung relativ viel Platz.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei der der Drehgeber einen geringeren Platzbedarf aufweist.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der eingangs bezeichneten Maschine handelt es sich um eine solche, bei der
- a) der Drehgeber ein mit der Welle mitrotierendes Geberelement und ein mit dem Geberelement zusammenwirkendes Sensorelement umfasst,
- b) das Geberelement an einem dem Lagerschild zugewandten Endbereich der Welle angeordnet ist, und
- c) das Sensorelement in eine ohnehin vorhandene Komponente der Maschine integriert ist.
- Die erfindungsgemäße Maschine zeichnet sich aufgrund der Integration des Drehgebers in die ohnehin vorhandenen Komponenten der Maschine durch einen sehr geringen Platzbedarf aus. Deshalb können die Außenabmessungen der Maschine auch bei einem Einbau des Drehgebers praktisch unverändert beibehalten werden. Die beiden Hauptkomponenten des Drehgebers, nämlich das Geberelement und das Sensorelement, lassen sich ohne wesentlichen eigenen Platzbedarf in die Maschine einfügen. Der Aufbau ist einfach und kompakt, ohne eine aufwendige Justage zu benötigen, so dass sich eine preiswerte Gesamtlösung ergibt. Es resultiert eine Maschine, die die Option zur Erfassung der Drehzahl und/oder Drehposition bei gleichzeitig gegebenen geringen räumlichen Abmessungen aufweist. Dadurch wird den Trends zur Zustandsüberwachung und zur Miniaturisierung gleichermaßen Rechnung getragen.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
- Besonders platzsparend ist eine Variante, bei der das Sensorelement in das Lagerschild integriert ist.
- Sehr einfach und ebenfalls platzsparend erfolgt eine Integration des Sensorelements in das Lagerschild mittels Einklebens. Vorzugsweise ist das Sensorelement dabei auf einer Pla tine angeordnet, die in das Lagerschild eingeklebt wird. Alternativ ist auch ein bloßes Einstecken oder eine Schraubverbindung möglich.
- Gemäß einer anderen Variante ist das Sensorelement in eine Umrichtereinheit integriert, die im Anschluss an den Endbereich der Welle, also in axialer Richtung hinter der Welle, angeordnet ist. Das Sensorelement an sich hat nur eine sehr geringe Baugröße, so dass es sich ohne Probleme in die ohnehin vorhandene Umrichtereinheit einbeziehen lässt.
- Vorzugsweise hat das Lagerschild eine Öffnung, durch die der Endbereich der Welle zumindest teilweise geführt ist. Insbesondere ist das in diesem Endbereich angeordnete Geberelement gerade an diesem durch die Öffnung des Lagerschilds hindurch reichenden Teil der Welle angeordnet, so dass eine gute Kopplung zu dem Sensorelement, das sich in axialer Richtung hinter dem Lagerschild befindet, gegeben ist.
- Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Geberelement und das Sensorelement mechanisch voneinander entkoppelt sind. Insbesondere kann die Wirkverbindung zwischen dem Geberelement und dem Sensorelement berührungslos ausgebildet sein. Dadurch ergeben sich keine oder nur vernachlässigbar geringe mechanische Belastungen, die anderenfalls aufwändige Gegenmaßnahmen bedingen würden. Ein Beispiel für eine derartige vorteilhafte mechanisch entkoppelte Wirkverbindung liegt vor, wenn der Drehgeber nach dem Hall-Prinzip funktioniert. Das Sensorelement kann dann einen Hall-Sensor oder auch mehrere Hall-Sensoren umfassen.
- Günstig ist es weiterhin, wenn das Lagerschild und damit insbesondere auch der Drehgeber auf einer Betriebesseite der Maschine angeordnet sind. Auf der Betriebsseite verlaufen üblicherweise Anschlussleitungen der Maschine, so dass die für den Drehgeber benötigen Zu-/Ableitungen in diesem Bereich problemlos mit vorgesehen werden können.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen betreffen das Geberelement und seine Anbringung an der Welle. Wenn das Geberelement mindestens zwei entgegengesetzt magnetisierte Magnetelemente enthält, liefert der Drehgeber ein vorteilhaftes impulsförmiges oder rechteckförmiges Ausgangssignal. Letzteres eignet sich insbesondere ohne aufwändige Zwischenverarbeitungsschritte direkt für eine elektronische oder digitale Weiterverarbeitung.
- Vorzugsweise ist das Geberelement in einer insbesondere zentralen Aussparung, die in der Stirnfläche des Endbereichs der Welle vorgesehen ist, angeordnet. Alternativ oder ergänzend kann das Geberelement ringförmig ausgebildet sein und in Umfangsrichtung um die Welle herum angeordnet. Hierfür kann die Welle im Endbereich einen Abschnitt mit einem reduzierten Durchmesser aufweisen. Bei beiden Varianten fügt sich das Geberelement so in die Welle ein, dass es praktisch nicht oder nur vernachlässigbar über die Außenkontur der Welle hinausragt. Es ergibt sich also jeweils eine sehr platzsparende Lösung, wobei gleichzeitig eine gute Kopplung zu dem Sensorelement erhalten bleibt.
- Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem im Lagerschild integrierten Drehsensorelement in einer ausschnittsweisen Längsschnittdarstellung, -
2 die elektrische Maschine gemäß1 in einer kompletten Längsschnittdarstellung, -
3 das an der Welle der elektrischen Maschine gemäß1 angebrachte Geberelement, -
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem im Lagerschild integrierten Drehsensorelement in einer Längsschnittdarstellung, -
5 das an der Welle der elektrischen Maschine gemäß4 angebrachte Geberelement und -
6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem in einer hinter dem Lagerschild angeordneten Einheit integrierten Drehsensorelement in einer Längsschnittdarstellung. - Einander entsprechende Teile sind in den
1 bis6 mit denselben Bezugszeichen versehen. - In
1 und2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine1 mit einer Welle2 , die in ihrem einen Endbereich3 mittels eines Drehlagers4 in einem Lagerschild 5 um eine Drehachse6 drehbar gelagert ist, dargestellt. Die2 enthält eine Schnittansicht der kompletten elektrischen Maschine1 , wohingegen in1 der in2 mit dem Kreis markierte Ausschnitt in vergrößerter Darstellung wiedergegeben ist. Bei dem Lagerschild5 handelt es sich um dasjenige, das auf der Betriebsseite der elektrischen Maschine1 vorgesehen ist. Die Betriebsseite dient zur Zu- und Abführung von elektrischen und anderen Anschlüssen der elektrischen Maschine1 . - Die elektrische Maschine
1 enthält einen integrierten Drehgeber7 , der auf dem Hall-Prinzip basiert und als Hauptkomponenten ein Geberelement8 und ein Sensorelement9 aufweist. Das Geberelement8 ist in einer Aussparung10 angeordnet, die sich an einer Stirnseite11 der Welle2 befindet. Das Sensorelement9 ist ohne mechanische Kopplung zum Geberelement8 am Lagerschild5 befestigt. Es ist auf einer Platine12 angeordnet, die an einer der Stirnseite11 zugewandten Innenfläche13 des Lagerschilds5 angeklebt ist. Sowohl das Geberelement8 als auch das Sensorelement9 sind konzentrisch zur Drehachse6 der Welle2 angeordnet. Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, dass das Geberelement8 oder das Sensorelement9 eine kreisrunde Querschnittsfläche aufweist. - Die Kopplung zwischen dem Geberelement
8 und dem Sensorelement9 erfolgt dem Hall-Sensor-Prinzip entsprechend berührungslos, wodurch unerwünschte mechanische Belastungen von vornherein vermieden werden. Das Sensorelement9 enthält einen nicht näher dargestellten Hall-Sensor. - Das Geberelement
8 ist in3 in Draufsicht gezeigt. Es enthält beim ersten Ausführungsbeispiel zwei als Dauermagnete ausgebildete Magnetelemente14 und15 , deren entgegengesetzter Magnetisierungszustand durch die Symbole "N" und "S" angedeutet sind. Grundsätzlich ist auch eine feinere Segmentierung des Geberelements8 möglich. - Der Drehgeber
7 ist in an sich bekannter Art und Weise ausgeführt, die beispielsweise in dem Datenblatt "AS5040 10 BIT PROGRAMMABLE MAGNETIC ROTARY ENCODER" der Firma austriamicrosystems beschrieben ist. Ein derartiger nach dem Hall-Prinzip arbeitender Drehgeber liefert ein rechteckförmiges oder impulsförmiges Ausgangssignal, das sich besonders leicht elektronisch oder digital weiterverarbeiten lässt. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer nicht näher gezeigten Auswerte- und Steuereinheit der elektrischen Maschine1 erfolgen. - Insgesamt resultiert aufgrund der Integration des Geberelements
8 in die Welle2 und des Sensorelements9 in das Lagerschild5 ein sehr platzsparender Aufbau, bei dem die Außenabmessungen der elektrischen Maschine1 verglichen mit einer Maschine ohne Drehgeber praktisch unverändert bleiben. - In
4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine16 mit einem ebenfalls integrierten Drehgeber17 dargestellt. Gezeigt ist ein Ausschnitt entsprechend dem von1 für die elektrische Maschine1 . Auch der Drehgeber17 funktioniert nach dem Hall-Prinzip. Er enthält ein ringförmiges Geberelement18 und ein außerhalb der Drehachse6 platziertes Sensorelement19 , das bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere nicht näher dargestellte Hall-Sensoren umfasst und wiederum mittels der Platine12 an die Innenfläche13 des Lagerschilds5 angeklebt ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist das Geberelement18 nicht in einer Aussparung10 an der Stirnseite11 angeordnet. Vielmehr verläuft es in Umfangsrichtung um die Drehachse6 in einem Abschnitt20 der Welle2 , der einen reduzierten Durchmesser aufweist. Dieser Abschnitt20 grenzt beim Ausführungsbeispiel direkt an die Stirnseite11 der Welle2 an. Dadurch ist eine sehr gute magnetische Kopplung zwischen dem Geberelement18 und dem Sensorelement19 gewährleistet. - In
5 ist eine Draufsicht auf das ringförmige Geberelement18 gezeigt. Es setzt sich aus mehreren, als Dauermagnete ausgebildete Magnetelementen21 und22 zusammen, die jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind und in Umfangsrichtung mit abwechselnder Magnetpolarisierung nebeneinander angeordnet sind. Entsprechend liefert auch der Drehgeber17 ein rechteckförmiges oder impulsförmiges Ausgangssignal, das sich sehr gut zur Weiterverarbeitung eignet. - Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß
1 und3 haben jeweils ein geschlossenes Lagerschild5 , so dass eine Wellenabdichtung entfallen kann. Trotzdem sind auf der dem Innenraum abgewandten Seite des Lagerschilds5 ggf. vorhandene Komponenten, wie beispielsweise eine Umrichtereinheit, gegenüber dem Innenraum abgedichtet. Im Innenraum sind u.a. der Rotor und der Stator der elektrischen Maschinen1 bzw.16 angeordnet. - Weiterhin ist bei beiden Ausführungsbeispielen keine aufwändige Justage bei der Montage der jeweiligen Drehgeber
7 bzw.17 erforderlich. Das Sensorelement9 bzw.19 kann mit verhältnismäßig großen Montagetoleranzen in Relation zum Geberelement8 bzw.18 platziert werden. Es ist ausreichend, wenn die von den mit der Welle2 mit rotierenden Geberelementen8 bzw.18 erzeugten Magnetfelder von den Sensorelementen9 bzw.19 erfasst werden. - In
6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine23 mit einem integrierten Drehgeber24 nach dem Hall-Prinzip dargestellt. Der Drehgeber24 enthält ähnlich wie der Drehgeber7 gemäß1 bis3 ein zentrisch an der Stirnseite11 der Welle2 angeordnetes Geberelement25 sowie ein mechanisch entkoppeltes Sensorelement26 , das auf einer Platine27 einer Umrichtereinheit28 platziert ist. Im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen enthält die Maschine23 ein Lagerschild29 mit einer zentrischen Öffnung30 , durch die die Welle2 in ihrem Endbereich3 hindurchgeführt ist, so dass die Stirnseite11 der Welle2 auf der vom Drehlager4 abgewandten Seite des Lagerschilds29 angeordnet ist. Mittels der Integration des Geberelements25 in die Stirnseite11 und des Sensorelements26 in die ohnehin vorhandene Umrichtereinheit28 , die in Richtung der Drehachse6 im Anschluss an den Endbereich3 der Welle2 angeordnet ist, ergibt sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine sehr platzsparende Realisierung des Drehgebers24 . Wie auch bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen resultiert eine sehr kompakte Antriebslösung, die sich auch zu niedrigen Kosten herstellen lässt.
Claims (10)
- Maschine mit einer mittels mindestens eines Lagerschilds (
5 ;29 ) gelagerten Welle (2 ) und mit einem Drehgeber (7 ;17 ;24 ), wobei a) der Drehgeber (7 ;17 ;24 ) ein mit der Welle (2 ) mitrotierendes Geberelement (8 ;18 ;25 ) und ein mit dem Geberelement (8 ;18 ;25 ) zusammenwirkendes Sensorelement (9 ;19 ;26 ) umfasst, b) das Geberelement (8 ;18 ;25 ) an einem dem Lagerschild (5 ;29 ) zugewandten Endbereich (3 ) der Welle (2 ) angeordnet ist, und c) das Sensorelement (9 ;19 ;26 ) in eine ohnehin vorhandene Komponente (5 ;28 ) der Maschine integriert ist. - Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (
9 ;19 ) in das Lagerschild (5 ) integriert ist. - Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (
9 ;19 ) insbesondere mittels einer Platine (12 ) in das Lagerschild (5 ) eingeklebt, eingesteckt oder eingeschraubt ist. - Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (
26 ) in eine Umrichtereinheit (28 ), die in Richtung der Drehachse (6 ) im Anschluss an den Endbereich (3 ) der Welle (2 ) angeordnet ist, integriert ist. - Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerschild (
29 ) eine Öffnung (30 ) aufweist und der das Geberelement (25 ) tragende Endbereich (3 ) der Welle (2 ) zumindest teilweise durch die Öffnung (30 ) geführt ist. - Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (
8 ;18 ;25 ) und das Sensorelement (9 ;19 ;26 ) mechanisch entkoppelt sind und das Sensorelement (9 ;19 ;26 ) insbesondere mindestens einen Hall-Sensor enthält. - Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerschild (
5 ;29 ) auf einer Betriebsseite angeordnet ist. - Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (
8 ;18 ;25 ) mindestens zwei entgegengesetzt magnetisierte Magnetelemente (14 ,15 ;21 ,22 ) enthält. - Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (
2 ) an der Stirnfläche (11 ) des Endbereichs (3 ) eine insbesondere zentrale Aussparung (10 ) enthält, in der das Geberelement (8 ;25 ) angeordnet ist. - Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (
2 ) im Endbereich (3 ) einen Abschnitt (20 ) mit einer Durchmesserreduzierung aufweist, in dem das insbesondere ringförmige Geberelement (18 ) angeordnet ist.
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