AT520716B1

AT520716B1 - Vorrichtung und verfahren zum vermessen von elektrischen maschinen

Info

Publication number: AT520716B1
Application number: ATA50198/2018A
Authority: AT
Inventors: Gruhler Thomas; Riesenfeld Kurt
Original assignee: Minebea Mitsumi Inc
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-07-15
Also published as: AT520716A4

Abstract

Die Vorrichtung zur Vermessung einer elektrischen Maschine umfasst ein Unterteil (1) mit Auflageelementen (3) zur Auflage einer Basisplatte (10) der elektrischen Maschine, ein Oberteil (2) mit Auflageelementen (4) zur Auflage auf der Basisplatte (10) der elektrischen Maschine und mindestens einen elektrischen Kontaktstift (5) zur elektrischen Kontaktierung einer Kontaktfläche (50) an einer Seite der Basisplatte (10) der elektrischen Maschine, wobei der elektrische Kontaktstift (5) mit einer vorgegebenen Andruckkraft (F) an der Kontaktfläche anliegt. Es ist mindestens ein Abstandssensor (7) zur Erfassung eines Abstandswertes zwischen dem Abstandssensor (7) und einer Oberfläche des Rotorbauteils (12) der elektrischen Maschine vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Druckstift (6), der an der dem elektrischen Kontaktstift (5) gegenüberliegenden Seite der Basisplatte (10) mit einer vorgegebenen Andruckkraft (F') anliegt, die etwa der Andruckkraft (F) des Kontaktstifts (5) entspricht.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM VERMESSEN VON ELEKTRISCHEN MASCHINEN

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen von elektrischen Maschinen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

[0002] Elektrische Maschinen, insbesondere Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem, werden für Antriebszwecke verwendet, bei denen es auf eine hohe Laufgenauigkeit ankommt. Beispielsweise werden solche Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Laserscannern oder ähnlichen Systemen verwendet.

[0003] Bei der Herstellung solcher Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem wird der fertig aufgebaute Motor in einer speziellen Messvorrichtung vermessen, insbesondere im Hinblick auf den axialen und radialen Schlag des Rotorsystems, die Flughöhe des fluiddynamischen Axiallagers und weitere für die Anwendung wichtige Messwerte.

[0004] Diese Vorrichtung zum Vermessen von elektrischen Maschinen weist in der Regel ein Unterteil und ein Oberteil mit jeweils Auflageflächen auf, zwischen welchen die Basisplatte der elektrischen Maschine eingespannt wird. Ferner weist die Messvorrichtung einen oder mehrere elektrische Kontaktstifte auf, mit welchen ein elektrischer Kontakt zu entsprechenden Kontaktflächen der elektrischen Maschine hergestellt wird. Über diese Kontaktstifte wird die elektrische Maschine mit Strom versorgt, sodass sie in Drehung versetzt werden kann. Die Erfassung der Messparameter erfolgt vorzugsweise mittels berührungslosen, beispielsweise kapazitiven, induktiven oder optischen Messsensoren oder alternativ bei statischen Messungen oder bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen mittels taktilen Messsensoren, welche den Abstand zu einer oder mehreren Oberflächen auf dem Rotorbauteil der elektrischen Maschine vermessen.

[0005] In der Regel wird ein relatives Messsystem verwendet, das heißt, die Nullposition des Abstandssensors der Messvorrichtung wird in Bezug auf eine Referenzfläche der Basisplatte festgelegt. Bei der Einrichtung der Messvorrichtung wird eine Master- Basisplatte verwendet, die hochgenau bearbeitet ist und deren Maße genau bekannt sind. Die Master-Basisplatte wird in die Messvorrichtung eingespannt. Mit den bekannten Dimensionen der Master-Basisplatte kann dann die Messvorrichtung entsprechend angelernt und justiert werden, wobei die Nullposition des oder der Abstandssensoren festgelegt wird.

[0006] Die Basisplatte eines solchen Spindelmotors ist in vielen Fällen aus Aluminium gefertigt und relativ dünn, da die Gesamthöhe eines derartigen Spindelmotors typischerweise 7 mm oder weniger beträgt. Anfangs wurden die Master-Basisplatten ebenfalls aus Aluminium gefertigt, wobei man festgestellt hat, dass diese Aluminium- Master-Basisplatten eine zu geringe Standfestigkeit und Lebensdauer haben, da sie sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen sind, sodass die Handhabung in der Fertigungsanlage schwierig ist.

[0007] Um die Einsatzdauer der Master-Basisplatten zu verlängern, ist man dazu übergegangen, diese Master-Basisplatten aus Stahl zu fertigen, sodass die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, wie Stoß und Schlag, verringert wird. Beim Einrichten der Messvorrichtung wird dann diese Master-Basisplatte in die Messvorrichtung eingespannt, wobei anhand der genau bekannten Dimensionen der Master-Basisplatte eine Eichung der Messvorrichtung erfolgt.

[0008] Bei der Vermessung von Motoren aus der Fertigung hat sich herausgestellt, dass es zu Messfehlern oder Messabweichungen kommt, die dadurch hervorgerufen werden, dass der elektrische Kontaktstift zur elektrischen Kontaktierung der zu vermessenden Motoren mit einer gewissen Andruckkraft (F) auf die Kontaktfläche des Spindelmotors drückt, sodass sich die Basisplatte des Spindelmotors, die aus Aluminium besteht, durch diesen Anpressdruck verbiegt. Diese Verbiegung der Basisplatte kann einige Mikrometer bis einige 10 Mikrometer betragen.

[0009] Bei jeder Einrichtung der Messvorrichtung wird die stählerne Master-Basisplatte exakt in gleicher Weise eingespannt wie die Basisplatten aus Aluminium der Motoren im Produktions prozess, und es wird auch derselbe elektrische Kontaktstift an die Master-Basisplatte angelegt. Da die Master-Basisplatte aus Stahl besteht, erfolgt nur eine sehr geringe Durchbiegung der Master-Basisplatte durch die Kraft des elektrischen Kontaktstifts, während bei den Basisplatten der zu vermessenden elektrischen Maschinen, die aus Aluminium bestehen, eine größere Durchbiegung durch die Kraft des elektrischen Kontaktstifts erfolgt. Daher ergeben sich aufgrund der Durchbiegung der Basisplatten aus Aluminium falsche Messwerte. Die zu erfassenden Messwerte liegen in der Größenordnung der Durchbiegung der Basisplatte, sodass kein genaues Messen mehr möglich ist.

[0010] Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit des Messaufbaus zu verbessern.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

[0012] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0013] Die Vorrichtung zur Vermessung einer elektrischen Maschine umfasst ein Unterteil mit Auflageelementen zur Auflage einer Basisplatte der elektrischen Maschine, ein Oberteil mit Auflageelementen zur Auflage auf der Basisplatte der elektrischen Maschine und mindestens einen elektrischen Kontaktstift zur elektrischen Kontaktierung einer Kontaktfläche an einer Seite der Basisplatte der elektrischen Maschine, wobei der elektrische Kontaktstift mit einer vorgegebenen Andruckkraft (F) an der Kontaktfläche anliegt. Es ist mindestens ein Abstandssensor zur Erfassung eines Abstandswerts zwischen dem Abstandssensor und einer Oberfläche des Rotorbauteils der elektrischen Maschine vorgesehen.

[0014] Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Druckstift, der an der dem elektrischen Kontaktstift gegenüberliegenden Seite der Basisplatte mit einer vorgegebenen Andruckkraft (F‘) anliegt, die etwa der Andruckkraft (F) des Kontaktstifts entspricht.

[0015] Durch den Druckstift, der dem elektrischen Kontaktstift gegenüberliegt und eine etwa gleich große Andruckkraft (F‘) auf die Basisplatte ausübt wie der elektrische Kontaktstift, wird die durch den elektrischen Kontaktstift verursachte Durchbiegung der Basisplatte kompensiert bzw. minimiert, sodass im günstigsten Fall keine Verformung der Basisplatte erfolgt. Vorzugsweise ist eine „etwa gleich große Andruckkraft“ dann gegeben, wenn der Betrag der Differenz beider Kräfte (F) und (F‘) kleiner ist als (F)/2.

[0016] Somit werden die Messergebnisse der Sensoren nicht durch eine Verformung der Basisplatte verfälscht, umfassen weniger Fehlmessungen und führen zu einer optimierten Messgenauigkeit. Dies führt zu weniger Ausschuss im Produktionsprozess.

[0017] Die Erfindung verhindert demnach eine Verbiegung der Basisplatte und folglich Messfehler, die durch eine Verformung der Basisplatte hervorgerufen werden.

[0018] Die Durchbiegung der Basisplatte hängt zum einen stark vom Material und der Materialdicke der Basisplatte ab. Somit unterscheidet sich die Durchbiegung je nach Art der zu untersuchenden elektrischen Maschine.

[0019] Zum anderen kommt es auf die Art und Anzahl der verwendeten elektrischen Kontaktstifte an, insbesondere welche Andruckkraft (F) die Kontaktstifte auf die Kontaktflächen der Leiterplatte und damit auf die Basisplatte ausüben. Häufig werden 3 oder 4 elektrische Kontaktstifte verwendet, um die elektrische Maschine anzutreiben. Dementsprechend steigt die Anzahl der Druckstifte an.

[0020] Der Druckstift ist derart ausgestaltet, dass er im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweist wie der elektrische Kontaktstift und auch vorzugsweise dieselbe Andruckkraft (F‘) auf die Basisplatte ausübt wie der elektrische Kontaktstift. Damit wird eine Verformung und Durchbiegung der Basisplatte verhindert.

[0021] Durch die Andruckkraft (F) des elektrischen Kontaktstifts ergibt sich bei Basisplatten aus Aluminium eine Verformung bzw. Durchbiegung im Bereich des elektrischen Kontaktstifts von etwa 2 bis 10 Mikrometer. Bei einer Spezifikation der Parallelität des Rotorsystems von beispielsweise 20 bis 40 Mikrometer würde eine solche Durchbiegung von 2 bis 10 Mikrometern das Messergebnis deutlich verfälschen. Mit dem erfindungsgemäßen Druckstift kann die durch die Andruckkraft des elektrischen Kontaktstifts hervorgerufene Verformung der Basisplatte kompensiert werden.

[0022] Als Abstandssensor kann vorzugsweise ein berührungsloser Abstandssensor, beispielsweise ein kapazitiver, induktiver oder optischer Abstandssensor oder alternativ ein taktiler Abstandssensor verwendet werden. Je nach Messaufgabe können auch mehrere Abstandssensoren sowohl in kapazitiver als auch taktiler Ausgestaltung verwendet werden.

[0023] In gleicher Weise können mehrere elektrische Kontaktstifte vorgesehen sein, wobei in diesem Fall ein oder mehrere Druckstifte vorhanden sind, die jeweils diesen Kontaktstiften gegenüberliegend angeordnet sind und dieselbe Andruckkraft auf die Basisplatte ausüben wie die elektrischen Kontaktstifte.

[0024] Die Nullposition des Abstandssensors ist in Bezug auf eine Referenzfläche einer MasterBasisplatte festgelegt.

[0025] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermessung einer elektrischen Maschine mittels einer Messvorrichtung umfasst die Schritte: [0026] Einspannen der Basisplatte zwischen Auflageelementen eines Unterteils und Auflageelementen eines Oberteils der Messvorrichtung, Anlegen eines elektrischen Kontaktstifts mit einer Andruckkraft (F) an einer elektrischen Kontaktfläche, die an einer Seite der Basisplatte zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Maschine angeordnet ist, Anlegen eines Druckstifts an der dem elektrischen Kontaktstift gegenüberliegenden Seite der Basisplatte mit einer Andruckkraft (F'), die etwa der Andruckkraft (F) des Kontaktstifts entspricht, und Erfassen mindestens eines Abstandswerts zwischen dem Abstandssensor und einer Oberfläche des Rotorbauteils der elektrischen Maschine.

[0027] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

[0028] Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Messvorrichtung und einen zu vermessenden Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem.

[0029] Der Spindelmotor ist auf einer Basisplatte 10 aufgebaut, mit welcher er in die Messvorrichtung eingespannt wird. Die Basisplatte ist ein Teil des feststehenden Motorbauteils, während das rotierende Motorbauteil unter anderem ein Rotorbauteil 12 umfasst. Die Messvorrichtung dient beispielsweise zur Messung des radialen und axialen Schlags und der Parallelität des Rotorbauteils 12 der elektrischen Maschine oder zur Messung der sogenannten „Flughöhe“ eines fluiddynamischen Axiallagers 26 der elektrischen Maschine.

[0030] Hierzu weist die Messvorrichtung ein Unterteil 1 auf, an welchem Auflageelemente 3 angeordnet sind. Die Basisplatte 10 des zu vermessenden Motors wird derart auf dem Unterteil 1 positioniert, dass die Unterseite der Basisplatte 10 auf den Auflageelementen 3 des Unterteils 1 aufliegt. Das Unterteil 1 ist relativ zum Oberteil 2 beweglich angeordnet und in Richtung des Oberteils 2 zustellbar bzw. wegstellbar.

[0031] Das Oberteil 2 weist ebenfalls Auflageelemente 4 auf, die sich an der Oberseite der auf dem Unterteil angeordneten Basisplatte 10 des Spindelmotors anlegen. Der Spindelmotor wird durch die Auflageelemente 3, 4 des Unterteils 1 und des Oberteils 2 in der Messvorrichtung eingespannt.

[0032] Zur Vermessung des radialen bzw. axialen Schlags sowie der Parallelität des Rotorbauteils 12 bzw. der Flughöhe des fluiddynamischen Axiallagers 26 muss das Rotorbauteil 12 des Spindelmotors während des Messvorgangs in Rotation versetzt werden. Hierzu weist die Messvorrichtung - vorzugsweise am Unterteil 1 - mindestens einen elektrischen Kontaktstift 5 auf, der einen elektrischen Kontakt zu einer elektrischen Kontaktfläche 50 des Spindelmotors herstellt.

Der Spindelmotor wird dann über den elektrischen Kontaktstift mit Strom versorgt und in Drehung versetzt.

[0033] Die Kontaktfläche 50 befindet sich vorzugsweise auf einer Leiterplatte 48 des Spindelmotors. Die Leiterplatte 48 ist vorzugsweise auf der Unterseite der Basisplatte 10 angeordnet. Der elektrische Kontaktstift 5 wird vorzugsweise mittels Federkraft gegen die Kontaktfläche 50 gedrückt, und zwar mit einer Andruckkraft (F), die sich ebenfalls auf die Basisplatte 10 überträgt. Durch diese Andruckkraft (F) kommt es an der Stelle der elektrischen Kontaktfläche 50 zu einer Durchbiegung der Basisplatte von einigen Mikrometern in Richtung des Oberteils 3 der Messvorrichtung.

[0034] Um diese Durchbiegung der Basisplatte 10 zu verhindern, weist die Messvorrichtung mindestens einen Druckstift 6 auf, der mechanisch in ähnlicher Weise und zumindest dessen Feder-Komponente vorzugsweise gleich ausgebildet ist wie der elektrische Kontaktstift 5. Der Druckstift 6 ist vorzugsweise am Oberteil 2 der Messvorrichtung derart angeordnet, dass er sich an der anderen Seite der Basisplatte 10 gegenüberliegend des elektrischen Kontaktstifts 5 befindet. Der Druckstift 6 drückt mit einer Andruckkraft (F‘) auf die Oberseite der Basisplatte 10, und zwar genau gegenüberliegend der Stelle, an welcher der Druckstift 5 mit einer Kraft (F) auf die Kontaktfläche 50 an der Unterseite der Basisplatte drückt.

[0035] Erfindungsgemäß ist die Andruckkraft (F'), die der Druckstift 6 auf die eine Seite der Basisplatte 10 ausübt, etwa gleich groß wie die Andruckkraft (F), die der elektrische Kontaktstift 5 auf die andere Seite der Basisplatte 10 ausübt, sodass sich die Kräfte (F), (F‘) aufheben und eine Durchbiegung der Basisplatte 10 an dieser Stelle verhindert wird. Vorzugsweise ist der Druckstift 6 ebenfalls federbelastet und erzeugt so die Andruckkraft (F').

[0036] Der eigentliche Messvorgang erfolgt, nachdem das Rotorbauteil 12 des Spindelmotors in Bewegung versetzt wurde. Die Messung erfolgt mittels Abstandssensoren 7, die den Abstand zu einer oder mehreren Oberflächen des Rotorbauteils 12 messen. Als Abstandssensoren werden vorzugsweise berührungslose, vorzugsweise kapazitive Abstandssensoren 7 als auch taktile Abstandssensoren verwendet. Die Sensoren 7 sind bevorzugt an dem Oberteil 2 der Messvorrichtung angeordnet. Je nach Anordnung und Ausrichtung der Sensoren 7 können der radiale und axiale Schlag des Rotorbauteils 12, die Flughöhe und Parallelität des Rotorbauteils durch die axiale Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 26 und andere Messwerte gemessen werden. Bei Verwendung eines kapazitiven Abstandssensors 7 beträgt der typische Messabstand zu der zu vermessenden Oberfläche beispielsweise 100 Mikrometer.

[0037] Der in Fig. 1 dargestellte Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem steht stellvertretend für eine Vielzahl von elektrischen Maschinen unterschiedlichen Aufbaus, die mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung vermessen werden können.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN 1 Unterteil 2 Oberteil 3 Auflageelement 4 Auflageelement 5 elektrischer Kontaktstift 6 Druckstift 7 Abstandssensor 10 Basisplatte 12 Rotorbauteil 26 fluiddynamisches Axiallager 48 Leiterplatte 50 Kontaktfläche

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Vermessung einer elektrischen Maschine, umfassend ein Unterteil (1) mit Auflageelementen (3) zur Auflage einer Basisplatte (10) der elektrischen Maschine, ein Oberteil (2) mit Auflageelementen (4) zur Auflage auf der Basisplatte (10) der elektrischen Maschine, mindestens einen elektrischen Kontaktstift (5) zur elektrischen Kontaktierung einer Kontaktfläche (50) an einer Seite der Basisplatte (10) der elektrischen Maschine, wobei der elektrische Kontaktstift (5) mit einer Andruckkraft (F) an der Kontaktfläche (50) anliegt, mindestens einen Abstandssensor (7) zur Erfassung mindestens eines Abstandswertes zwischen dem Abstandssensor (7) und einer Oberfläche des Rotorbauteils (12) der elektrischen Maschine, gekennzeichnet durch einen Druckstift (6), der an der dem elektrischen Kontaktstift (5) gegenüberliegenden Seite der Basisplatte (10) mit der Andruckkraft (F‘) anliegt, die etwa der Andruckkraft (F) des Kontaktstifts (5) entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz beider Kräfte (F) und (F‘) kleiner ist als (F)/2.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (7) ein berührungsloser Abstandssensor ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Kontaktstifte (5) und mehrere diesen elektrischen Kontaktstiften (5) gegenüberliegende Druckstifte (6) vorhanden sind.
5. Verfahren zur Vermessung einer elektrischen Maschine mittels einer Messvorrichtung, umfassend die Schritte: Einspannen der Basisplatte (10) der elektrischen Maschine zwischen Auflageelementen (3) eines Unterteils (1) und Auflageelementen (4) eines Oberteils (2) der Messvorrichtung, Anlegen eines elektrischen Kontaktstifts (5) mit einer Andruckkraft (F) an eine elektrische Kontaktfläche (50), die an einer Seite der Basisplatte (10) angeordnet ist, zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Maschine, Andrücken eines Druckstifts (6), an der anderen Seite der Basisplatte (10) und gegenüberliegend dem elektrischen Kontaktstift (5) mit einer Andruckkraft (F), die etwa der Andruckkraft (F) des elektrischen Kontaktstifts (5) entspricht, und Erfassen mindestens eines Abstandswerts zwischen mindestens einem Abstandssensor (7) und einer Oberfläche des Rotorbauteils (12) der elektrischen Maschine.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz beider Kräfte (F) und (F‘) kleiner ist als (F)/2
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein berührungsloser Abstandssensor (7) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Kontaktstifte (5) und mehrere diesen gegenüberliegende Druckstifte (6) verwendet werden.