CN104115382B - 用于旋转机，尤其是容器处理机的直接驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于旋转机，尤其是容器处理机的直接驱动装置，该直接驱动装置主要由固定的机器部分(1)以及围绕竖直的机器轴线旋转的机器部分(2)组成，其中，旋转的机器部分(2)经由布置在机器部分(1、2)之间的且由外轴承圈(4)、内轴承圈(5)以及多个在轴承圈(4、5)之间滚动的滚动体(6)组成的滚动轴承(3)与固定的机器部分(1)能转动地连接，并且能通过转矩马达(7)驱动。为此，在旋转的机器部分(2)上环绕地设置有多个磁体(8)，而在固定的机器部分(1)上布置有由多个电线圈(9、10、11)组成的定子(12)，从而通过对定子(12)供电时产生的与磁体(8)共同作用的电磁场使旋转的机器部分(2)能进行限定的转动运动。根据本发明，在固定的机器部分(1)上的定子(12)构造为无间隙地覆盖旋转的机器部分(2)上的全部磁体(8)的360°的完整环，该完整环由多个彼此邻接的且通过电串联方式彼此连接的定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)以及由多个布置在定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)之间的用于在周向方向和径向方向上固定定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)的止挡元件(14.1、14.2、14.3、14.4、14.5)组装成。

Description

用于旋转机，尤其是容器处理机的直接驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于旋转机的直接驱动装置，其能尤其有利地运用在容器处理机上。
背景技术
容器处理机主要应用在饮料行业和药品行业以及化学行业中，并且以不同的实施方式作为用于制造塑料容器的吹瓶机或作为用于对由塑料或金属制成的瓶、罐、筒或其它容器进行清洁、填充、封闭、印刷和贴标签的机器而公知。通常，它们构造为回转机，其主要由固定的机器部分以及由围绕竖直的机器轴线旋转的机器部分组成，其中，旋转的机器部分经由布置在这些机器部分之间的且由外轴承圈、内轴承圈以及多个在轴承圈之间滚动的滚动体组成的滚动轴承与固定的机器部分能转动地连接。此外，在旋转的机器部分上大多布置有一个转台以及多个具有功能元件的处理站，它们匹配于相应类型的处理，并且与待处理的容器共同作用。根据设备大小和用途，该转台可以具有至多7m的直径和至多20t的重量，该转台以至多6分钟-1的转速运转并且尽管由此产生了高负载，但是在其转速下仍然必须能进行精确调节，以便可以例如平衡产量波动。
根据WO 2008/022737 A1，以常见的方式通过伺服马达进行对这种类型的容器处理机的驱动，该伺服马达经由相应的减速传动装置使小齿轮运动，该小齿轮咬合进旋转的机器部分上的齿部中并且因此使旋转的机器部分转动。
但是在这种常见的驱动装置中是有缺陷的，该驱动装置并不是无磨损地工作，而且小齿轮-齿的组合必须定期施加大量油脂，以便确保期望的使用寿命。但是这就导致会由于向下滴落的润滑油脂弄脏周围环境，这尤其在饮料填充设备中就所要求的卫生规定而言是不利的。此外，由于齿-小齿轮的组合在滚压时产生听觉上的噪音和固体传声以及机械功耗，这对不期望的高噪音水平做出贡献，并且不利于设备的能效。此外，在常见的驱动装置设计方案中已表明，由于转动地支承的机器部分的高惯性矩使得由此被驱动的机器在紧急情况下不能借助马达制动，这是因为由此否则会使传动装置和小齿轮过载并损坏。因此，需要附加的机械制动装置，这些制动装置将以不利的方式提高了用于机器的耗费和成本。
因此，为了避免这种缺点由WO 2008/022737 A1提出，通过借助转矩马达的直接驱动装置实现对容器处理机的驱动，其中，代替至今的齿部地在旋转的机器部分上环绕地设置具有多个磁体的环圈，并且在固定的机器部分上布置有至少一个由多个电线圈组成的且只覆盖磁体环圈的部分扇区的定子，从而通过对定子供电时产生的与磁体共同作用的电磁场，使旋转的机器部分能够进行限定的转动运动。在此，定子的大小和集成电线圈的数量是可变的并且依赖于转台的大小、必要的转矩、要求的转速。为了达到最大转矩的目的建议围绕磁体环圈布置多个这类定子。
虽然这种直接驱动装置的优点在于，在固定的与旋转的机器部分之间不再具有机械连接并且由此无磨损地工作，但是与之相对地它也被证明不利的是，各个定子仅部分地覆盖磁体，并且因此可以自由接触到被设计成节段形的定子之间的多个角区域，由于在旋转的机器上的因此未受保护地布置的磁体的高引力，使这些角区域对装配人员和操作人员来说是潜在的危险来源。同样不利的是，各个节段形的定子为了支持在定子与磁体之间沿径向方向作用的磁引力要经由拧入定子中的紧固螺栓紧固在固定的机器部分上，这样会导致由于仅是节段式的应力而使固定的机器部分以及与其连接的滚动轴承的轴承圈变形，并且因此限制了滚动轴承的功能和使用寿命。此外同样不利的是，尤其是在以很大的转矩运转很大的转台直径的情况下，需要非常多件数的大多紧固在固定的机器部分与旋转的机器部分之间相应大地构造的滚动轴承上的磁体并且由于在各个定子之间的自由角区域也需要很大的尺寸，并且由于它们很高的世界市场价格造成了用于驱动装置的高制造成本。
发明内容
因此由公知的现有技术所存在的缺点出发，本发明的任务在于，设计一种用于旋转机，尤其是容器处理机的直接驱动装置，其中，有效地避免了由各个定子之间的自由的角区域和由定子在固定的机器部分上的紧固产生的缺点。
根据本发明，这个关于直接驱动装置的任务以如下方式来解决，即，使得在固定的机器部分上的定子构造为无间隙地覆盖旋转的机器部分上的全部磁体的360°的完整环，该完整环由多个彼此邻接的且通过电串联方式彼此连接的定子环节段以及由多个布置在定子环节段之间的用于在周向方向和径向方向上固定定子环节段的止挡元件组装成。
根据本发明构造的直接驱动装置的有利的设计方案和改进方案在从属权利要求中描述。
各个定子环节段分别由铁金属的磁轭以及由多个在磁轭的上侧和下侧上下堆叠的齿板(Zahnbleche)组成，以便铜绕组缠绕齿板的齿以形成各个电线圈。在此，齿和由此形成的电线圈的数量是可变的并且依赖于各个定子环节段的大小和数量、必要的转矩和要求的转速的高低以及所使用的磁体的数量和大小。在此被证明特别有利的是，由硬铁氧体材料、钐钴材料或钕铁硼材料构成的永磁体作为磁体，其紧固在滚动轴承的与旋转的机器部分连接的外轴承圈的外周面上。
此外，根据本发明构造的直接驱动装置的特征还在于，定子环节段的各个电线圈在三个以120°错开的电相位中借助星形线路电串联，并且能经由单个的伺服控制器利用电压中间电路逆变器来驱控。由此，定子的每个电线圈相对于各布置在前面的电线圈相位错开地依次被驱控，从而出现的环绕的电磁场与永磁体的磁场共同作用导致旋转的机器部分的转动运动。在此，所有相邻的定子环节段分别通过连接电缆与插塞连接器彼此连接，并且只有第一个和最后一个定子环节段具有伺服控制器接口或星形开关元件来代替连接电缆。此外有利的是，电压中间电路逆变器允许双向的能流，这是因为由此可以在控制中设置应急程序，该应急程序在机器停止或断电时允许在利用到电网中的能量反馈的情况下角度同步地切断整个设备的所有的定子环节段或所有其它驱动装置的电线圈。
根据本发明构造的直接驱动装置的另一特征在于，布置在定子环节段之间的止挡元件优选具有圆环节段的形状，其与加长构造的磁轭以及与定子环节段的径向侧面形成止挡接触。该圆环节段形的止挡元件优选拧在固定的机器部分上，从而使得止挡元件的指向磁体的内侧布置在定子环节段的内侧的延长线中。在此，定子环节段的磁轭(其外侧同时形成定子环节段的外侧)在两侧长于定子环节段地构造，并且以其延长部的内侧贴靠在止挡元件的外侧上。而定子环节段在径向上彼此间隔较短的侧面贴靠在止挡元件的侧面上，从而限定且确保了定子环节段彼此的角位置及其气隙。但是，代替圆环节段形的止挡元件地也可以在固定的机器部分上紧固有相应的止挡销或类似物，加长构造的磁轭和定子环节段的径向侧面以相同的方式贴靠在这些止挡销上。
此外，根据本发明构造的直接驱动装置的适宜的改进方案是，其中一个止挡元件同时设置为用于扫描传感器的保持件，该扫描传感器与旋转的机器部分上的增量式或绝对式的、磁性或感应的分角器形成用于对旋转的机器部分进行位置确定的测量系统。在此，被证明特别有利的是，扫描传感器直接紧固在止挡元件上，并且分角器布置在布置于机器部分之间的滚动轴承的转动的外轴承圈的外周面上。因此可以直接在外轴承圈上，也就是即时地并且扭转刚性地(drehsteif)并因此无误差地检测旋转机器的转台的各个角位置，并且对转台的位置与实施在伺服控制器中的位置调节电路共同作用地进行持续调节。但是对此替选地，也可以将扫描传感器紧固在固定的内轴承圈的平面上，并且将分角器布置在旋转的外轴承圈的内周面上。
根据本发明构造的直接驱动装置的有利的实施方式是，该直接驱动装置构造为内转电机其中，转矩马达的磁体和测量系统的分角器优选布置在滚动轴承的与旋转的机器部分连接的外轴承圈的外周面上，并且定子包围该外轴承圈。但是，作为根据本发明构造的直接驱动装置的替选的实施方式，该直接驱动装置也可以构造为外转电机其中，转矩马达的磁体和测量系统的分角器布置在滚动轴承的与旋转的机器部分连接的内轴承圈的内周面上，并且定子包围该内轴承圈。
最后，根据本发明构造的直接驱动装置的有利的设计方案还提出，定子的定子环节段和止挡元件以及测量系统的扫描传感器和分角器包括磁体在内通过由不锈钢盆形板材构成的环形的壳体密封以防止受周围环境影响。这尤其在用于饮料填充设备的驱动装置中已被证明是特别有利的，这是因为因此避免液体侵入到驱动装置中，并且减少了用于饮料填充设备的保持清洁的费用。
因此，用于旋转机的根据本发明构造的直接驱动装置相对于由现有技术公知的直接驱动装置的优点在于，转矩马达的定子不依赖于旋转机的转台的直径、转矩以及圆周速度地始终构造为覆盖在旋转的机器部分上的全部磁体的完全的360°的完整环，并且因此在各个定子与磁体之间不再具有对于装配人员和操作人员来说可能是潜在的危险来源的自由的角区域。由此，同时还提供了完全的完整环以将转矩传递到转台上，从而减少了永磁体的线圈高度和线圈宽度，并且因此能够节省高成本的磁体材料。在此，将由单个串联的且因此本身不能独自运行的定子环节段构成的定子与布置在这些定子环节段之间的止挡元件组合在一起的优点在于，所有定子环节段相对于单个接通的独立的定子的布线费用明显减小，并且在维护或维修的情况下可以在径向方向上更换各个定子环节段，而不必为此目的拆卸或抬起旋转机的很重的转台。如果要在这种维护或维修的情况下拆除其中一个定子环节段，那么虽然整个定子由于中断经过所有定子环节段的电流而不再能正常工作，但这并不是缺点，这是因为在维护或维修的情况下所有的驱动装置都要被切断电流。此外，定子环节段以及布置在这些定子环节段之间的止挡元件负责在形成的定子环内部支持定子环节段与永磁体之间径向向内作用的磁引力，并且由此固定的机器部分和滚动轴承的与该固定的机器部分连接的轴承圈不再发生变形。
附加地，还以如下方式提高了根据本发明构造的直接驱动装置在容器处理机中的可靠性，即，布置在固定的与旋转的机器部分之间的滚动轴承配备有由DE 10 2007 042254 A1公知的润滑剂质量传感器。该润滑剂质量传感器可以紧固在固定的轴承圈的通到滚动体滚道内的径向钻孔中，从而使得通过润滑剂质量传感器的敏感的端侧可以在设备运转期间连续测量在滚动体滚道中的含水量、老化程度、温度和润滑剂的受污染程度。一旦其中一个测量值超过了各自预设的阈值，那么就经由评估电子装置进一步向机器控制装置传输报警信号，从而可以经由布置在内轴承圈中的另一径向钻孔中的油脂泵或维护工作促成再润滑过程。尤其在饮料填充设备中已证明特别有利的是，监测在转台的滚动轴承中的润滑剂的湿度，这是因为饮料填充设备定期要用含水的清洁剂和消毒剂进行处理。只有在确实需要的情况下才会借助润滑剂质量传感器促成经由油脂泵的再润滑过程，从而以这种方式可以优化到滚动轴承中的润滑剂输入，并且因此可以改善对整个机器保持清洁。
此外，还能以如下方式进一步提高根据本发明构造的直接驱动装置在容器处理机中的可靠性和可使用性，即，将同样本身公知的状态监测系统集成到固定的与旋转的机器部分之间的滚动轴承中。这种状态监测系统主要由具有后置放大器和评估系统的加速度传感器组成，借助其可以探测和评估在滚动体滚压经过一个或两个轴承圈上的受损的滚道时出现的振动或固体传声。在此，将加速度传感器拧入固定的滚动轴承圈的内周面中的另一径向钻孔中，从而使得该加速度传感器非常靠近滚动体滚道并且与滚动体对置地布置。
最后，根据本发明构造的直接驱动装置的优点还在于，相对于由现有技术公知的具有多个独立定子的直接驱动装置(在这些独立定子中，经由各个温度传感器测量每个定子的绕组温度，并且在超过预设的温度开关点时经由伺服控制器切断电流)，在根据本发明构造的直接驱动装置中仅有唯一一个定子环节段必须配备温度传感器以监测绕组温度并且必须与伺服控制器连接，这是因为所有定子环节段仅共同作用地或者说仅以布置成一个完整的定子环的方式形成能正常工作的转矩马达。
附图说明
下面，参考附图详细地描述根据本发明构造的直接驱动装置的优选实施方式。其中：
图1示出用于容器处理机的根据本发明构造的直接驱动装置的俯视图的示意图示；
图2示出穿过与固定的和旋转的机器部分连接的根据本发明的直接驱动装置的横截面的放大图；
图3示出根据本发明构造的直接驱动装置的电路连接的示意图示。
具体实施方式
由根据图2的截面图得知适用于容器处理机的直接驱动装置，该直接驱动装置主要由固定的机器部分1以及围绕竖直的机器轴线旋转的机器部分2组成，其中，旋转的机器部分2经由布置在机器部分1、2之间的且由外轴承圈4、内轴承圈5以及多个在轴承圈4、5之间滚动的滚动体6组成的滚动轴承3与固定的机器部分1能转动地连接，并且能通过转矩马达7驱动。在此，结合图1与图3可看出，在旋转的机器部分2上环绕地设置有多个磁体8，并且在固定的机器部分1上布置有由多个电线圈9、10、11组成的定子12，从而通过对定子12供电时产生的与磁体8共同作用的电磁场，使旋转的机器部分2能够进行限定的转动运动。
此外，由图1可知，在固定的机器部分1上的定子12以根据本发明的方式构造为无间隙地覆盖旋转的机器部分2上的全部磁体8的360°的完整环，该完整环由多个彼此邻接的且通过电串联方式彼此连接的定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5以及由多个布置在定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5之间的用于在周向方向和径向方向上固定定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5的止挡元件14.1、14.2、14.3、14.4、14.5组装成。在此，在示例性的实施方案中，转矩马达7的磁体8布置在滚动轴承3的与旋转的机器部分2连接的外轴承圈4的外周面上，而定子12完整地包围外轴承圈4。
此外，如图1和图2所示，定子12的各个定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5分别由铁金属的磁轭15以及由多个在磁轭的上侧和下侧上下堆叠的齿板16组成，以便铜绕组缠绕齿板的齿以形成各个电线圈9、10、11。如图3所示，这些单个电线圈9、10、11在三个以120°错开的电相位中借助星形线路电串联，并且能经由未示出的单个伺服控制器利用电压中间电路逆变器17来驱控。在此，所有相邻的定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5分别通过连接电缆18与插塞连接器19彼此连接，并且只有第一个和最后一个定子环节段13.1、13.5具有伺服控制器接口20或星形开关元件21来代替连接电缆18。
同样地在图1中可以看出，布置在定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5之间的止挡元件14.1、14.2、14.3、14.4、14.5具有圆环节段的形状，其与加长构造的磁轭15以及与定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5的未详细标出的径向侧面形成止挡接触。附加地，布置在定子环节段13.1、13.2之间的止挡元件14.2同时设置为用于扫描传感器22的保持件，该扫描传感器与如由图2可见同样布置在滚动轴承3的与旋转的机器部分2连接的外轴承圈4的外周面上的增量式或绝对式的、磁性或感应的分角器23形成用于对旋转的机器部分2进行位置确定的测量系统。
最后，在图2中可看出，定子12的定子环节段13.1、13.2、13.3、13.4、13.5和止挡元件14.1、14.2、14.3、14.4、14.5以及测量系统的扫描传感器22和分角器23包括磁体8在内通过由不锈钢盆形板材构成的环形的壳体24密封以防止受周围环境影响。这尤其在用于饮料填充设备的直接驱动装置中已被证明是特别有利的，这是因为因此避免了液体侵入到直接驱动装置中。
附图标记列表
1 固定的机器部分 14.1 止挡元件
2 旋转的机器部分 14.2 止挡元件
3 滚动轴承 14.3 止挡元件
4 3的外轴承圈 14.4 止挡元件
5 3的内轴承圈 14.5 止挡元件
6 3的滚动体 15 9、10、11的磁轭
7 转矩马达 16 9、10、11的齿板
8 磁体 17 电压中间电路逆变器
9 电线圈 18 连接电缆
10 电线圈 19 插塞连接器
11 电线圈 20 伺服控制器接口
12 定子 21 星形开关元件
13.1 定子环节段 22 扫描传感器
13.2 定子环节段 23 分角器
13.3 定子环节段 24 壳体
13.4 定子环节段
13.5 定子环节段

Claims (6)

1.一种用于容器处理机的直接驱动装置，所述直接驱动装置主要由固定的机器部分(1)以及围绕竖直的机器轴线旋转的机器部分(2)组成，所述旋转的机器部分经由布置在所述固定的机器部分(1)和所述旋转的机器部分(2)之间的且由外轴承圈(4)、内轴承圈(5)以及多个在所述轴承圈(4、5)之间滚动的滚动体(6)组成的滚动轴承(3)与所述固定的机器部分(1)能转动地连接，并且能通过转矩马达(7)驱动，其中，在所述旋转的机器部分(1)上环绕地设置有多个磁体(8)，而在所述固定的机器部分(1)上布置有由多个电线圈(9、10、11)组成的定子(12)，从而通过对所述定子(12)供电时产生的与所述磁体(8)共同作用的电磁场使所述旋转的机器部分(2)能进行限定的转动运动，其特征在于，在所述固定的机器部分(1)上的定子(12)构造为无间隙地覆盖所述旋转的机器部分(2)上的全部磁体(8)的360°的完整环，所述完整环由多个彼此邻接的且通过电串联方式彼此连接的定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)以及由多个布置在所述定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)之间的用于在周向方向和径向方向上固定所述定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)的止挡元件(14.1、14.2、14.3、14.4、14.5)组装成，各个定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)分别由铁金属的磁轭(15)以及由多个在所述磁轭的上侧和下侧上下堆叠的齿板(16)组成，以便铜绕组缠绕所述齿板的齿以形成各个电线圈(9、10、11)，所述定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)的各个电线圈(9、10、11)在三个以120°错开的电相位中借助星形线路电串联，并且能经由单个的伺服控制器利用电压中间电路逆变器(17)来驱控。
2.根据权利要求1所述的直接驱动装置，其特征在于，所有相邻的定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)分别通过连接电缆(18)与插塞连接器(19)彼此连接，并且只有第一个和最后一个定子环节段(13.1、13.5)具有伺服控制器接口(20)或星形开关元件(21)来代替连接电缆(18)。
3.根据权利要求1所述的直接驱动装置，其特征在于，布置在所述定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)之间的止挡元件(14.1、14.2、14.3、14.4、14.5)具有圆环节段的形状，所述止挡元件与加长构造的磁轭(15)以及与所述定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)的径向侧面形成止挡接触。
4.根据权利要求3所述的直接驱动装置，其特征在于，其中一个所述止挡元件(14.1、14.2、14.3、14.4、14.5)同时设置为用于扫描传感器(22)的保持件，所述扫描传感器与所述旋转的机器部分(2)上的增量式或绝对式的、磁性或感应的分角器(23)形成用于对所述旋转的机器部分(2)进行位置确定的测量系统。
5.根据权利要求4所述的直接驱动装置，其特征在于，所述转矩马达(7)的磁体(8)和所述测量系统的分角器(23)布置在所述滚动轴承(3)的与所述旋转的机器部分(2)连接的外轴承圈(4)的外周面上，并且所述定子(12)包围所述外轴承圈(4)。
6.根据权利要求5所述的直接驱动装置，其特征在于，所述定子(12)的定子环节段(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5)和止挡元件(14.1、14.2、14.3、14.4、14.5)以及所述测量系统的扫描传感器(22)和分角器(23)包括所述磁体(8)在内通过由不锈钢盆形板材构成的环形的壳体(24)密封以防止受周围环境影响。
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