DE10018728A1

DE10018728A1 - Positionier- und Stellantrieb

Info

Publication number: DE10018728A1
Application number: DE2000118728
Authority: DE
Inventors: Josef Siraky; Siegfried Held
Original assignee: STEGMANN MAX ANTRIEBSTECH; Max Stegmann GmbH
Current assignee: Sick Stegmann GmbH
Priority date: 2000-04-15
Filing date: 2000-04-15
Publication date: 2001-10-25

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.

Bezugszeichenliste

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

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.