DE102004059181A1

DE102004059181A1 - Maschine mit integriertem Drehgeber

Info

Publication number: DE102004059181A1
Application number: DE102004059181A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kaul; Jens Ulrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-29

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 gemäß 1 in einer kompletten Längsschnittdarstellung,
3 das an der Welle der elektrischen Maschine gemäß 1 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 gemäß 4 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 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1 mit einer Welle 2, die in ihrem einen Endbereich 3 mittels eines Drehlagers 4 in einem Lagerschild 5 um eine Drehachse 6 drehbar gelagert ist, dargestellt. Die 2 enthält eine Schnittansicht der kompletten elektrischen Maschine 1, wohingegen in 1 der in 2 mit dem Kreis markierte Ausschnitt in vergrößerter Darstellung wiedergegeben ist. Bei dem Lagerschild 5 handelt es sich um dasjenige, das auf der Betriebsseite der elektrischen Maschine 1 vorgesehen ist. Die Betriebsseite dient zur Zu- und Abführung von elektrischen und anderen Anschlüssen der elektrischen Maschine 1.
Die elektrische Maschine 1 enthält einen integrierten Drehgeber 7, der auf dem Hall-Prinzip basiert und als Hauptkomponenten ein Geberelement 8 und ein Sensorelement 9 aufweist. Das Geberelement 8 ist in einer Aussparung 10 angeordnet, die sich an einer Stirnseite 11 der Welle 2 befindet. Das Sensorelement 9 ist ohne mechanische Kopplung zum Geberelement 8 am Lagerschild 5 befestigt. Es ist auf einer Platine 12 angeordnet, die an einer der Stirnseite 11 zugewandten Innenfläche 13 des Lagerschilds 5 angeklebt ist. Sowohl das Geberelement 8 als auch das Sensorelement 9 sind konzentrisch zur Drehachse 6 der Welle 2 angeordnet. Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, dass das Geberelement 8 oder das Sensorelement 9 eine kreisrunde Querschnittsfläche aufweist.
Die Kopplung zwischen dem Geberelement 8 und dem Sensorelement 9 erfolgt dem Hall-Sensor-Prinzip entsprechend berührungslos, wodurch unerwünschte mechanische Belastungen von vornherein vermieden werden. Das Sensorelement 9 enthält einen nicht näher dargestellten Hall-Sensor.
Das Geberelement 8 ist in 3 in Draufsicht gezeigt. Es enthält beim ersten Ausführungsbeispiel zwei als Dauermagnete ausgebildete Magnetelemente 14 und 15, deren entgegengesetzter Magnetisierungszustand durch die Symbole "N" und "S" angedeutet sind. Grundsätzlich ist auch eine feinere Segmentierung des Geberelements 8 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 Maschine 1 erfolgen.
Insgesamt resultiert aufgrund der Integration des Geberelements 8 in die Welle 2 und des Sensorelements 9 in das Lagerschild 5 ein sehr platzsparender Aufbau, bei dem die Außenabmessungen der elektrischen Maschine 1 verglichen mit einer Maschine ohne Drehgeber praktisch unverändert bleiben.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 16 mit einem ebenfalls integrierten Drehgeber 17 dargestellt. Gezeigt ist ein Ausschnitt entsprechend dem von 1 für die elektrische Maschine 1. Auch der Drehgeber 17 funktioniert nach dem Hall-Prinzip. Er enthält ein ringförmiges Geberelement 18 und ein außerhalb der Drehachse 6 platziertes Sensorelement 19, das bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere nicht näher dargestellte Hall-Sensoren umfasst und wiederum mittels der Platine 12 an die Innenfläche 13 des Lagerschilds 5 angeklebt ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist das Geberelement 18 nicht in einer Aussparung 10 an der Stirnseite 11 angeordnet. Vielmehr verläuft es in Umfangsrichtung um die Drehachse 6 in einem Abschnitt 20 der Welle 2, der einen reduzierten Durchmesser aufweist. Dieser Abschnitt 20 grenzt beim Ausführungsbeispiel direkt an die Stirnseite 11 der Welle 2 an. Dadurch ist eine sehr gute magnetische Kopplung zwischen dem Geberelement 18 und dem Sensorelement 19 gewährleistet.
In 5 ist eine Draufsicht auf das ringförmige Geberelement 18 gezeigt. Es setzt sich aus mehreren, als Dauermagnete ausgebildete Magnetelementen 21 und 22 zusammen, die jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind und in Umfangsrichtung mit abwechselnder Magnetpolarisierung nebeneinander angeordnet sind. Entsprechend liefert auch der Drehgeber 17 ein rechteckförmiges oder impulsförmiges Ausgangssignal, das sich sehr gut zur Weiterverarbeitung eignet.
Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß 1 und 3 haben jeweils ein geschlossenes Lagerschild 5, so dass eine Wellenabdichtung entfallen kann. Trotzdem sind auf der dem Innenraum abgewandten Seite des Lagerschilds 5 ggf. vorhandene Komponenten, wie beispielsweise eine Umrichtereinheit, gegenüber dem Innenraum abgedichtet. Im Innenraum sind u.a. der Rotor und der Stator der elektrischen Maschinen 1 bzw. 16 angeordnet.
Weiterhin ist bei beiden Ausführungsbeispielen keine aufwändige Justage bei der Montage der jeweiligen Drehgeber 7 bzw. 17 erforderlich. Das Sensorelement 9 bzw. 19 kann mit verhältnismäßig großen Montagetoleranzen in Relation zum Geberelement 8 bzw. 18 platziert werden. Es ist ausreichend, wenn die von den mit der Welle 2 mit rotierenden Geberelementen 8 bzw. 18 erzeugten Magnetfelder von den Sensorelementen 9 bzw. 19 erfasst werden.
In 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 23 mit einem integrierten Drehgeber 24 nach dem Hall-Prinzip dargestellt. Der Drehgeber 24 enthält ähnlich wie der Drehgeber 7 gemäß 1 bis 3 ein zentrisch an der Stirnseite 11 der Welle 2 angeordnetes Geberelement 25 sowie ein mechanisch entkoppeltes Sensorelement 26, das auf einer Platine 27 einer Umrichtereinheit 28 platziert ist. Im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen enthält die Maschine 23 ein Lagerschild 29 mit einer zentrischen Öffnung 30, durch die die Welle 2 in ihrem Endbereich 3 hindurchgeführt ist, so dass die Stirnseite 11 der Welle 2 auf der vom Drehlager 4 abgewandten Seite des Lagerschilds 29 angeordnet ist. Mittels der Integration des Geberelements 25 in die Stirnseite 11 und des Sensorelements 26 in die ohnehin vorhandene Umrichtereinheit 28, die in Richtung der Drehachse 6 im Anschluss an den Endbereich 3 der Welle 2 angeordnet ist, ergibt sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine sehr platzsparende Realisierung des Drehgebers 24. Wie auch bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen resultiert eine sehr kompakte Antriebslösung, die sich auch zu niedrigen Kosten herstellen lässt.

Claims

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.