DE102005009607B4

DE102005009607B4 - Antrieb und Verfahren zur Überwachung dieses Antriebs

Info

Publication number: DE102005009607B4
Application number: DE102005009607A
Authority: DE
Inventors: Gregor Dietz; Oliver Jäger
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2025-03-01
Also published as: DE102005009607A1

Abstract

Antrieb, umfassend einen Elektromotor und einen Winkelsensor (5),
– wobei der Elektromotor und der Winkelsensor (5) jeweils einen Rotor umfassen und der Rotor des Elektromotors eine Rotorwelle (3) aufweist, auf deren Endbereich ein Lüfter (12, 13) angeordnet ist,
– wobei der Rotor des Winkelsensors (5) kraftschlüssig und formschlüssig lösbar mit dem Rotor des Motors verbunden ist und zum kraftschlüssigen Verbinden eine in eine endseitige Bohrung der Rotorwelle (3) eintauchende Spreizwelle (8) des Winkelsensors (5) verwendet wird,
– wobei die formschlüssige Verbindung axial im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung vorgesehen ist,
– wobei zum formschlüssigen Verbinden ein Stift (10) vorgesehen ist,
– wobei der Stift (10) durch eine Bohrung der Rotorwelle (3) gesteckt ist und dabei in einer Ausnehmung der Spreizwelle (8) angeordnet ist,
– wobei der Stift (10) in radialer Richtung durch den Lüfter (12, 13), insbesondere mittels dessen Lüfterwelle (12), gesichert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb und ein Verfahren zur Überwachung dieses Antriebs.
Aus der DE 199 24 735 A1 ist eine Spreizwellenverbindung bei einem an einen Motor anbaubaren Geber bekannt. Motor und Geber sind Komponenten eines Antriebes für eine Anlage, beispielsweise Maschine. Der Motor ist von einem Umrichter aus versorgbar, welcher zur Regelung Informationen des Gebers verwendet. Außerdem ist auf der Motorwelle ein Lüfter angeordnet, wie aus 2 der DE 199 24 735 A1 ersichtlich.
Nachteilig ist dabei, dass bei Versagen dieser Verbindung ein den Elektromotor versorgender Umrichter keine zur Regelung verwendbaren Signale vom Geber erhält. Somit kann der Antrieb seine Funktion nicht mehr ausführen und es kann bei manchen Sorten von Anlagen ein Sicherheitsproblem entstehen.
Aus der DE 39 39 868 A1 ist ein Drehzahlaufnehmer für bürstenlose Motoren bekannt, wobei der Drehzahlaufnehmer auch einen Rotorlagegeber umfasst. Rotorlagegeber und Motor weisen jeweils einen Rotor auf.
Aus der JP 07-170 696 A ist ebenfalls ein Servomotor mit Drehlagensensor, dessen Rotor weiter mit dem Rotor des Motors mitgedreht wird, auch wenn eine Kupplungsschraube lose ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei Anlagen zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antrieb nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren zur Überwachung dieses Antriebs nach den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antrieb sind, dass der Antrieb Elektromotor und Winkelsensor umfasst, wobei der Elektromotor und der Winkelsensor jeweils einen Rotor umfassen, wobei der Rotor des Winkelsensors kraftschlüssig und formschlüssig lösbar verbunden ist mit dem Rotor des Motors.
Von Vorteil ist dabei, dass zwei Verbindungsarten vorhanden sind. Somit ist eine doppelte und damit erhöhte Sicherheit realisiert. Es liegt sozusagen eine mechanisch gesehen, zweikanalige Sicherheit vor.
Insbesondere ist bei der Erfindung die formschlüssige Verbindung axial im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung vorgesehen ist. Somit ist eine sehr kompakte Lösung ausgeführt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zum kraftschlüssigen Verbinden eine Spreizwelle verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige und einfach zu montierende Verbindung verwendet wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die formschlüssige Verbindung ein derart großes Spiel in radialer Richtung auf, dass sie erst nach Versagen der kraftschlüssigen Verbindung drehmomentübertragend wird. Von Vorteil ist dabei, dass die formschlüssige Verbindung über die Standzeit der kraftschlüssigen Verbindung geschont bleibt. Erst nach Versagen derselben wird die formschlüssige Verbindung verwendet und kann somit ganz frisch aktiviert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zum formschlüssigen Verbinden ein Stift vorgesehen, wobei der Stift durch eine Bohrung der Rotorwelle gesteckt ist und dabei in einer Ausnehmung der Spreizwelle angeordnet ist. Insbesondere ist die Bohrung quer zur zentrischen, für die Spreizwelle vorgesehenen Bohrung in der Rotorwelle ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass ein Mitnehmen des Rotors durch den anderen Rotor realisierbar ist. Der Stift ist also in radialer Richtung einsteckbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ausnehmung ein Schlitz, insbesondere in axialer Richtung. Von Vorteil ist dabei, dass ein für die Spreizwelle verwendeter Schlitz verwendbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Spreizwelle im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung vier Ausnehmungen am Umfang auf, von denen zwei der Ausnehmungen in Umfangsrichtung breiter gestaltet sind für die formschlüssige Verbindung. Von Vorteil ist dabei, dass ein Stift mit großem Durchmesser aufgenommen werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Bereich der formschlüssigen Verbindung ein Lüfter, insbesondere umfassend Lüfterwelle und Lüfterflügel, auf der Rotorwelle vorgesehen. Insbesondere ist der Stift in radialer Richtung mittels dem Lüfter, insbesondere mittels der Lüfterwelle, gesichert. Von Vorteil ist dabei, dass kein weiteres separates Sicherungselement für den Stift vorzusehen ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antrieb einen den Elektromotor versorgenden Umrichter, welchem Signale des Winkelsensors zuführbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass der die Winkellage des Rotors bestimmbar ist und Modellwerte von physikalischen Größen bildbar sind. Dazu ist es auch vorteilhaft, die Motorströme des Elektromotors zu erfassen und dem Umrichter zuzuführen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter Mittel zum Erkennen eines Spiels zwischen den Rotoren des Motors und des Gebers auf. Von Vorteil ist dabei, dass das Versagen der kraftschlüssigen Verbindung feststellbar ist und davon abhängig eine Warninformation oder ein Notsignal vom Umrichter erzeugbar ist. Warninformationen werden über Feldbus übertragen und/oder mit Mitteln zur optischen und/oder akustischen Anzeige bemerkbar gemacht.
Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass das Verfahren zur Überwachung eines Antriebs dient, wobei

– ein Modellwert für das Massenträgheitsmoment der drehbaren Teile, umfassend Rotor des Elektromotors und Rotor des Winkelsensors, gebildet wird,
– bei Drehrichtungsumkehr aus dem Verlauf des Massenträgheitsmoments ein Wert für das Spiel der Verbindung des Rotors des Elektromotors und des Rotors des Winkelsensors bestimmt wird,
– bei Überschreiten eines kritischen Wertes des Spiels eine Warn-Information vom Umrichter herausgegeben wird, insbesondere per Feldbus an einen weiteren Busteilnehmer.

Alternativ wird das Verfahren derart ausgeführt, dass

– bei Drehrichtungsumkehr aus dem Verlauf des Winkelwertes, seiner ersten zeitlichen Ableitung, seiner zweiten zeitlichen Ableitung und/oder seiner dritten zeitlichen Ableitung ein Wert für das Spiel der Verbindung des Rotors des Elektromotors und des Rotors des Winkelsensors bestimmt wird,
– bei Überschreiten eines kritischen Wertes des Spiels eine Warn-Information vom Umrichter herausgegeben wird, insbesondere per Feldbus an einen weiteren Busteilnehmer.

Von Vorteil ist dabei, dass der zeitliche Verlauf dieser Größen, also Winkel-Zeit-Funktion, deren Ableitungen und/oder Massenträgheitsmoment bestimmt wird und aus deren Verlauf bei Drehrichtungsumkehr, also Änderungsverhalten, das Spiel zwischen den Rotoren des Elektromotors und des Gebers bestimmbar wird. Besonders einfach und genau ist die Bestimmung bei lastfreiem Betrieb. Bei Vorhandensein einer Last muss der Umrichter auch Informationen über Kenngrößen des Rotors und des Gebers erhalten. Auf diese Weise ist besonders einfach ein Überwachen der erwarteten Werte ermöglicht.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist der Verbindungsbereich der Spreizwelle gezeigt.
In der 2 ist ein Schnitt durch den B-seitigen Endbereich eines Elektromotors mit Geber, also Winkelsensor, gezeigt.
Das Motorgehäuse weist einen Lagersitz zur Aufnahme des B-seitigen Lagers für die Rotorwelle 3 auf. Die Rotorwelle 3 ist an ihrem B-seitigen Ende mit der Welle des Winkelsensors 5 verbunden. Die Welle ist im Winkelsensor 5 gelagert.
Die Welle ist an ihrem motorseitigen Ende als Spreizwelle 8 ausgeführt und somit mit der Rotorwelle 3 kraftschlüssig verbindbar.
Das Haube 1 zum Schutz des Gebers, also Winkelsensors 5, ist zusammen mit der Lüfterhaube 2 mit dem Motorgehäuse lösbar verbunden. Hierzu sind Bohrungen 4 für die lösbare Verbindung der Lüfterhaube 2 mit dem Motorflansch mittels Verbindungsschrauben vorgesehen.
Der Winkelsensor 5 weist einen Deckel 6 auf, der abnehmbar ist und somit eine Ausnehmung vorgesehen ist zur Durchführung eines Schraubendreher, mit welchem die Zentralschraube 9 drehbar ist, damit der Spreizwellenkeil 11 zur Aufspreizung der Spreizwelle 8 und somit zur kraftschlüssigen Verbindung derselben mit der Rotorwelle 3 in axialer Richtung bewegbar ist.
In einer Bohrung in der Rotorwelle 3 ist ein Zylinderstift 10 vorgesehen, der in Ausnehmungen der Spreizwelle 8 eingeschoben ist und somit eine formschlüssige Verbindung darstellt, die auch ein Spiel aufweisen kann. Dies ist in 2 deutlich und vergrößert skizziert.
Auf diese Weise ist besonders vorteilhaft, dass die Lüfterflügel 13 tragende Lüfterwelle 12 im Bereich 14 der Rotorwelle 3, welcher die formschlüssige Verbindung umfasst, vorsehbar ist.
Denn bei der Montage wird zuerst der Zylinderstift 10 in die Bohrung der Rotorwelle 3 in radialer Richtung eingeschoben und danach die Lüfterwelle 12 aufgesetzt. Dann wird die Spreizwelle 8 in die Rotorwelle 3 eingeführt. Somit wird beim Einschieben die formschlüssige Verbindung nach dem Aufsetzen der Lüfterwelle, also nach dem Besetzen des Bereiches 14 der Rotorwelle 3, erstellt. Darauf schließt sich die Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung mittels Drehens der Zentralschraube 9 an.
Der Winkelsensor 5 ist mit einer Drehmomentstütze 7 an der Lüfterhaube 2 verbunden.
Der Zylinderstift 10 dient zur zusätzlichen formschlüssigen Verbindung mit der Spreizwelle 8. Somit ist die Verbindung der Welle des Winkelsensors 5 mit der Rotorwelle 3 kraftschlüssig und formschlüssig ausgeführt.
Wie in 1 gezeigt, weist die Spreizwelle 8 als Schlitz ausgeführte Nuten auf in ihrem motorseitigen Endbereich.
Wenn bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Stift derart ausgeführt wird, dass er den Schlitz an beiden Wänden berührt, ist eine spielfreie formschlüssige Verbindung mit der kraftschlüssigen Verbindung gekoppelt. Dann sind die vom Winkelsensor bestimmten Winkelwerte auch bei Versagen der kraftschlüssigen Verbindung völlig korrekt und es geht keine Winkelinformation verloren. Nachteilig ist dabei jedoch, dass ein Versagen der kraftschlüssigen Verbindung mit keinem Mittel feststellbar und bestimmbar ist.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist daher der Stift 10 derart klein ausgeführt, dass die formschlüssige Verbindung Spiel aufweist. Somit ist nach Versagen der kraftschlüssigen Verbindung und besonders bei Drehrichtungsumkehr eine Erkennung des Spiels durch eine elektronische Schaltung, wie beispielsweise ein den Elektromotor versorgender Umrichter, wie Frequenzumrichter, ermöglicht. Der Umrichter empfängt für das Ausführen des Regelverfahrens Daten des Winkelsensors und muss bei Drehrichtungsumkehr eine geeignete Auswertung der ihm zur Verfügung stehenden Informationen ausführen. Auf diese Weise ist das Spiel erkennbar und eine Warninformation, beispielsweise zum Veranlassen einer Reparatur oder Wartung, herausgebbar, insbesondere über Feldbus an einen weiteren Busteilnehmer, wie auch Zentralrechner.
Die Überwachung des Spiels kann dadurch erfolgen, dass

Dazu ist es vorteilhaft, dass

Denn die höheren zeitlichen Ableitungen, wie beispielsweise die dritte zeitliche Ableitung, sind Werte von physikalischen Größen, wie beispielsweise Ruck, die bei Auftreten des Spiels verstärkt vorhanden sind. Die kritischen Werte werden derart festgelegt, dass sie im Normalbetrieb nicht überschritten werden.
In 2 ist auch eine Bohrung 20 zur Aufnahme von Fixiermitteln vorgesehen. Diese ist aber zur Funktionsweise der geschilderten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele nicht notwendig. Im Stand der Technik war diese Bohrung jedoch notwendig, da sie zur Fixierung der Spreizwelle gegen relatives Verdrehen zur Zentralschraube 9 notwendig ist. Dazu ist die Bohrung als Gewindebohrung ausführbar und eine Konterschraube einschraubbar, die die Spreizwelle gegen die Zentralschraube 9 verklemmt. Für die Funktion des Ausführungsbeispiels nach 1 und 2 kann diese Fixierung aber entfallen. Trotzdem ist sie dann von Vorteil, wenn der Winkelsensor innerhalb einer Baureihe auch für andere Motoren verwendet werden soll, die keine erfindungsgemäße formschlüssige Verbindung, wie den Stift 10, aufweisen. Somit sind die Lagerkosten reduzierbar, da wenige Teile für eine große Variantenvielfalt des Baukastens vorgesehen sind.

1: Haube zum Schutz des Gebers
2: Lüfterhaube
3: Rotorwelle
4: Bohrungen für lösbare Verbindung mit Motorflansch mittels Verbindungsschrauben
5: Winkelsensor
6: Deckel für Winkelsensor
7: Drehmomentstütze
8: Spreizwelle
9: Zentralschraube
10: Stift
11: Spreizwellenkeil
12: Lüfterwelle
13: Lüfterflügel
14: Bereich für Lüfterwelle
20: Bohrung zur Aufnahme von Fixiermitteln

Claims

Antrieb, umfassend einen Elektromotor und einen Winkelsensor (5), – wobei der Elektromotor und der Winkelsensor (5) jeweils einen Rotor umfassen und der Rotor des Elektromotors eine Rotorwelle (3) aufweist, auf deren Endbereich ein Lüfter (12, 13) angeordnet ist, – wobei der Rotor des Winkelsensors (5) kraftschlüssig und formschlüssig lösbar mit dem Rotor des Motors verbunden ist und zum kraftschlüssigen Verbinden eine in eine endseitige Bohrung der Rotorwelle (3) eintauchende Spreizwelle (8) des Winkelsensors (5) verwendet wird, – wobei die formschlüssige Verbindung axial im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung vorgesehen ist, – wobei zum formschlüssigen Verbinden ein Stift (10) vorgesehen ist, – wobei der Stift (10) durch eine Bohrung der Rotorwelle (3) gesteckt ist und dabei in einer Ausnehmung der Spreizwelle (8) angeordnet ist, – wobei der Stift (10) in radialer Richtung durch den Lüfter (12, 13), insbesondere mittels dessen Lüfterwelle (12), gesichert wird.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung ein derart großes Spiel in radialer Richtung aufweist, dass sie erst nach Versagen der kraftschlüssigen Verbindung Drehmoment überfragend wirkt.
Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung quer zur zentrischen, für die Spreizwelle (8) vorgesehenen Bohrung in der Rotorwelle (3) ausgeführt ist.
Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung ein Schlitz ist, insbesondere ein in axialer Richtung verlaufender Schlitz.
Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizwelle (8) im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung vier Ausnehmungen am Umfang aufweist, von denen zwei der Ausnehmungen in Umfangsrichtung breiter gestaltet sind für die formschlüssige Verbindung, insbesondere um einen Stift (10) mit großem Durchmesser aufnehmen zu können.
Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb einen den Elektromotor versorgenden Umrichter umfasst, welchem Signale des Winkelsensors (5) zuführbar sind.
Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter Mittel zur Erfassung des Verlaufes des Winkelwertes des Rotors des Winkelsensors (5) aufweist, die zum Erkennen eines Spiels zwischen dem Rotor des Elektromotors und Rotor des Winkelsensors (5) Mittel zur Bildung der ersten zeitlichen Ableitung, der zweiten zeitlichen Ableitung und/oder der dritten zeitlichen Ableitung umfassen.
Verfahren zur Überwachung eines Antriebs nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – bei Drehrichtungsumkehr aus dem Verlauf des Winkelwertes, seiner ersten zeitlichen Ableitung, seiner zweiten zeitlichen Ableitung und/oder seiner dritten zeitlichen Ableitung ein Wert für das Spiel der Verbindung des Rotors des Elektromotors und des Rotors des Winkelsensors (5) bestimmt wird, und – bei Überschreiten eines kritischen Wertes des Spiels eine Warn-Information vom Umrichter herausgegeben wird, insbesondere per Feldbus an einen weiteren Busteilnehmer.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Modellwert für das Massenträgheitsmoment der drehbaren Teile, umfassend den Rotor des Elektromotors, den Lüfter (12, 13) und den Rotor des Winkelsensors (5), gebildet wird, und – bei Überschreiten eines kritischen Wertes des Spiels eine Warn-Information vom Umrichter herausgegeben wird, insbesondere per Feldbus an einen weiteren Busteilnehmer.