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Die
Erfindung betrifft einen Motor mit einer drehbaren Welle und einer
optischen Erfassungseinheit zur Erfassung einer Drehbewegung der
Welle.
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Bei
einem derartigen Motor handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor,
beispielsweise einen Synchron-Servomotor. Die optische Erfassungseinheit
ist als hochgenauer optischer Geber ausgebildet, der z.B. eine an
der Welle angebrachte mit drehende Glasscheibe sowie eine am Ständer des
Motors angebrachte fest stehende Elektronikteileinheit umfasst.
Die mit Strichmarkierungen versehene Glasscheibe wird mit einem
von einer Leuchtdiode erzeugten Abfrage-Lichtsignal bestrahlt. Das passierende
Licht wird als Antwort-Lichtsignal von einer oder mehreren Photodiode/n
empfangen und in ein elektrisches Antwortsignal gewandelt, das in
der Elektronikteileinheit aufbereitet wird. Die Leuchtdiode und
die Photodiode sind Bestandteile der innerhalb des Motors angeordneten
Elektronikteileinheit. Letztere ist mit bis zu fünfzehn elektrischen Leitungen
an eine außerhalb
des Motors angeordnete Auswerteelektronik angeschlossen.
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Die
Signalaufbereitung im Motor und die elektrische Signalführung zur
externen Auswerteelektronik sind aufwändig und kostenträchtig. Die Elektronikkomponenten
sind im Motorinnenraum hohen Rüttel-,
Schock-, und Temperaturbelastungen ausgesetzt, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit steigt.
Eine Reparatur dieser nur äußerst schwer
zugänglichen
Elektronikkomponenten ist praktisch nicht zu realisieren. Weiterhin
ist die EMV-Belastung im Motorinnenraum sehr hoch. Die Schutzmaßnahmen z.B.
in Gestalt eines gesonderten Metallgehäuses oder eines elektromagnetisch
abgeschirmten Teilraums im Motor sind ebenfalls aufwändig. Aufgrund der
integrierten Elektronikkomponenten erhöht sich außerdem die Baugröße des Motors.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Motor der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, der eine störungsunempfindliche Erfassung
der Drehbewegung der Welle ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Motor handelt es sich um
einen solchen, bei dem
- a) die Erfassungseinheit
eine erste elektrooptische Komponente zur Erzeugung eines Abfrage-Lichtsignals,
an der Welle angebrachte und mit dem Abfrage-Lichtsignal bestrahlte
Wechselwirkungsmittel sowie mindestens eine zweite elektrooptische
Komponente zum Empfang eines aufgrund der Bestrahlung der Wechselwirkungsmittel hervorgerufenen
Antwort-Lichtsignals umfasst,
- b) die Wechselwirkungsmittel innerhalb und mindestens eine der
elektrooptischen Komponenten außerhalb
eines Motorgehäuses
angeordnet sind, und
- c) ein zwischen den Wechselwirkungsmitteln und der außerhalb
des Motorgehäuses
angeordneten elektrooptischen Komponente verlaufender erster Lichtwellenleiter
zur Übertragung
des Abfrage- oder des Antwort-Lichtsignals von den Wechselwirkungsmitteln
zu der außerhalb
des Motorgehäuses
angeordneten elektrooptischen Komponente vorgesehen ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Motor
ist zumindest ein Teil der zur Messwerterfassung und -auswertung
benötigten
(Opto-)Elektronikkomponenten in den Motoraußenraum verlagert. Dadurch
werden Probleme wie hohe Rüttel-,
Schock-, Temperatur- und EMV-Belastungen von vornherein vermieden.
Es sind somit keine aufwändigen
Schutzmaßnahmen
zu ergreifen. Die Verlagerung wird insbesondere durch die erfindungsgemäß vorgesehene
optische Übertragung
des Abfrage- oder Antwort-Lichtsignals mittels des ersten Lichtwellenleiters
ermöglicht.
Die Übertragung
erfolgt dabei weitestgehend störungsfrei
und vor allem unbehelligt durch die EMV-Strahlung innerhalb des
Motors. Die Verlagerung von Komponenten in den Außenraum
führt außerdem zu
einer kürzeren Baulänge des
Motors. Die Baugröße verrin gert
sich. Insgesamt lässt
sich der erfindungsgemäße Motor
inklusive der Erfassungseinheit sehr preiswert realisieren.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Motors ergeben sich aus
den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist
eine Variante, bei der alle elektrooptischen Komponenten außerhalb
des Motorgehäuses
angeordnet sind, und insbesondere ein zweiter zwischen den elektrooptischen
Komponenten und den Wechselwirkungsmitteln verlaufender Lichtwellenleiter
vorgesehen ist, wobei der eine der beiden Lichtwellenleiter zur Übertragung
des Abfrage-Lichtsignals und der andere zur Übertragung des Antwort-Lichtsignals
vorgesehen ist. Dadurch werden weitere (Opto-)Elektronikkomponenten
aus dem Motorinnenraum verlagert.
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Ebenso
ist es möglich,
dass alle elektrooptischen Komponenten außerhalb des Motorgehäuses angeordnet
sind und der erste Lichtwellenleiter zur Übertragung sowohl des Abfrage-Lichtsignals
als des Antwort-Lichtsignals vorgesehen ist. Dadurch lässt sich
ein Lichtwellenleiter einsparen. Der vorhandene Lichtwellenleiter
wird dann sowohl zum Einspeisen als auch zum Auslesen verwendet.
Dies ist insbesondere bei einem Pulsbetrieb vorteilhaft. Außerdem lässt sich
diese Variante vorzugsweise dann einsetzen, wenn an den Wechselwirkungsmitteln eine
Reflektion des eingestrahlten Abfrage-Lichtsignals stattfindet.
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Gemäß einer
anderen günstigen
Variante sind zwischen den Wechselwirkungsmitteln einerseits und
dem ersten und/oder zweiten Lichtwellenleiter andererseits optische
Strahlformungsmittel angeordnet. Bei diesen Strahlformungs- oder
Koppelmitteln kann es sich insbesondere um optische Linsen handeln.
Sie erhöhen
den Ein- bzw. Auskoppelwirkungsgrad. Man erhält dann einen höheren Signalpegel,
sodass sich die Auswertung erleichtert. Andererseits könnte man
aber auch mit einer niedrigeren optischen Intensität des von
der Lichtquel le erzeugten Abfrage-Lichtsignals arbeiten, wodurch
sich die Kosten weiter reduzieren lassen.
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Vorzugsweise
ist es weiterhin vorgesehen, dass der erste oder der zweite Lichtwellenleiter
mittels eines Leistungssteckers in das Motorgehäuse geführt ist. Selbstverständlich können auch
beide Lichtwellenleiter so in das oder aus dem Motorgehäuse hinein-
bzw. herausgeführt
werden. Der Leistungsstecker ist insbesondere bei einem Elektromotor
ohnehin vorhanden. Er dient insbesondere zum Anschluss der Motorwicklungen
an das elektrische Netz mittels eines Um- oder Wechselrichters und
umfasst Durchführungen
für die
dazu benötigten
elektrischen Leistungszuleitungen. Verglichen mit diesen elektrischen
Leistungszuleitungen haben die Lichtwellenleiter einen deutlich
kleineren Querschnitt, sodass sie sich ohne weiteres mit in den
Leistungsstecker integrieren lassen. Dann kann ein gesonderter Signalstecker
für die
Lichtwellenleiter entfallen. Dies führt zu einer Kostensenkung.
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Günstig ist
außerdem
eine Variante, bei der die Erfassungseinheit eine Auswerte-Teileinheit
umfasst, und die Auswerte-Teileinheit
außen
am Motorgehäuse
angeordnet ist. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn am Motor
oder motornah ohnehin eine andere Elektronikeinheit vorhanden ist,
in die die Auswerte-Teileinheit der Erfassungseinheit problemlos
mit integriert werden kann. Bei der anderen Elektronikeinheit kann
es sich z.B. um eine Steuereinheit des Motors und/oder um einen
Analog/Digital-Wandler handeln. Die bereits vorhandenen Elektronikkomponenten
können
dann zumindest teilweise auch für die
in der Auswerte-Teileinheit anfallenden Aufgaben verwendet werden.
Dies erhöht
die Effizienz.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Motors mit einer einen Ausgangs-Lichtwellenleiter umfassenden
Erfassungseinheit,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines Motors mit einer einen Eingangs-Lichtwellenleiter und einen Ausgangs-Lichtwellenleiter
umfassenden Erfassungseinheit,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
eines Motors mit einer Erfassungseinheit gemäß 2, bei der
die beiden Lichtwellenleiter durch einen Leistungsstecker in den
Motor geführt
sind, und
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4 ein
Ausführungsbeispiel
eines Motors mit einer Erfassungseinheit gemäß 2, deren Auswerte-Teileinheit
außen
am Motorgehäuse
angeordnet ist.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 bis 4 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Motors 1 in einer Ausführungsform als Elektromotor, insbesondere
als elektrischer Synchron-Servomotor schematisch dargestellt. Die
Hauptkomponenten des Motors 1 sind in einem Motorgehäuse 2 untergebracht
und aus der Darstellung gemäß 1 nicht ersichtlich.
Eine (dreh)antreibbare Welle 3 reicht an einer ersten axialen
Stirnseite 4 des Motors 1 aus dem Motorgehäuse 2 heraus,
um sie mechanisch an eine anzutreibende in 1 nicht
gezeigte Komponente anzuschließen.
Die Ausgestaltung dieser anzutreibenden Komponente hängt vom
Anwendungsfall ab. Elektrische Leistungszuleitungen 5 des
Motors 1 sind mittels eines Leistungssteckers 6 durch die
Wand des Motorgehäuses 2 in
einen Motorinnenraum geführt.
Dort sind sie elektrisch an nicht näher gezeigte Ständerwicklungen
angeschlossen.
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An
einer zweiten axialen Stirnseite 7 des Motors 1 ist
eine zumindest teilweise innerhalb des Motorgehäuses 2 untergebrachte
Erfassungseinheit 8 zur Erfassung der Drehzahl und/oder
des Drehmoments der Welle 3 angeordnet. Die Erfassungseinheit 8 kann
auch als Geber bezeichnet werden. Die Welle 3 ist mechanisch
mit einer Geberwelle 9 verbunden, die synchron mit der
Welle 3 rotiert und die sich an der Stirnseite 7 in
den Bereich des Motorgehäuses 2 erstreckt,
in dem sich auch die übrigen
innerhalb des Motorgehäuses 2 angeordneten
Komponenten der Erfassungseinheit 8 befinden. Grundsätzlich ist
es auch möglich,
dass sich anstelle der Geberwelle 9 unmittelbar die Welle 3 in
den genannten Bereich des Motorgehäuses 2 erstreckt.
Ebenso kann anstelle des einzigen, alle Komponenten aufnehmenden
Motorgehäuses 2 eine
Zweiteilung in ein erstes Gehäuse
für die
Motorhauptkomponenten, wie Ständer, Wicklungen
und Läufer,
und ein daran angefügtes zweites
Gebergehäuse
vorgesehen sein.
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Die
Erfassungseinheit 8 basiert auf einem optischen Prinzip.
Sie umfasst innerhalb des Motorgehäuses 2 eine als Leuchtdiode
ausgeführte
Lichtquelle 10, eine an der Geberwelle 9 angebrachte
und mit Strichmarkierungen versehene Geberscheibe 11 aus
lichtdurchlässigem
Glas, optische Koppelmittel 12 umfassend eine Einkoppellinse
sowie einen mittels eines Signalsteckers 13 aus dem Motorgehäuse 2 herausgeführten Ausgangs-Lichtwellenleiter 14, der
an eine externe Auswerte-Teileinheit 15 angeschlossen ist.
Die Auswerte-Teileinheit 15 ist ebenfalls Bestandteil der
Erfassungseinheit 8. Sie enthält einen als Photodiode ausgeführten Lichtdetektor 16. Die
Lichtquelle 10 und der Lichtdetektor 16 sind elektrooptische
Komponenten.
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Grundsätzlich können auch
mehrere Lichtdetektoren vorgesehen sein, wobei dann insbesondere
jedem Lichtdetektor ein eigener aus dem Motorgehäuse 2 herausgeführter Ausgangs-Lichtwellenleiter
zugeordnet ist.
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Im
Folgenden werden die Funktionsweise und besondere Vorteile des Motors 1 sowie
der Erfassungseinheit 8 näher beschrieben.
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Die
Lichtquelle 10 erzeugt ein Abfrage-Lichtsignal E, das als
Freilichtstrahl auf die mit der Geberwelle 9 mit rotierende
Geberscheibe 11 gerichtet wird. Je nach der aktuellen Drehgeschwindigkeit,
mit der sich auch die Strichmarkierungen der Geberscheibe 11 am
Ort des Auftreffens der Abfrage-Lichtsignals E auf der Geberscheibe 11 vorbeibewegen, passiert
ein Teil des Abfrage-Lichtsignals E die Geberscheibe 11,
um auf der von der Lichtquelle 10 abgewandten Seite der
Geberscheibe 11 als Antwort-Lichtsignal A in Erscheinung
zu treten. Die Drehbewegungen der Strichmarkierungen bewirken im
Antwort-Lichtsignal
A einen charakteristischen und auswertbaren Signalverlauf. Die Geberscheibe 11 ist
also ein Wechselwirkungsmittel, das das Antwort-Lichtsignal A in
Abhängigkeit
von der Drehgeschwindigkeit beeinflusst.
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Das
Antwort-Lichtsignal A wird mittels der optischen Koppelmittel 12 in
den Ausgangs-Lichtwellenleiter 14 eingespeist und in diesem
zur Auswerte-Teileinheit 15 geführt. Dort empfängt der
Lichtdetektor 16 das ankommende Antwort-Lichtsignal A und
wandelt es in ein weiter verarbeitbares elektrisches Signal um.
Nach der anschließenden
Auswertung steht am Ausgang der Auswerte-Teileinheit 15 ein
elektrisches Ausgangssignal S mit einer Information über die
Drehzahl und/oder das Drehmoment der Welle 3 zur Verfügung, das
je nach Bedarf als Eingangsgröße einer
nicht gezeigten Steuer- oder Regeleinheit verwendet werden kann.
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Aufgrund
der optischen Übertragung
des Antwort-Lichtsignals A in den Außenraum des Motors 1 kann
zumindest ein Teil der ansonsten innerhalb des Motorgehäuses 2 vorgesehenen
elektronischen Komponenten in den Außenraum verlagert werden. Dadurch
sinkt die Störanfälligkeit,
wobei zugleich der Aufwand für
die Schutzmaßnahmen
im Motor-Innenraum reduziert werden kann.
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In 2 ist
ein anderes Ausführungsbeispiel eines
Motors 17 mit einer Erfassungseinheit 18 gezeigt.
Der Hauptunterschied zum Motor 1 besteht darin, dass die
Lichtquelle 10 nicht innerhalb des Motorgehäuses 2,
sondern wie auch der Lichtdetektor 16 in einer externen
Auswerte-Teileinheit 19 der Erfassungseineinheit 18 angeordnet
ist. Zur Zuführung des
Abfrage-Lichtsignals
E zur Geberscheibe 11 ist ein zwischen der Auswerte-Teileinheit 19 und
dem Inneren des Motorgehäuses 2 ver laufender
Eingangs-Lichtwellenleiter 20 vorgesehen. Am der Geberscheibe 11 zugewandten
Ende des Eingangs-Lichtwellenleiters 20 sind außerdem optische Koppelmittel 21 in
Form einer Einkoppellinse angeordnet.
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In
der Auswerte-Teileinheit 19 erfolgt die optische Einkopplung
in den Eingangs-Lichtwellenleiter 21 ebenso wie die Auskopplung
aus dem Ausgangs-Lichtwellenleiter 14 mittels optischer
Leiterbahnen, die zusammen mit elektrischen Leiterbahnen in eine
Hybrid-Leiterplatte integriert sind. Damit ist eine sehr genaue
Lagejustage der optischen Ein- und Ausgänge möglich.
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Der
Aufbau des Motors 17 zeichnet sich auch dadurch aus, dass
die Erfassungseinheit 18 keine oder nur wenige – dann allerdings
EMV-unkritische – innerhalb
des Motorgehäuses 2 angeordneten elektronischen
Komponenten enthält.
Mit den beiden Lichtwellenleitern 14 und 20 sowie
den Koppelmitteln 12 und 21 sind dort lediglich
optische Komponenten vorhanden, die sich durch eine sehr hohe Resistenz gegenüber EMV-Störungen auszeichnen.
Damit erübrigen
sich aufwändige
und ansonsten erforderliche EMV-Abschirmmaßnahmen. Außerdem ist der Platzbedarf
der optischen Komponenten sehr gering, sodass der für die Erfassungseinheit 18 innerhalb
des Motorgehäuses 2 bereitzustellende
Bauraum stark verkleinert werden kann. Im Extremfall kann gegebenenfalls
sogar komplett auf einen gesondert für die Erfassungseinheit 18 ausgewiesenen
Bauraum verzichtet werden.
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Ein
in 3 gezeigtes Ausführungsbeispiel eines Motors 22 ist
eine Abwandlung des Motors 17. Die beiden Lichtwellenleitern 14 und 20 sind
zusammen mit den elektrischen Leistungszuleitungen 5 mittels
eines modifizierten Leistungssteckers 23 in das Motorgehäuse 2 eingeführt. Auf
diese Weise lässt sich
der bei den Motoren 1 und 17 vorgesehene gesonderte
Signalstecker 13 einsparen.
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Bei
dem in 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel eines Motors 24 ist
die Auswerte-Teileinheit 19 der Erfassungseinheit 18 unmittelbar an
einer Außenseite
des Motorgehäuses 2 angeordnet.
Sie ist in eine dort ohnehin vorhandene elektronische Baugruppe 25 einer übergeordneten
Steuereinheit integriert. Dies spart Platz und ermöglicht eine teilweise
Doppelnutzung bereits vorhandener Hardware- und Softwarekapazitäten. Außerdem kann
der Signalstecker 13 entfallen. Der Eingangs-Lichtwellenleiter 20 und
der Ausgangs-Lichtwellen 14 sind direkt in die angebaute
Auswerte-Teileinheit 19 geführt.