DE102006039090A1

DE102006039090A1 - Antrieb für Rotationsmaschinen

Info

Publication number: DE102006039090A1
Application number: DE102006039090A
Authority: DE
Inventors: Lothar Wilhelm; Uwe Wolf
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG; KHS GmbH; Schaeffler Industrial Drives AG and Co KG
Priority date: 2006-08-19
Filing date: 2006-08-19
Publication date: 2008-02-21
Also published as: WO2008022737A1; BRPI0714532A2; EP2059471A1; JP2010502160A; MX2009001833A; CN101679011A; US8302767B2; US20100037988A1; CN101679011B

Abstract

Ein Antrieb für Rotationsmaschinen mit einem feststehenden und einem drehbaren Maschinenteil soll so verbessert werden, dass er bei Aufrechterhaltung der Steuer- und Regelgenauigkeit einfacher und kostengünstiger aufgebaut ist und gleichzeitig weniger Verschleiß und Fehleranfälligkeit bietet. Dies wird dadurch erreicht, dass an einem Maschinenteil umlaufend ein Kranz mit einer Mehrzahl von Magneten (27, 37) vorgesehen ist und an dem anderen Maschinenteil wenigstens ein korrespondierender, nur einen Teilsektor des Kranzes überdeckender Stator (28, 38) angeordnet ist, so dass der rotierende Maschinenteil (23) durch ein vom Stator (28, 38) erzeugtes elektromagnetisches Feld in eine definierte Drehung versetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Rotationsmaschinen mit einem feststehenden und einem drehbaren Maschinenteil.
Derartige Rotationsmaschinen kommen beispielsweise als Behälterbehandlungsmaschinen zum Einsatz, bei denen Arzneimittel- oder Getränkebehälter, wie Flaschen oder Dosen und dgl., z. B. gereinigt, befüllt und etikettiert werden. Dabei laufen die Behälter während der Behandlung auf Drehtellern unterschiedlicher Größe um. Je nach Anlagengröße und Verwendungszweck können diese Drehteller beträchtliche Ausmaße annehmen. Sie müssen dabei hohe Drehzahlen verkraften können und trotzdem in ihrer Geschwindigkeit genau regelbar sein, um beispielsweise Kapazitätsschwankungen ausgleichen zu können.
Herkömmlich werden derartige Rotationsmaschinen mittels eines Servomotors angetrieben, der über ein Getriebe, ein Ritzel bewegt, das in eine Verzahnung am rotierenden Maschinenteil eingreift und diesen so dreht.
Nachteilig hierbei ist der komplizierte Aufbau der Gesamtanordnung durch die Notwendigkeit eines Getriebes, das aufgrund der beschriebenen Anforderungen sehr präzise und somit aufwändig gestaltet sein muss. Dieses erhöht außerdem die Fehleranfälligkeit der gesamten Anlage und muss regelmäßig gewartet werden. Da derartige Anlagen häufig in Verbindung mit großen Mengen an Flüssigkeiten betrieben werden, muss die Gesamtanordnung zudem wasserdicht gekapselt werden, was den Aufwand zusätzlich erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb für die beschriebenen Rotationsmaschinen zu schaffen, der bei Aufrechterhaltung der Steuer- und Regelgenauigkeit einfacher und kostengünstiger aufgebaut ist und gleichzeitig weniger Verschleiß und Fehleranfälligkeit bietet.
Die Erfindung erreicht dies durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Durch einen derartig konstruierten Antrieb kann auf die Verwendung eines Servomotors mit Getriebe komplett verzichtet werden. Vielmehr werden an dem drehbaren Maschinenteil, beispielsweise an der Stelle, wo bisher die Verzahnung angeordnet war, ein Kranz mit in regelmäßigen Abständen platzierten Permanent- oder Elektromagneten angeordnet. Diesem gegenüber wird am feststehenden Teil der Maschine ein elektromagnetischer Stator angeordnet, wie er auch in abgewandelter Form bei Linearelektroantrieben Verwendung findet. Dieser ist gebogen und in seinem Radius dem Radius des Magnetkranzes angepasst. Er überdeckt nur einen Teilsektor des umlaufenden Magnetkranzes. Der Stator weist im Inneren eine Spulenanordnung auf, die es ermöglicht, eine tangentiale Kraft auf die ihm gegenüberliegenden Magneten auszuüben und diese so zusammen mit dem gesamten drehbaren Maschinenteil in Rotation zu versetzen. Die Größe des Stators sowie die Anzahl und Anordnung der integrierten Spulen ist von der Größe, den notwendigen Kräften und Drehzahlen abhängig. Durch die Gestaltung des durch die Spulen erzeugten Feldes, wie beispielsweise der Feldstärke und der Feldfrequenz, kann eine genaue Steuerung sowohl der erzeugten Momente als auch der sich ergebenden Drehzahlen unabhängig voneinander erzielt werden.
Es ist möglich, mehrere derartige Statoren um den Magnetkranz herum anzuordnen, wenn dies beispielsweise aufgrund der großen maximalen notwendigen Kräfte zweckmäßig ist.
Je nach Ausgestaltung der Maschine ist es außerdem möglich, die Magneten auf der Innenseite eines kreisförmigen Kranzes anzuordnen und den Stator im Innenumfang dieses Kranzes zu platzieren, der dann in seiner Form an diese Anordnung angepasst ist.
In Ausgestaltung ist der entsprechende Antrieb mit einer Kugeldrehverbindung kombiniert, die den drehbaren Teil der Maschine trägt. Hier können die Magnete beispielsweise am Außenumfang des drehbaren Teils der Kugeldrehverbindung angeordnet sein und der Stator korrespondierend am feststehenden Teil der Drehverbindung.
Der erfindungsgemäße Antrieb ist deutlich kleiner und kompakter und kann gänzlich auf ein Getriebe verzichten. Außerdem weist er außer dem drehbaren Maschinenteil keine zusätzlichen drehbaren Teile mehr auf und ist in einen üblicherweise trockenen Bereich der Maschine verlagert, so dass er keinen Flüssigkeiten oder Reinigungsmitteln mehr ausgesetzt ist, was die Störanfälligkeit und Wartungsintensität des Gesamtsystems erheblich vermindert.
Zur Überwachung der Position bzw. der Drehgeschwindigkeit des drehbaren Maschinenteils ist eine Messeinrichtung vorgesehen, beispielsweise in Form eines auf der Drehachse angeordneten optischen Winkelpositionsgebers.
Diese und weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, die hiermit zum Gegenstand der Beschreibung gemacht werden.
Die Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine schematische Seitenansicht einer Rotationsmaschine gemäß dem Stand der Technik,
2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Rotationsmaschine mit dem erfindungsgemäßen Antrieb,
3 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebes sowie in
4 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebes.
Eine allgemein mit 1 bezeichnete Rotationsmaschine nach dem Stand der Technik ist in 1 näher dargestellt. Sie weist einen feststehenden Maschinenteil 2 und einen drehbaren Maschinenteil 3 auf, die über eine Kugeldrehverbindung 4 miteinander verbunden sind. Am drehbaren Teil sind außen Füllstationen 5 angeordnet, mit denen Getränkeflaschen 6 mit Inhalt gefüllt werden.
Außen am mit dem drehbaren Maschinenteil 3 verbundenen Teil der Kugeldrehverbindung 4 ist eine Verzahnung 7 angeordnet, in die ein Ritzel 8 eingreift, das über ein Getriebe 9 von einem Servomotor 10 angetrieben wird. Durch eine entsprechende Versorgung des Servomotors 10 mit Strom lässt sich somit der drehbare Teil der Maschine antreiben und in der Geschwindigkeit steuern.
Demgegenüber ist der Antrieb nach der Erfindung in 2 näher dargestellt. Auch hier weist die allgemein mit 20 bezeichnete Behälterbehandlungsmaschine einen festen Maschinenteil 22 und einen drehbaren Maschinenteil 23 auf, der um eine Mitteldrehachse 21 gedreht werden kann. Eine Kugeldrehverbindung 24 ist vorgesehen, die den rotierenden Maschinenteil 23 drehbar mit dem festen Maschinenteil 22 verbindet und diesen lagert. Auch hier befinden sich wieder Füllstationen 25 am drehbaren Teil 23 der Behälterbehandlungsmaschine 20, die zur Befüllung von Flaschen 26 mit Getränken dienen.
Außen am drehbaren Teil der Kugeldrehverbindung 24 befinden sich in regelmäßigen Abständen Permanentmagnete 27. Ein elektromagnetischer Stator 28 ist außen umfänglich an der Kugeldrehverbindung 24 angeordnet und überdeckt einen Winkelsektor der Verbindung. Der Stator 28 enthält eine Spulenanordnung, die es erlaubt, ein wechselndes elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Dieses wird anhand eines nicht näher dargestellten Steuergerätes geregelt.
Zur Drehung der Anordnung, die in 3 in einer anderen Ansicht dargestellt ist, wird vom Stator 28 ein Magnetfeld erzeugt, das eine tangentiale Kraft auf die in seinem Bereich liegenden Magneten 27 ausübt, so dass diese beispielsweise im Uhrzeigersinn verschoben werden, was durch die drehbare Anordnung zu einer Drehung des drehbaren Teils 23 führt. Abhängig von Stärke und Frequenz des elektromagnetischen Feldes lässt sich sowohl das gewünschte Drehmoment als auch die gewünschte Drehzahl den Anforderungen nach anpassen und sind so beispielsweise ein kontrolliertes Anfahren der Anlage oder Herunterfahren ermöglichen.
Durch eine entsprechend gestaltete Steuervorrichtung lässt sich sie verbleibende Rotationsenergie im System durch Umschaltung des Stators in eine Generatorspulenkonfiguration zur Energiegewinnung nutzen, beispielsweise um im Falle eines totalen Energieausfalles die Anlage noch mit genügend Energie für ein kontrolliertes Herunterfahren versorgen zu können.
Eine alternative Ausgestaltung ist in 4 näher dargestellt. Ein Kranz 34, der fest mit dem rotierenden Teil einer entsprechenden nicht näher dargestellten Rotationsmaschine verbunden ist, weist hierbei an seinem Innenumfang eine Mehrzahl von Magneten 37 auf. Gegenüber ist ein Stator 38 angeordnet, dessen Spulen an seinem Außenumfang liegen und es so analog der oben beschriebenen Verfahrensweise ermöglichen, die Maschine in Rotation zu versetzen.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in vielfältiger Hinsicht abgewandelt werden, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So sind die genauen Konfigurationen der Rotationsmaschinen nicht festgelegt. Auch die Zahl und Anordnung der Magneten ist in weiten Bereichen variabel, insbesondere von der Größe und den zu erzielenden Kräften und Drehzahlen abhängig. Auch können mehr als ein Stator Verwendung finden.

1: Rotationsmaschine
2: feststehender Maschinenteil
3: drehbarer Maschinenteil
4: Kugeldrehverbindung
5: Füllstation
6: Getränkeflaschen
7: Verzahnung
8: Ritzel
9: Getriebe
10: Servomotor
20: Behälterbehandlungsmaschine
21: Mitteldrehachse
22: fester Maschinenteil
23: drehbarer Maschinenteil
24: Kugeldrehverbindung
25: Füllstation
26: Flaschen
27: Permanentmagnete
28: Stator
34: Kranz
37: Magneten
38: Stator

Claims

Antrieb für Rotationsmaschinen mit einem feststehenden und einem drehbaren Maschinenteil, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Maschinenteil umlaufend ein Kranz mit einer Mehrzahl von Magneten (27, 37) vorgesehen ist und an dem anderen Maschinenteil wenigstens ein korrespondierender, nur einen Teilsektor des Kranzes überdeckender Stator (28, 38) angeordnet ist, so dass der rotierende Maschinenteil (23) durch ein vom Stator (28, 38) erzeugtes elektromagnetisches Feld in eine definierte Drehung versetzbar ist.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (27, 37) an dem drehbaren (23) und der wenigstens eine Stator (28, 38) an dem feststehenden Maschinenteil (22) vorgesehen ist.
Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kranz mit den Magneten (27) am Außenumfang eines Bereiches des drehbaren Maschinenteils (23) vorgesehen und der Stator (28) außerhalb des Bereiches angeordnet ist.
Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kranz mit den Magneten (37) am Innenumfang eines Bereiches des drehbaren Maschinenteils (23) vorgesehen und der Stator (38) innerhalb des Bereiches angeordnet ist.
Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb mit einer Kugeldrehverbindung (24) kombiniert ausgebildet ist.
Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (27) an dem rotierenden Teil der Kugeldrehverbindung (24) angeordnet sind.
Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder Drehgeschwindigkeit des drehbaren Maschinenteils (23) vorgesehen ist.
Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zur Verwendung bei Behälterbehandlungsmaschinen ausgebildet ist.