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Die
Erfindung betrifft einen Drehgeber mit einem Sensor zur Erfassung
einer von der Drehstellung eines drehbaren Objekts abhängigen Messgröße. Der
Drehgeber weist zumindest einen Drehgebersignalausgang zur Ausgabe
eines mit der Messgröße korrespondierenden
Drehsignals auf.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem
derartigen Drehgeber.
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Drehgeber
dienen zur Messung von Wegstrecken, Geschwindigkeiten oder Drehwinkeln
eines mit dem Drehgeber verbundenen drehbaren Objekts. Die Drehgeber
weisen dazu einen Sensor zur Erfassung einer Drehstellung oder Drehstellungsänderung auf.
Derartige Drehgeber sind in der Lage, einen Drehwinkel mit sehr
hoher Drehwinkelauflösung,
wie z.B. mit einer Auflösung
von 0,1°,
zu erfassen.
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Im
industriellen Umfeld werden Drehgeber z.B. in Werkzeugmaschinen,
in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik und an Mess- und
Prüfeinrichtungen
eingesetzt.
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Der
Drehgeber kann z.B. ein Encoder sein, welcher die absolute Drehwinkelposition
erfasst und welcher ein korrespondierendes kodiertes Signal ausgibt.
Der Drehgeber kann auch ein Inkrementaldrehgeber sein, der z.B.
zwei gegeneinander um 90° versetzte
Signale ausgibt. Aus den beiden Drehgebersignalen können relative
Drehwinkeländerungen ermittelt
werden.
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Weiterhin
sind Inkrementaldrehgeber bekannt, welche zusätzlich bei einem vorbestimmten Drehwinkel
ein Referenzsignal ausgeben. Durch Auswertung dieses Signals kann
der absolute Drehwinkel abgeleitet werden.
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Drehgeber
können
beispielsweise auf einem photoelektrischen oder magnetischen Prinzip
basieren. Im ersteren Fall wird ein Lichtstrahl, der in der Regel
durch eine LED erzeugt wird, durch eine mit Strichen oder Schlitzen
versehene Abtastplatte auf einen photooptischen Sensor – in der
Regel ein Phototransistor – geleitet.
Rotiert die Abtastplatte, wird der Lichtstrahl zwischen LED und
Phototransistor zyklisch moduliert. Aus dem modulierten Signal des Phototransistors
lässt sich
ein entsprechendes Drehgebersignal generieren.
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Derartige
Drehgeber können
z.B. an einem Rotorwellenende einer elektrischen Maschine zur Erfassung
der Drehstellungsänderung
der Rotorwelle angebracht sein. Der Drehgeber kann alternativ über einen
Zahnriemen mit der Rotorwelle verbunden sein. Die Drehgebersignale
werden üblicherweise zur Überwachung
und/oder zur Regelung der elektrischen Maschine benötigt. Die
elektrische Maschine kann z.B. ein Elektromotor oder ein Generator
sein. Sie kann eine Asynchron- oder Synchronmaschine sein.
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Elektrische
Maschinen weisen üblicherweise weitere
Sensoren zur Überwachung
der elektrischen Maschine auf. Bei den Sensoren kann es sich um Temperatursensoren,
Schwingungssensoren, Wicklungsbruchsensoren, um einen zuvor beschriebenen Drehgeber
oder dergleichen handeln. Die Sensoren sind vorzugsweise an überwachungsbedürftigen Stellen
in der elektrischen Maschine angebracht, wie z.B. im Wickelkopf
oder im Bereich der Motorlager.
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Die
zugehörigen
Signale führenden
Sensorsignalleitungen und gegebenenfalls die Spannungsversorgungsleitungen
der Sensoren können
mit einer Klemmleiste verbunden sein. Die Klemmleiste ist vorzugsweise
in einem Klemmenkasten zum externen Anschluss der Sensoren untergebracht.
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Alternativ
kann in der elektrischen Maschine eine Sensorelektronik untergebracht
sein, welche mittels einer Vielzahl von in der elektrischen Maschine
angebrachten Sensoren entspre chende Sensorsignale erfasst. Die erfassten
Sensorsignale können nach
messtechnischer Verarbeitung als Messwerte über eine Busschnittstelle,
wie z.B. über
eine RS232-Schnittstelle, ausgegeben werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Drehgeber anzugeben.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine geeignete elektrische
Maschine mit einem derartigen Drehgeber anzubieten.
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Die
Aufgabe wird mit einem Drehgeber mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
19 genannt. Im Anspruch 20 ist eine geeignete elektrische Maschine
mit einem erfindungsgemäßen Drehgeber
angegeben. Im abhängigen
Anspruch 21 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen
Maschine genannt.
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Erfindungsgemäß weist
der Drehgeber einen Anschluss zum Anschließen zumindest eines weiteren
Sensors auf. Der Drehgeber weist zudem zumindest einen Sensorsignalausgang
zur Ausgabe eines weiteren Signals auf, welches mit einer von dem
zumindest weiteren Sensor erfassten Messgröße korrespondiert.
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Dadurch
reduziert sich vorteilhaft der Montageaufwand zum Anschluss der
weiteren Sensoren.
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Der
Anschluss kann z.B. eine Klemm- oder Buchsenleiste sein, welche
im oder am Drehgeber angebracht ist. In die Klemm- bzw. Buchsenleiste können die
jeweiligen Leitungsenden des weiteren Sensors eingeschoben oder
eingesteckt und dann fixiert werden.
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An
dem jeweiligen Sensorsignalausgang des Drehgebers kann das weitere
und gegebenenfalls das signaltechnisch aufbereitete Signal des jeweiligen
angeschlossenen Sensors abgegriffen oder über eine Signalleitung weitergeführt werden.
Die signaltechnische Aufbereitung kann z.B. eine Verstärkung oder
eine Diskriminierung des jeweiligen Sensorsignals umfassen.
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In
einer Ausführungsform
ist der Anschluss für
den zumindest einen weiteren Sensor als mindestens eine Busschnittstelle
ausgebildet.
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Der
besondere Vorteil dieser Ausgestaltungsform ist, dass Sensoren mit
einem genormten Stecker auf einfache Weise in eine korrespondierende
Busanschlussbuchse des Drehgebers eingesteckt werden können. Der
Montageaufwand reduziert sich nochmals.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die von einem Sensor erfasste Messgröße zumeist
als digitalisierter Messwert vorliegt, der an die Busschnittstelle
des Drehgebers übertragen
wird. Die Busschnittstelle kann z.B. eine genormte USB-Schnittstelle
sein. Ein USB-Stecker sowie eine dazu korrespondierende Buchse weisen
vorteilhaft kompakte Abmessungen auf.
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Ein
weiterer Vorteil der USB-Schnittstelle ist, dass ein eingesteckter
Sensor sowie die sensorseitigen USB-Schaltungsteile mit Strom versorgt
werden können.
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Alternativ
kann eine sogenannte Firewire-Schnittstelle auf Basis eines IEEE
1394-Standards, eine CAN-Bus- oder eine I2C-Busschnittstelle verwendet
werden.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weist der Drehgeber eine erste Messerfassungseinheit auf,
welche eingangsseitig mit dem jeweiligen Sensorsignalausgang verbunden
ist und ausgangsseitig zumindest einen Messerfassungsausgang zur Ausgabe
der mit dem zumindest einen weiteren Sensor korrespondierenden Signale
aufweist. Die korrespondierenden Signale können signaltechnisch aufbereitet
sein, wie z.B. verstärkt,
gefiltert oder digitalisiert sein.
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Die
erste Messerfassungseinheit kann ein integriertes Bauelement sein,
welches insbesondere dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von erfassten
weiteren Signalen der Sensoren signaltechnisch aufzubereiten.
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Der
Drehgeber kann alternativ oder zusätzlich eine zweite Messerfassungseinheit
aufweisen, welche eingangsseitig mit dem Drehgebersignalausgang
verbunden ist und ausgangsseitig zumindest einen Messerfassungsausgang
zur Ausgabe des mit der Messgröße korrespondierenden
Drehsignals aufweist.
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Die
zweite Messerfassungseinheit wandelt vorzugsweise die vom Sensor
erfasste Drehstellung des drehbaren Objekts in eine geeignete Messgröße, wie
z.B. in einen Drehwinkel oder in eine Winkelgeschwindigkeit, um.
Die korrespondierenden Drehsignale können signaltechnisch aufbereitet
sein, wie z.B. verstärkt,
gefiltert oder digitalisiert sein.
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Die
zweite Messerfassungseinheit kann wie die erste Messerfassungseinheit
ein integriertes Bauelement sein.
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Im
Besonderen können
die erste und zweite Messerfassungseinheit ein einzelnes Bauelement bilden.
Das Bauelement kann z.B. ein Mikrocontroller oder ein Mikroprozessor
mit einer entsprechenden Anzahl von analogen und/oder digitalen
Ein- und Ausgängen sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
weist die Messerfassungseinheit, das heißt die erste und/oder zweite
Messerfassungseinheit, ein Schnittstellenmodul zur Signalumsetzung auf.
Das Schnittstellenmodul ist eingangsseitig mit dem zumindest einen
Messerfassungsausgang verbunden. Ausgangsseitig weist das Schnittstellenmodul
einen Schnittstellenmodulausgang zur Ausgabe eines korrespondierenden
Schnittstellensignals auf.
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Der
besondere Vorteil dieser Ausführungsform
ist, dass das Drehsignal sowie eine Vielzahl der weiteren Signale
der wei teren Sensoren über
lediglich einen Schnittstellenmodulausgang ausgegeben werden können.
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Vorzugweise
erfolgt die Ausgabe auf Basis eines Zeitmultiplexverfahrens. Dies
bedeutet, dass das Drehsignal sowie die weiteren Signale der weiteren
Sensoren nacheinander zyklisch ausgegeben werden. Die Ausgabe erfolgt
insbesondere in digital kodierter Form. Jedes Signal kann z.B. in
einem 16- oder 32-Bit oder in einem Fließkomma-Datenformat ausgegeben
werden, wobei eine jeweilige digitale Kodierung einem korrespondierenden
Messwert der zugehörigen
Messgröße des jeweiligen
angeschlossenen Sensors entspricht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
vergleicht die Messerfassungseinheit die jeweiligen weiteren Signale
und/oder das Drehsignal mit vorgebbaren Vergleichswerten. Im Falle
einer Überschreitung
bzw. einer Unterschreitung des jeweiligen Vergleichswertes gibt
die Messerfassungseinheit eine Fehlermeldung aus.
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Dadurch
reduziert sich der Überwachungsaufwand
seitens einer an den Drehgeber angeschlossenen Überwachungseinheit. Die Messerfassungseinheit
gibt nur dann eine Fehlermeldung aus, wenn z.B. eine kritische Lagertemperatur
oder ein kritischer Schwingungswert überschritten wird.
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Vorzugsweise
weist die Messerfassungseinheit ein Schnittstellenmodul auf, welches
die Fehlermeldung in ein mit der Fehlermeldung korrespondierendes
Schnittstellenssignal umsetzt. Das Schnittstellensignal ist dann
an einem Schnittstellenmodulausgang ausgebbar.
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Dadurch
wird vorteilhaft die Bauteilanzahl zur Erfassung der weiteren Sensoren
weiter reduziert.
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Die
Messerfassungseinheit kann einer weiteren Ausführungsform zufolge einen Datenspeicher zur
Speicherung von mit den er fassten weiteren Signalen korrespondierenden
Sensordaten aufweisen.
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Dadurch
können
in vorteilhafter Weise auch zeitlich zurückliegende Sensordaten ausgelesen werden.
Auf Basis der Sensordaten ist eine vereinfachte Fehleranalyse, z.B.
bei einem Ausfall der elektrischen Maschine, möglich.
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Die
Sensordaten können
z.B. in einer zeitlichen Ordnung im Sinne einer Historie gespeichert werden.
Der Datenspeicher kann auch als Umlaufspeicher betrieben werden,
welcher nach einer vorgebbaren Speicherumlaufzeit wieder überschrieben wird.
Die Speicherumlaufzeit kann auch für jeden Sensortyp individuell
gewählt
werden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
ist der Drehgeber mit einem Anschlusskabel mit einer Anzahl von
Signalleitungen verbindbar. Vorzugsweise weist der Drehgeber an
einem Drehgebergehäuse eine
Buchse auf, in welche ein Stecker des Anschlusskabels eingesteckt
werden kann.
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Dadurch
kann vorteilhaft die Länge
des Anschlusskabels je nach Entfernung des Drehgebers zu einer Steuer-
oder Auswerteeinheit angepasst werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
weist der Drehgeber ein Anschlusskabel mit einer Anzahl von Signalleitungen
auf.
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Wegen
des Fehlens von Verbindungskontakten ist im Vergleich zur vorherigen
Lösung
eine zuverlässigere
Signalübertragung
möglich.
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Nach
einer Ausführungsform
ist zumindest ein Teil der Signalleitungen mit dem zumindest einen Drehgebersignalausgang
verbunden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann einer weiteren Ausführungsform
zufolge zumindest ein Teil der Signalleitungen mit dem zumindest
einen Sensorsignalausgang verbunden sein.
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Weiterhin
kann alternativ oder zusätzlich
zumindest ein Teil der Signalleitungen mit dem zumindest einen Messerfassungsausgang
der ersten bzw. zweiten Messerfassungseinheit verbunden sein.
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Es
kann weiterhin alternativ oder zusätzlich ein Teil der Signalleitungen
mit einem Schnittstellenmodulausgang verbunden sein. In diesem Fall
reduziert sich die benötigte
Anzahl von Signalleitungen in einem Anschlusskabel beträchtlich.
Dies insbesondere dann, wenn eine Vielzahl der weiteren Signale der
Sensoren und die Drehsignale im Zeitmultiplexverfahren übertragen
werden. In diesem Fall beschränkt
sich die Anzahl der Leitungen auf wenige Signalleitungen bzw. Busleitungen
und Stromversorgungsleitungen zur elektrischen Versorgung der elektronischen
Komponenten im Drehgeber sowie der angeschlossenen Sensoren.
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Vorzugsweise
weist eine weitere Ausführungsform
zufolge der Drehgeber ein Drehgebergehäuse auf. Das Drehgebergehäuse ist
typischerweise aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt. Der Anschluss
zum Anschließen
des zumindest einen weiteren Sensors ist im oder am Drehgebergehäuse angeordnet.
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Der
Anschluss kann, wie eingangs beschrieben, z.B. eine Klemm- oder
Buchsenleiste sein, welche im oder am Drehgeber angebracht ist.
In die Klemm- bzw. Buchsenleiste können die jeweiligen Leitungsenden
des weiteren Sensors eingeschoben oder eingesteckt und dann fixiert
werden.
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Vorzugsweise
schließt
die Klemm- oder Buchsenleiste bündig
mit der Außenseite
des Drehgebergehäuses
ab.
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Der
Montageaufwand zum Anschließen
der Vielzahl von Sensoren sowie der Verdrahtungsaufwand reduzieren
sich erheblich.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weist der Drehgeber alternativ oder zusätzlich ein Sensorkabel mit
einer Anzahl von Sensorleitungen zum Anschluss des zumindest einen
weiteren Sensors auf.
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Dies
ist z.B. vorteilhaft, wenn die zu erfassenden Sensoren räumlich entfernt
vom Drehgeber angeordnet sind.
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Im
Besonderen ist der Drehgeber zum Anschließen zumindest eines Temperatursensors, Schwingungssensors,
Wicklungsbruchsensors oder Schaltkontakts als weiteren Sensor ausgebildet.
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Temperatursensoren
dienen vorzugsweise zur Temperaturerfassung des Lageraußenrings
sowie des Lagerinnenrings. Der Temperatursensor kann z.B. ein PT100-Temperatursensor
sein. Zur Temperaturerfassung von rotierenden Teilen der elektrischen
Maschine, wie des Lagerinnenrings oder der Rotorwelle, können berührungslos
arbeitende Temperatursensoren auf pyroelektrischer Basis verwendet
werden.
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Schwingungssensoren
dienen zur Erfassung von Vibrationen, die durch die elektrische
Maschine oder durch die mit der elektrischen Maschine verbundenen
Antriebskomponenten erzeugt werden. Insbesondere kann eine Unwucht
der elektrischen Maschine auf eine unzulässige Größe hin überwacht werden.
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Schaltkontakte
können
z.B. mechanische Schalter oder Näherungsschalter
sein. Weist die elektrische Maschine, wie z.B. ein Servomotor, eine mechanische
Bremse auf, so können
Bremsbetätigungswege
oder das Erreichen einer Bremsbelagsverschleißgrenze erfasst werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
ist der weitere Sensor Bestandteil des Drehgebers und mit dem Anschluss
des Drehgebers verbunden.
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Dadurch
wird das sensorische Spektrum eines Drehgebers als einzelnes Bauteil über die
Erfassung einer Drehbewegung hinaus vorteilhaft erweitert.
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Die
im Drehgeber integrierten Sensoren können z.B. Schwingungssensoren
sein, welche z.B. über
die Drehgeberwelle oder über
das Drehgebergehäuse
eingekoppelte Schwingungen der elektrischen Maschine oder eines
anderen Anlagenteils überwachen.
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Die
Sensoren können
z.B. Temperatursensoren sein, welche beispielsweise die von der
Rotorwelle an die Drehgeberwelle weitergeleitete Rotortemperatur
erfassen.
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Vorzugsweise
weist der Drehgeber gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ein Drehgebergehäuse
auf. Der zumindest eine weitere Sensor ist in diesem Fall an einer
Innenseite des Drehgebergehäuses
angebracht.
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Dadurch
können
die Sensorsignale schneller und mit einer höheren Genauigkeit erfasst werden.
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Insbesondere
ist ein Schwingungssensor als weiterer Sensor steif an der Innenseite
des Drehgebergehäuses
oder eines angebracht, so dass über das
Drehgebergehäuse
eine gute Körperschallübertragung
zum Schwingungssensor möglicht
ist. Bei einem Temperatursensor als weiteren Sensor ist es vorteilhaft,
wenn zwischen dem Temperatursensor und dem Drehgebergehäuse eine
gut wärmeleitfähige Substanz,
wie z.B. ein wärmeleitfähiger Kleber oder
eine Wärmeleitpaste,
eingebracht wird.
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Der
zumindest eine weitere Sensor kann insbesondere ein Temperatursensor
oder ein Schwingungssensor sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann auch ein Kraftsensor, ein Luftdrucksensor, ein Luftfeuchtigkeitsensor,
ein Magnetfeldsensor etc. im Drehgebergehäuse untergebracht sein.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch eine elektrische Maschine, insbesondere
Elektromotor, gelöst, welche
eine Rotorwelle und einen erfindungsgemäßen Drehgeber aufweist. Der
zumindest eine weitere Sensor ist mit dem Drehgeber verbunden.
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Im
Besonderen ist der zumindest eine weitere Sensor in der elektrischen
Maschine angebracht und mit dem Anschluss des Drehgebers verbunden.
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Dadurch
vereinfacht sich die Fertigung und Montage einer derartigen elektrischen
Maschine erheblich. Zugleich reduziert sich die Komponentenanzahl.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben werden im
Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 einen
Drehgeber nach dem Stand der Technik,
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2 schematisch
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehgebers,
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3 eine
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers,
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4 eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers,
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5 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Drehgeber,
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6 einen
Längsschnitt
durch eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers,
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7 einen
Längsschnitt
durch eine vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers
und
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8 einen
Längsschnitt
durch eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Drehgeber.
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1 zeigt
einen Drehgeber 1 nach dem Stand der Technik. Der Drehgeber 1 weist
einen Sensor 2 zur Erfassung einer von der Drehstellung
eines drehbaren Objekts abhängigen
Messgröße auf.
Die Messgröße kann
z.B. ein Winkel in Gradeinheiten sein. Der gezeigte Drehgeber 1 weist
eine Drehgeberwelle 3 auf, die drehfest mit dem zu erfassenden drehbaren
Objekt verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen A ist die Drehachse
des Drehgebers 1 bzw. der Drehgeberwelle 3 bezeichnet.
Das drehbare Objekt ist aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Es kann sich bei diesem Objekt z.B. um eine Motorwelle,
um einen Drehteller oder dergleichen handeln.
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An
dem drehgeberseitigen Ende der Drehgeberwelle 3 ist eine
mit regelmäßig angeordneten
tangentialen Schlitzen 4 versehene Abtastplatte 5 befestigt. „Tangential" ist eine Richtung
um die Drehachse A herum. Am Rand der Abtastplatte 5 sind
zwei gegeneinander versetzt angeordnete Gabellichtschranken 6a, 6b angebracht,
welche je eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls LS und
einen Phototransistor aufweisen.
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Bei
der in 1 vorliegenden Drehstellung der Abtastplatte 5 kann
der von der Lichtquelle der Gabellichtschranke 6a erzeugte
Lichtstrahl LS durch den Schlitz 4 hindurch treten, während dies
bei der Gabellichtschranke 6b im unteren Teil der 1 nicht der
Fall ist. Rotiert die Abtastplatte 5, so wird der Lichtstrahl
LS durch einen sich vorbeibewegenden Schlitz 4 zyklisch
moduliert. Aus dem modulierten Signal des jeweiligen Phototransistors
der beiden Gabellichtschranken 6a, 6b kann ein
drehstellungs- und richtungsabhängiges
Drehsignal DS erzeugt werden.
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Der
Drehgeber 1 weist eine elektronische Schaltung 7 zur
elektrischen Versorgung, zur messtechnischen Erfassung und zur Auswertung
der modulierten Signale der Gabellichtschran ken 6a, 6b auf. Die
elektronische Schaltung 7 weist einen Drehgebersignalausgang 8 zur
Ausgabe eines mit der Messgröße korrespondierenden
Drehsignals DS auf. Im Beispiel der 1 weist
der Drehgebersignalausgang 8 zwei Anschlüsse auf.
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2 zeigt
schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehgebers 1.
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Erfindungsgemäß weist
der Drehgeber 1 einen Anschluss 9 zum Anschließen zumindest
eines weiteren Sensors 10 auf. Der Anschluss 9 ist
im rechten Teil der 2 dargestellt. Ein weiterer
Sensor 10 kann beispielsweise ein Temperatursensor 101 sein, wie
z.B. ein PT100-Temperatursensor. Er kann ein Schwingungssensors 102 oder
ein Wicklungsbruchsensor sein.
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Die
weiteren Sensoren 10 sind vorzugsweise an überwachungsbedürftigen
Stellen in einer elektrischen Maschine angebracht, wie z.B. im Wickelkopf oder
im Bereich der Motorlager. Ein weiterer Sensor 10 kann
z.B. ein Schaltkontakt 103 sein, wie z.B. ein Reed-Relaiskontakt
oder ein Näherungsschalter.
Der Schaltkontakt 103 dient insbesondere zur Erfassung von
Schaltzuständen
sowie von Betätigungswegen von
beweglichen Komponenten der elektrischen Maschine. Eine bewegliche
Komponente kann z.B. ein Bremszylinder oder ein Stößel sein.
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Zudem
weist der Drehgeber 1 gemäß der Erfindung zumindest einen
Sensorsignalausgang 11 zur Ausgabe eines weiteren Signals
WS auf. Das weitere Signal WS korrespondiert mit einer von dem zumindest
weiteren Sensor 10 erfassten Messgröße. Dies ist im linken Teil
der 2 gezeigt. Ist der weitere Sensor 10 ein
Temperatursensor 101, so kann die korrespondierende Messgröße eine
Temperatur von z.B. 80° C
sein. Ist der weitere Sensor 10 ein Schwingungssensor 102,
so kann die Messgröße eine
Strecke von z.B. 0,5 mm sein. Im Falle eines Schaltkontakts 103 kann
die Messgröße ein binärer logischer
Wert sein, wie z.B. „0" oder „1".
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Mit
dem Bezugszeichen 13 ist eine Signalverschaltungseinheit
bezeichnet. Sie dient zur schaltungstechnischen Verteilung der Stromversorgungsleitungen 12,
der eingangsseitigen Signale des Sensors 2 sowie der weiteren
Sensoren 10 auf die ausgangsseitigen Drehgebersignalausgänge 8 und
Sensorsignalausgänge 11.
Die Verschaltung innerhalb der Signalverschaltungseinheit 13 kann
eine reine Verdrahtung ohne aktive und passive elektronische Bauelemente
sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Signalverschaltungseinheit 13 passive Bauelemente,
wie z.B. Widerstände,
und/oder aktive Bauelemente wie Transistoren, Signaltreiber oder
Komparatoren zur Verstärkung
oder Diskriminierung der eingangsseitigen Sensorsignale aufweisen.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers 1.
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In
diesem Fall weist der Drehgeber 1 eine erste Messerfassungseinheit 15 auf.
Sie ist eingangsseitig mit dem jeweiligen Sensorsignalausgang 11 der
weiteren Sensoren 10 verbunden. Die erste Messerfassungseinheit 15 kann
somit der in 1 beschriebenen Signalverteilungseinheit 13 nachgeschaltet
sein. Auf der Ausgangsseite weist die erste Messerfassungseinheit 15 beispielhaft
drei Messerfassungsausgänge 16 zur
Ausgabe der Sensorsignale WS auf, die mit den angeschlossenen weiteren Sensoren 10 korrespondieren.
Die Signale WS können
mittels der ersten Messerfassungseinheit 15 signaltechnisch
aufbereitet sein, wie z.B. verstärkt,
gefiltert oder digitalisiert sein. Vorzugsweise ist die erste Messerfassungseinheit 15 ein
integriertes Bauelement, wie z.B. ein Mikrocontroller oder Signalprozessor.
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Im
oberen Teil der 3 ist eine zweite Messerfassungseinheit 17 dargestellt,
welche eingangsseitig mit dem Drehgebersignalausgang 8 verbunden ist.
Ausgangsseitig weist die zweite Messerfassungseinheit 17 beispielhaft
zwei Messerfassungs ausgänge 16 zur
Ausgabe des mit der Messgröße korrespondierenden
Drehsignals DS auf.
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Gemäß dem Beispiel
der 3 bilden die erste und zweite Messerfassungseinheit 15, 17 ein einzelnes
Bauelement, wie z.B. einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor.
Ein derartiges Bauelement weist vorzugsweise eine entsprechende
Anzahl von analogen und/oder digitalen Ein- und Ausgängen zur
Verarbeitung der erfassten Sensorsignale DS, WS auf.
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Die
in 2 gezeigte Signalverschaltungseinheit 13 kann
auch in die Messerfassungseinheit 15, 17 integriert
sein.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehgebers 1.
Der Drehgeber 1 in 4 unterscheidet
sich von dem in 3 dargestellten Drehgeber dadurch,
dass die Messerfassungseinheit 15, 17 ein Schnittstellenmodul 20 zur Signalumsetzung
aufweist. Das Schnittstellenmodul 20 ist eingangsseitig
mit den Messerfassungsausgängen 16 gemäß 3 verbunden.
Ausgangsseitig weist es einen Schnittstellenmodulausgang 21 auf, über den
ein korrespondierendes Schnittstellensignal ST ausgegeben werden
kann. Das Schnittstellenmodul 20 weist gemäß dem Beispiel
der 4 zusätzlich
Stromversorgungseingänge 22 zur
elektrischen Versorgung des Schnittstellenmoduls 20 bzw.
der Messerfassungseinheit 15, 17 auf.
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Dadurch
reduziert sich vorteilhaft die Anzahl der für die Übertragung der weiteren Signale
WS sowie gegebenenfalls der Drehsignale DS benötigten Signalleitungen erheblich.
Im Beispiel der vorliegenden 4 ist nur
eine Signalleitung zur Übertragung des
Schnittstellensignals ST vorgesehen.
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Die
Ausgabe des Schnittstellensignals ST erfolgt vorzugsweise auf Basis
eines Zeitmultiplexverfahrens. Dies bedeutet, dass die weiteren
Signale WS und gegebenenfalls das Drehsignal DS nacheinander (vorzugsweise
zyklisch) ausgegeben werden. Die Ausgabe kann insbesondere in digital
kodierter Form erfolgen.
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Das
Schnittstellenmodul 20 kann z.B. eine RS232-, USB-, Firewire-,
CAN-BUS oder I2C-Schnittstelle sein. Das
Schnittstellenmodul 20 kann ein integriertes elektronisches
Bauelement sein oder Teil einer prozessorgestützten Einheit der Messerfassungseinheit 15, 17 sein,
wie z.B. ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor.
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Im
Beispiel der 4 weist die Messerfassungseinheit 15, 17 Mittel 25 auf,
welche die jeweiligen weiteren Signale WS und/oder das Drehsignal DS
mit vorgebbaren Vergleichswerten vergleicht. Im Falle einer Überschreitung
bzw. einer Unterschreitung des jeweiligen Vergleichswertes wird
eine Fehlermeldung F ausgegeben. Die Mittel 25 können elektronische
Bauelemente wie z.B. Komparatoren oder ein Mikrocontroller sein.
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Die
Fehlermeldung F steht an einem Fehlerausgang 26 der Messerfassungseinheit 15, 17 zur Weiterverarbeitung
zur Verfügung.
Die Fehlermeldung F kann alternativ oder zusätzlich auch zusammen mit dem
Schnittstellensignal ST über
den Schnittstellenmodulausgang 21 ausgegeben werden.
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Die
in 4 gezeigte Messerfassungseinheit 15, 17 weist
weiterhin einen elektronischen Datenspeicher 26 auf. Er
dient zur Speicherung von Sensordaten, die mit den erfassten weiteren
Signalen WS korrespondieren. Die Sensordaten liegen insbesondere
in digitaler Form vor. Sie können
z.B. durch eine Analog/Digitalumsetzung der weiteren Signale WS
in der Messerfassungseinheit 15, 17 gewonnen werden.
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Ist
der Anschluss 9 alternativ als Busschnittstelle ausgebildet,
wie z.B. als USB- oder Firewire-Schnittstelle, so liefert der weitere
Sensor 10 am Sensorausgang bereits ein digitales korrespondierendes
Signal WS. In diesem Fall können
die digitalen Sensorwerte als Sensordaten im Datenspeicher 26 gespeichert
werden.
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Der
Datenspeicher 26 kann z.B. als Umlaufspeicher betrieben
werden und nach einer vorgebbaren Speicherumlaufzeit wieder überschrieben
werden. Die Speicherumlaufzeit kann für jeden Sensortyp individuell
gewählt
werden.
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5 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen weiteren erfindungsgemäßen Drehgeber 1. Im
Inneren des Drehgebers 1 ist der aus 1 bekannte Sensor 2 zur
Erfassung einer Drehstellung vorhanden. Mit dem Bezugszeichen 30 ist
ein Drehgebergehäuse
bezeichnet. Es ist z.B. aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt.
Im rechten unteren Teil des Drehgebers 1 ist die Messerfassungseinheit 15, 17 zu
sehen. Mit ihr sind die beiden Gabellichtschranken 6a, 6b zur
Erfassung der Drehstellung über
zwei Verbindungsleitungen 31, 32 verbunden.
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Des
Weiteren weist der Drehgeber 1 ein Anschlusskabel 33 mit
einer Anzahl von Signalleitungen 34 auf, welche mit der
Messerfassungseinheit 15, 17 verbunden sind. Das
Anschlusskabel 33 ist zur Zugentlastung und zur Abdichtung
gegenüber
dem Drehgebergehäuse 30 durch
eine Kabelmuffe 35 geführt.
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Alternativ
kann das Anschlusskabel 33 mit dem Drehgeber 1 verbindbar
sein. In diesem Fall weist der Drehgeber 1 eine korrespondierende
Buchse mit einer Anzahl von Signalleitungen auf. Die Buchse ist
vorzugsweise am Drehgebergehäuse 30 angebracht.
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Im
Beispiel der 5 ist ein Teil der Signalleitungen 34 mit
den Drehgebersignalausgängen 8 und
weiterer Teil mit den Sensorsignalausgängen 11 verbunden.
Die jeweiligen Signalausgänge 8, 11 befinden
sich auf der Messerfassungseinheit 15, 17, insbesondere
auf einer Leiterplatte der Messererfassungseinheit 15, 17.
Die Signalausgänge 8, 11 können z.B.
als Buchsen- oder Stiftleiste oder als Lötpunkte ausgebildet sein. Sie
dienen zum Anschluss der Verbindungsleitungen 31, 32 zum
Sensor 2 und zum Anschluss der Verbindungsleitungen 36 zu
den über
den Anschluss 9 anschließbaren weiteren Sensoren 10.
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Ein
Teil der Sensorleitungen 36 kann weiterhin mit den Messerfassungsausgängen 16 und/oder mit
dem Schnittstellenausgang 21 des Schnittstellenmoduls 20 der
Messerfassungseinheit 15, 17 verbunden sein.
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Im
Beispiel der 5 ist der Anschluss 9 zum
Anschließen
von weiteren Sensoren 10 am Drehgebergehäuse 30 angeordnet.
Der Anschluss 9 ist beispielhaft eine Klemmleiste und an
der Außenseite
des Drehgebergehäuses 30 angebracht.
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Die
Klemmleiste 9 kann alternativ auch in einer Aussparung
im Drehgebergehäuse 30 untergebracht
sein. Vorzugsweise schließt
die Klemmleiste 9 in etwa bündig mit der Außenseite
des Drehgebergehäuses 30 ab.
Der Anschluss 9 kann alternativ auch eine Buchsen- oder
Stiftleiste sein.
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In
die in 5 gezeigte Klemmleiste 9 können sieben
Leitungsenden der weiteren Sensoren 10 eingesteckt und
mit der Klemmleiste 9 verschraubt werden. Die Klemmleiste 9 kann
beispielsweise auch zur Aufnahme von 2, 4, 8, 10 oder
z.B. 17 weiteren Sensoren 10 ausgebildet sein.
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Vorzugsweise
sind zwei oder drei Klemmen für
jeden weiteren Sensor 10 vorgesehen. Eine oder zwei Klemmen
können
zur Stromversorgung der weiteren Sensoren 10 vorgesehen
sein.
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Weiterhin
kann der Anschluss 9 als zumindest eine Busschnittstelle
ausgebildet sein, wie z.B. als USB-, Firewire-, CAN- oder I2C-Busschnittstelle. Im
Falle einer USB- oder Firewire-Schnittstelle
ist eine Stromversorgung für
einen anschließbaren
weiteren Sensor 10 über
die entsprechende USB- oder Firewire-Anschlussbuchse 9 möglich. Es
sind Miniausführungen
der Anschlussbuchsen 9 erhältlich, so dass eine Vielzahl
von Anschlussbuchsen 9 an der Außenseite des Drehgebers 1 angebracht
werden kann. Zum Anschließen
weisen die weiteren Sensoren 10 einen passenden Stecker
an ihrem jeweiligen Leitungsende auf.
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Der
Drehgeber 1 kann zum Anschließen von weiteren Sensoren 10 alternativ
oder zusätzlich
ein Sensorkabel mit einer Anzahl von Sensorleitungen aufweisen.
Das Sensorkabel kann in entsprechender Weise, wie in 5 am
Beispiel des Anschlusskabels 33 gezeigt, durch das Drehgebergehäuse 30 geführt sein
und dort z.B. mit der Messerfassungseinheit 15, 17 verbunden
sein. Das Sensorkabel kann alternativ in eine entsprechende Sensorbuchse
an der Außenseite
des Drehgebers 1 eingesteckt werden. Das Sensorkabel kann
ferner an seinem freien Ende z.B. eine Klemm-, Stift- oder Buchsenleiste
aufweisen. Alternativ können
die jeweiligen Sensorleitungen des Sensorkabels auch im Sinne eines
Kabelbaums direkt mit den weiteren Sensoren 10 „verdrahtet" werden.
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6 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers 1.
Der Drehgeber gemäß 6 unterscheidet
sich von dem in 5 dadurch, dass die weiteren
Sensoren 10 innerhalb des Drehgebers 1 angebracht
sind. Der weitere Sensor 10 ist somit Bestandteil des Drehgebers 1.
Der Drehgeber 1 bildet weiterhin eine Baueinheit. Die gezeigten
weiteren Sensoren 10 sind an den Drehgeber 1 angeschlossen.
Im Beispiel der 6 sind die weiteren Sensoren 10 über nicht
weiter bezeichnete Verbindungsleitungen mit der Messerfassungseinheit 15, 17 verbunden.
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Bei
den weiteren Sensoren 10 handelt es sich vorzugsweise um
Temperatursensoren 101 oder um Schwingungssensoren 102 zur
Erfassung einer von außen
auf den Drehgeber 1 einwirkenden Umgebungswärme oder
Schwingung. Die Umgebungswärme
kann z.B. die Temperatur eines Stators oder eines Maschinengehäuses einer
elektrischen Maschine sein. Die Schwingung oder Vibration kann z.B. von
einer Unwucht innerhalb der elektrischen Maschine stammen. Der weitere
Sensor 20 im Inneren des Drehgebers 1 kann z.B.
auch ein Luftdruck- oder ein Luftfeuchtigkeitssensor sein. Prinzipiell
kann der weitere im Drehgeber 1 untergebrachte Sensor 10 beliebigen
Sensortyps sein, sofern die jeweilige zu erfassende Messgröße über das
Drehgebergehäuse 30 oder über die
Drehgeberwelle 3 erfassbar ist.
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Vorzugsweise
sind die weiteren Sensoren 10 an einer Innenseite des Drehgebergehäuses 30 angebracht.
Dies ist in 6 gezeigt. Im oberen Teil des
Drehgebers 1 ist ein Temperatursensor 101 zur Erfassung
der über
die Außenseite
des Drehgebergehäuses 30 einwirkenden
Wärme dargestellt.
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Im
Bereich eines Lagers 36 zur Führung der Drehgeberwelle 3 ist
ein Schwingungssensor 102 gezeigt, welcher steif mit der
Innenseite des Drehgebergehäuses 30 verbunden
ist. Dadurch ist eine über
die Drehgeberwelle 3 eingekoppelte Schwingung, wie z.B.
aus einem Rotor einer elektrischen Maschine, besonders gut erfassbar.
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Weiterhin
ist im Bereich des Lagers 36 ein weiterer Temperatursensor 101 gezeigt.
Dieser ist über
eine wärmeleitfähige Verbindung 37 mit
der Innenseite des Drehgebergehäuses 30 verbunden.
Dadurch ist eine über
die Drehgeberwelle 3 einwirkende Wärme besonders gut erfassbar.
Die einwirkende Wärme
kann z.B. von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine stammen,
die drehfest und in gewissem Maße
wärmeleitend
mit der Drehgeberwelle 3 verbunden ist.
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Im
unteren Teil der 6 ist ein weiterer Schwingungssensor 102 dargestellt. Über ihn
können
insbesondere Schwingungen über
die Außenseite
des Drehgebergehäuses 30 erfasst
werden.
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7 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers 1.
Diese Ausführungsform
ist eine Kombination aus der ersten und zweiten Ausführungsform
des Drehgebers 1 gemäß 5 und 6.
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In
diesem Fall weist der Drehgeber 1 im Inneren bereits weitere
Sensoren 10 auf. Optional können über den Anschluss 9 weitere
und auf das jeweilige Einsatzgebiet des Drehgebers 1 externe
weitere Sensoren 10 angeschlossen werden. Der Drehgeber 1 gemäß 7 ist
daher besonders flexibel einsetzbar.
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8 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine elektrische Maschine 40 mit einem erfindungsgemäßen Drehgeber 1.
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Die
gezeigte elektrische Maschine 40 ist ein Elektromotor.
Er weist ein Maschinen- bzw. Motorgehäuse 41 auf, in welchem
ein Stator 42 und ein Rotor 43 untergebracht sind.
Der Rotor 43 weist eine Rotorwelle 44 auf, die
in zwei Motorlagern 45 geführt ist. Mit dem Bezugszeichen
B ist eine Drehachse der elektrischen Maschine 40 bezeichnet.
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Die
elektrische Maschine 40 weist weiterhin einen erfindungsgemäßen Drehgeber 1 auf,
dessen Drehgeberwelle 3 drehfest mit der Rotorwelle 44 verbunden
ist. Die Drehgeberwelle 3 ist im Beispiel der 8 in
einer entsprechenden Bohrung an einem axialen Ende der Rotorwelle 44 befestigt.
Ist dagegen die Drehgeberwelle 3 als Hohlwelle ausgebildet,
so kann diese ein axiales Ende der Rotorwelle 44 oder einen
axialen Rotorwellenstumpf drehfest umschließen. In beiden Fällen stimmen
die Drehachse A des Drehgebers 1 und die Drehachse B der
elektrischen Maschine 40 überein. Die Drehgeberwelle 3 kann
alternativ auch über
einen Keil- oder Zahnriemen mit der Rotorwelle 44 verbunden
sein. In diesem Fall ist am Ende der Drehgeberwelle 3 ein
Keil- bzw. Zahnriemenrad angebracht.
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Weiterhin
ist das Drehgebergehäuse 30 des Drehgebers 1 über ein
Verbindungselement 47 mit einer Schutzkappe 46 der
elektrischen Maschine 40 verbunden. Das Verbindungselement 47 dient
als Drehmomentstütze
für den
Drehgeber 1.
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Das
Drehgebergehäuse 30 kann
alternativ Teil des Maschinengehäuses 41 sein.
Das Drehgebergehäuse 30 kann
weiterhin alternativ Teil der Schutzkappe 46 bzw. Teil
eines Lagerschilds der elektrischen Maschine 40 sein.
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Gemäß der Erfindung
ist zumindest ein weiterer Sensor 10 mit dem Drehgeber 1 verbunden.
Im Beispiel der 8 sind sieben weitere Sensoren 10 zur Überwachung
und/oder Steuerung der elektrischen Maschine 40 angebracht.
Die jeweiligen Sensor signalleitungen sind aus Gründen der besseren Übersicht
nur ansatzweise eingezeichnet. Sie werden üblicherweise geschirmt innerhalb
der elektrischen Maschine im Sinne eines Kabelbaums verlegt.
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Im
Beispiel der 8 ist im oberen Teil des Stators 42 der
elektrischen Maschine 40, insbesondere im thermisch kritischen
Wickelkopf, ein Temperatursensor 101 verlegt. Im unteren
Teil des Stators 42 ist beispielhaft ein Wicklungsbruchsensor 104 verlegt.
Im rechten oberen Teil der 8 ist ein
Schwingungssensor 102 gezeigt, welcher an einer Innenseite
des Maschinengehäuses 41 angebracht
ist. Des Weiteren sind Temperatursensoren 101 zur Überwachung
der beiden Motorlager 45 gezeigt. Die radial zur Drehachse
B der elektrischen Maschine weiter außenliegenden Temperatursensoren 101 erfassen eine
jeweilige Lageraußentemperatur.
Die beiden radial weiter innenliegenden Temperatursensoren 101 erfassen
eine jeweilige Lagerinnentemperatur. Die Erfassung erfolgt aufgrund
des sich im Betrieb der elektrischen Maschine 40 drehenden
Lagerinnenrings berührungslos,
wie z.B. mittels eines Infrarot-Temperatursensors auf pyroelektrischer
Basis.
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Der
Drehgeber 1 weist erfindungsgemäß weitere Sensoren 10 auf,
welche Bestandteil des Drehgebers 1 sind. Im Beispiel der 8 weist
der Drehgeber 1 zwei weitere Sensoren 10 auf. Über diese
können
z.B. Schwingungen oder Temperaturen aus der Rotorwelle 44 der
elektrischen Maschine 40 oder aus dem Maschinengehäuse 41 über die Schutzkappe 46 und
weiter über
das Verbindungselement 47 erfasst werden. Das Verbindungselement 47 weist
in diesem Fall einen vergleichsweise geringen Wärmewiderstand und zugleich
eine hohe Steifigkeit auf.