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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Umfangslage von in Umfangsrichtung beabstandeten Nuten in einem Ankerblechstapel des Läufers eines Elektromotors relativ zur Umfangslage von in Umfangsrichtung beabstandeten Nuten in einem Kommutator des Läufers.
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Läufer von Elektromotoren weisen eine Welle auf, auf der ein Ankerblechstapel angeordnet ist, der über den Umfang gleichmäßig verteilt Nuten (Schlitze) aufweist. Hierdurch werden Umfangsabschnitte gebildet, in denen Drahtwicklungen angeordnet sind. Axial neben dem Ankerblechstapel befindet sich der Kommutator, der gleichermaßen über den Umfang segmentiert bzw. geschlitzt ausgebildet ist. Die Drahtwicklungen sind mit jeweiligen Segmenten des Kommutators elektrisch verbunden. Es handelt sich hierbei um einen an sich bekannten Aufbau des Läufers eines Elektromotors.
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Die Schlitze können sich dabei in Achsrichtung, also „gerade” erstrecken, aber auch unter einem Winkel zur Drehachse des Läufers verlaufen.
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Bei der Herstellung derartiger Läufer ist es unter anderem ein wichtiges Qualitätskriterium, wie genau die Nutenverteilung über den Umfang des Ankerblechstapels mit der Nutenverteilung im Kommutator übereinstimmt. Bei der Qualitätsprüfung eines Läufers sind hierfür maximale Toleranzen vorgegeben.
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Demgemäß wird bei der Prüfung der Läufer (Rotor) auf einer Lagerung gelagert und drehangetrieben. Durch einen Sensor (nachfolgend als „Nutenlagen-Messelement” angesprochen) im Bereich des Ankerblechstapels und einen solchen Sensor im Bereich des Kommutators kann dann gemessen werden, ob und in welcher Weise die Nutenverteilung über den Umfang des Ankerblechstapels mit derjenigen über den Umfang des Kommutators übereinstimmt. Als Sensoren können hier induktive oder optische Messelemente zum Einsatz kommen.
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Problematisch ist die Messsituation nicht nur, aber besonders im Falle dessen, dass es sich um einen schräggenuteten (spiralgenutete) Ankerblechstapel handelt (unten in 2 dargestellt). Wegen der stets gegebenen Toleranzen der einzelnen geometrischen Abmessungen des Läufers kann sich hier das Problem ergeben, dass eine große toleranzbedingte Ungenauigkeit entsteht, was die Anordnung des Nutenlagen-Messelements am Ankerblechstapel anbelangt. Handelt es sich um einen schräggenuteten Ankerblechstapel, gehen toleranzbedingte Abweichungen in der axialen Positionierung direkt in eine Fehlmessung der Nutenlage ein, wenn das Nutenlagen-Messelement nominal in der Mitte der axialen Erstreckung des Ankerblechstapels positioniert ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bereitzustellen, mit dem es möglich ist, auch bei großen Toleranzen in den geometrischen Abmessungen des Läufers sicherzustellen, dass die relative Lage der Nuten im Ankerblechstapel und im Kommutator genau vermessen werden kann. Demgemäß soll der Winkelversatz zwischen der Nutung im Ankerblechstapel und der Nutung im Kommutator präzise erfasst werden können, der ein wichtiges Kriterium bei der Sicherstellung der Funktionalität des Elektromotors ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren die Schritte aufweist:
- a) Messen der axialen Endlage in einem der beiden axialen Endbereiche des Ankerblechstapels durch Verfahren eines Lagesensors in Achsrichtung des Läufers;
- b) Messen der axialen Endlage in dem anderen der beiden axialen Endbereiche des Ankerblechstapels durch Verfahren des Lagesensors in Achsrichtung des Läufers;
- c) Positionieren eines ersten Nutenlagen-Messelements an mindestens einer axialen Position in Achsrichtung des Läufers in Abhängigkeit der in Schritt a) und Schritt b) gemessenen axialen Endlagen des Ankerblechstapels;
- d) Positionieren eines zweiten Nutenlagen-Messelements im Bereich der axialen Erstreckung des Kommutators;
- e) Messen der Nutenlagen des Ankerblechstapels und des Kommutators mit dem ersten und zweiten Nutenlagen-Messelements und Aufzeichnung der gemessenen Werte, um die relative Lage der Nuten im Ankerblechstapel zur Lage der Nuten im Kommutator zu ermitteln.
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Das Positionieren gemäß dem genannten Schritt c) erfolgt bevorzugt so, dass die axiale Mittenlage mittig zwischen den gemessenen axialen Endlagen des Ankerblechstapels gewählt wird.
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Als Lagesensor kann insbesondere ein induktiver Sensor oder ein optischer Sensor verwendet werden.
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Der genannte Schritt d) kann freilich zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, während die Schritte a) bis c) in dieser zeitlichen Abfolge stattfinden.
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Das Positionieren des zweiten Nutenlagen-Messelements im Bereich der axialen Erstreckung des Kommutators gemäß obigem Schritt d) weist bevorzugt die Schritte auf
- d1) Messen der axialen Endlage in einem der beiden axialen Endbereiche des Kommutators durch Verfahren eines Lagesensors in Achsrichtung des Läufers;
- d2) Positionieren des zweiten Nutenlagen-Messelements an einer axialen Position in Achsrichtung des Läufers in Abhängigkeit der in Schritt d1) gemessenen axialen Endlage des Kommutators.
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Das Positionieren gemäß dem genannten Schritt d2) erfolgt dabei bevorzugt so, dass die axiale Mittenlage sich ergibt aus der Summe der gemessenen axialen Endlage und der Hälfte der axialen Breite des Kommutators.
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Als Lagesensor kann auch hier wieder ein induktiver Sensor oder ein optischer Sensor, insbesondere ein einen Laser umfassenden Sensor, verwendet werden.
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Die Messung der Nutenlagen des Ankerblechstapels und des Kommutators und die Aufzeichnung der gemessenen Werte gemäß obigem Schritt e) kann an mehreren verschiedenen axialen Positionen des Ankerblechstapels erfolgen. Das Verfahren wird in dieser Form insbesondere an einem schräggenuteten Ankerblechstapel vorgenommen, um den Verlauf der Nutenlagen über die axiale Erstreckung zu ermitteln.
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Die Positionierung des ersten und/oder zweiten Nutenlagen-Messelements in der gewünschten axialen Position erfolgt bevorzugt so, dass ein Schrittmotor entsprechend angesteuert wird, der über eine Spindel einen Linearschlitten bewegt, der auf einer Führung angeordnet ist, der in Achsrichtung des Läufers verläuft.
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Beim Messen der Nutenlagen des Ankerblechstapels und des Kommutators gemäß obigem Schritt e) können der Läufer von einem Antriebselement gedreht und der Drehwinkel erfasst werden, wobei der Drehwinkel als Referenz für die Nutenlagen des Ankerblechstapels und des Kommutators herangezogen wird.
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Die Ermittlung des Drehwinkels des Läufers während der Messung kann über ein entsprechendes Winkelmesssystem erfolgen, das auf der Achse des Läufers ansetzt. Hierdurch können schlupfbedingte Abweichungen bzw. Fehler vermieden werden (die ansonsten durch eine Unrundheit des Antriebssystems oder durch Unrundheiten am Ankerblechpaket auftreten können, vor allem, wenn der Antrieb durch ein Reibrad erfolgt).
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In vorteilhafter Weise wird es durch das vorgeschlagene Verfahren möglich, trotz möglicher ungünstiger Addition von Toleranzen in der axialen Erstreckung der einzelnen Bauelemente des Läufers die genaue Mitte des Ankerblechstapels festzustellen und so mit der Messung an der genau richtigen Stelle anzusetzen.
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Wenngleich dieser Vorteil insbesondere bei schräggenuteten Ankerblechstapeln eine Rolle spielt, ist er auch bei geradegenuteten Ankerblechstapeln nutzbar, da auch hier bei einem Versatz der Nutung des Ankerblechstapels und des Kommutators Verluste in der Effizienz des Elektromotors auftreten.
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Eine sehr vorteilhafte Nutzung des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass im Falle von schräggenuteten Ankerblechpaketen in einfacher Weise und sehr präzise der Schrägungswinkel der Nutung gemessen werden kann. Hierzu wird das Nutenlagen-Messelement für den Ankerblechstapel an verschiedenen axialen Positionen des Ankerblechstapels positioniert und die Messung durchgeführt. So kann dann leicht der Verlauf der Nut über der axialen Erstreckung des Ankerblechstapels und somit der Schrägungswinkel der Nutung erfasst bzw. gemessen werden.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass das Nutenlagen-Messelement in einfacher Weise und präzise über einen Linearschlitten positioniert werden kann, die von einer Spindel angetrieben wird, die wiederum mit einem Schrittmotor in Verbindung steht. Es ist nach Definition der benötigten Lage des Nutenlagen-Messelements dann möglich, dem Schrittmotor eine entsprechende Anzahl an auszuführenden Schritten vorzugeben, um das Nutenlagen-Messelement hinreichend genau an der entsprechenden axialen Position in Messstellung zu bringen. Ein aufwändiges Wegmesssystem ist hierfür entbehrlich, was die Messvorrichtung entsprechend preiswert macht.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 schematisch die Seitenansicht eines Läufers eines Elektromotors, der auf einer Messvorrichtung angeordnet ist, wobei der Läufer ein geradegenutetes Ankerblechpaket aufweist, und
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2 in der Darstellung gemäß 1 eine alternative Ausgestaltung, bei der ein Läufer mit einem schräggenuteten Ankerblechpaket zu vermessen ist.
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In 1 ist ein Läufer 3 eines Elektromotors zu sehen, der auf Lagern 14, 15 drehbar gelagert ist. Der Läufer umfasst eine Welle 16, auf der ein Ankerblechstapel 2 sowie ein Kommutator 5 axial nebeneinander liegend angeordnet sind. Die Welle 16 hat eine Achsrichtung A. In bekannter Weise weist der Ankerblechstapel 2 eine Nutung auf; die Nuten 1 verlaufen dabei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 gerade, d. h. in Achsrichtung A. Demgemäß ist eine Anzahl Nuten 1 äquidistant über den Umfang U des Ankerblechstapels 2 angeordnet. Die Nuten 1 unterteilen Bereiche des Ankerblechstapels, die mit Drahtwicklungen 17 versehen sind. Die Drahtwicklungen sind mit dem Kommutator 5 elektrisch verbunden. Der Kommutator 5 weist entsprechende Segmente auf, die sich jeweils in Umfangsrichtung U erstrecken und von Nuten 4 unterbrochen sind.
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Diese an sich bekannte Ausgestaltung ist nur zu vermessen, wobei festgestellt werden muss, ob die Position der Nuten 1 im Ankerblechstapel 2 mit der Position der Nuten 4 im Kommutator 5 übereinstimmt. Festgestellt wird dies durch Nutenlagen-Messelemente 9 und 10. Ein erstes Nutenlagen-Messelement 9 ist im axialen Bereich des Ankerblechstapels 2 angeordnet; es erfasst bei der Drehung des Läufers 3 um die Drehachse die Position der Nuten 1. Entsprechend erfasst ein zweites Nutenlagen-Messelement 10 die Lage der Nuten 4 im Kommutator 5. Durch Vergleich der Messwerte kann dann festgestellt werden, ob die relative Lage der Nuten 1 und 4 hinreichend genau ist und der Läufer 3 somit die benötigte Qualität aufweist.
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Damit dies möglichst präzise erfolgen kann, ist vorgesehen, dass das erste Nutenlagen-Messelement 9 wie folgt in Achsrichtung A positioniert wird. Angestrebt wird in der Regel, dass das Nutenlagen-Messelement 9 möglichst genau in der Mitte zwischen den beiden axialen Endbereichen 6 und 8 des Ankerblechstapels 2 angeordnet wird. Hierzu wird in einem ersten Schritt ein Lagesensor 7 auf einer Führung 13 in Achsrichtung A linear bewegt und damit die Lage der Endbereiche 6, 8 ermittelt. In 1 ist mit gestrichelten Linien die Position eingezeichnet, wenn der Lagesensor 7' den Endbereich 6 detektiert, d. h. das linke axiale Ende des Ankerblechstapels 2; die hier gemessene axiale Endlage des Ankerblechstapels ist mit a1 bezeichnet. Ferner ist mit gestrichelten Linien die Position eingezeichnet, wenn der Lagesensor 7'' den Endbereich 8 detektiert, d. h. das rechte axiale Ende des Ankerblechstapels 2; die hier gemessene axiale Endlage des Ankerblechstapels ist mit a2 bezeichnet. Die gewünschte exakte Position des Nutenlagen-Messelements 9, d. h. die axiale Messposition des Ankerblechstapels 2, in der Mittenebene M des Ankerblechstapels 2 ist mit aM angegeben, wobei sich diese Lage ergibt gemäß: aM = ½[a1 + a2]
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Die Lage ist also die Mitte des Ankerblechstapels 2.
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In 2 ist ein ähnliches Vorgehen auch für die Ermittlung der zentrischen Lage des zweiten Nutenlagen-Messelements 10 illustriert, das folgendermaßen erfolgt: Hier ist es in der Regel nicht möglich, die Endkante des Kommutators 5 a1K im axialen Endbereich 11 per Sensor zu ermitteln, da hier die Drähte für die Kontaktierung angeordnet sind und so eine erkennbare Kante fehlt. Daher wird in diesem Falle das zweite Nutenlagen-Messelement 10 zwar auch zentrisch zwischen den beiden Endbereichen 11 und 12 des Kommutators 5 positioniert, wobei diese Lage aber so ermittelt wird, dass nur die axiale Endlage des Kommutators 5 a2K gemessen wird, d. h. die Lage der Endkante im axialen Endbereich 12. Zu diesem gemessenen Wert wird die Hälfte der aus der Konstruktion bekannten axialen Breite b des Kommutators 5 hinzugerechnet, um die Solllage des Nutlagen-Messelements 10 zu erhalten. Die axiale Messposition des Kommutators 5 bei der Position aMK ergibt sich also im Ausführungsbeispiel zu: aMK = a2K + ½b
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In 2 ist des weiteren der Fall illustriert, dass ein schräggenuteter Ankerblechstapel zu vermessen ist. Hierbei kommt naturbedingt der genauen zentrischen Lage des ersten Nutenlagen-Messelements 9 eine besondere Bedeutung zu, um unabhängig von Toleranzen ein präzises Messergebnis zu erhalten.
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Neben der Messung der relativen Lage der Nutung im Ankerblechstapel und im Kommutator werden üblicherweise auch weitere Messungen vorgenommen, die hier allerdings nicht von zentraler Bedeutung sind. Hierzu gehören die Messung des Rundlaufs und der Rundheit des Ankerblechstapels bzw. des Läufers sowie der Segmentsprung, d. h. der Sprung in der radialen Höhe von Segment zu Segment des Kommutators.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können generell auch Zahnräder, insbesondere schrägverzahnte Stirnräder, von denen eine Anzahl mit Winkelversatz auf einer Welle montiert sind, vermessen werden. Analoges gilt beispielsweise für ein Lüfterrad mit Schrägverzahnung, das in einer definierten Referenzposition auf einer Welle anzuordnen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nut im Ankerblechstapel
- 2
- Ankerblechstapel
- 3
- Läufers des Elektromotors
- 4
- Nut im Kommutator
- 5
- Kommutator
- 6
- Endbereich des Ankerblechstapels
- 7
- Lagesensor
- 7'
- Lagesensor in ersten Endbereich des Ankerblechstapels
- 7''
- Lagesensor in zweiten Endbereich des Ankerblechstapels
- 8
- Endbereich des Ankerblechstapels
- 9
- erstes Nutenlagen-Messelement
- 10
- zweites Nutenlagen-Messelement
- 11
- Endbereich des Kommutators
- 12
- Endbereich des Kommutators
- 13
- Führung
- 14
- Lager
- 15
- Lager
- 16
- Welle
- 17
- Drahtwicklung
- A
- Achsrichtung
- U
- Umfangsrichtung
- M
- Mittenebene des Ankerblechstapels
- a1
- axiale Endlage des Ankerblechstapels
- a2
- axiale Endlage des Ankerblechstapels
- aM
- axiale Messposition (Mittenlage) des Ankerblechstapels
- a1K
- axiale Endlage des Kommutators
- a2K
- axiale Endlage des Kommutators
- aMK
- axiale Messposition (Mittenlage) des Kommutators
- b
- axiale Breite des Kommutators
