DE102018000674A1

DE102018000674A1 - Positionsmesssystem

Info

Publication number: DE102018000674A1
Application number: DE102018000674.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kleiner; Stefan Basler
Original assignee: Baumer IVO GmbH and Co KG
Current assignee: Baumer Germany & Co Kg De GmbH
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Positionsmesssystem (10) zur Erfassung einer Bewegung und/oder Drehwinkelposition eines über zumindest eine erste Lageranordnung (3) und eine zweite Lageranordnung (4) um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten Maschinenelements (1), mit einer mit dem Maschinenelement (1) drehfest verbundenen Massverkörperung (5), und einer feststehenden Sensoreinheit (6), die zum Erfassen einer Drehwinkelposition des Maschinenelements (1) mit der Massverkörperung (5) funktional zusammenwirkt. Die Massverkörperung (5) und/oder die Sensoreinheit (6) sind in Richtung der Rotationsachse (A) zwischen der ersten Lageranordnung (3) und der zweiten Lageranordnung (4) des Maschinenelements (1) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Positionsmesssystem, insbesondere einen Drehgeber, zur Erfassung einer Bewegung und/oder Drehwinkelposition eines über zumindest eine erste Lageranordnung und eine zweite Lageranordnung, beispielsweise jeweils eine Wälzlageranordnung, um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenelements, mit einer mit dem Maschinenelement drehfest verbindbaren Massverkörperung, und einer feststehenden Sensoreinheit, die zum Erfassen einer Drehwinkelposition des Maschinenelements mit der Massverkörperung funktional zusammenwirkt.
Derartige Positionsmesssysteme sind hinlänglich bekannt und dienen insbesondere zur Erfassung von Drehbewegungen und/oder Winkellagen eines Maschinenelements, insbesondere eines Rotors oder einer Welle, und werden vielfach auch als Winkelmesseinrichtung, Drehwinkelsensor oder Drehgeber bezeichnet. Im Gegensatz zu einfachen Umdrehungszählern erlauben Positionsmesssysteme eine Bestimmung der aktuellen Winkellage des Maschinenelements. Grundsätzlich kann bei solchen Positionsmesssystemen die Erfassung der Winkellage, das heißt das funktionale Zusammenwirken von Massverkörperung und Sensoreinheit, in unterschiedlicher Weise erfolgen, beispielsweise kapazitiv, induktiv, magnetisch und/oder optisch, wobei heutzutage die meisten Systeme eine magnetische oder optische Erfassung nutzen. Bei den magnetisch arbeitenden Systemen umfasst die Massverkörperung zumindest einen Magneten, wobei die Drehbewegung des mit dem Maschinenelement verbundenen Magneten bzw. eines von dem Magneten erzeugten und um die Drehachse rotierenden Magnetfelds oder -vektors erfasst wird. Hierzu dienen als Sensoreinheit, auch Abtasteinrichtung genannt, üblicherweise Magnetfeld-Sensoren, wie Hall- oder XMR-Sensoren. Im Gegensatz zu dieser Ausgestaltung wird bei den optisch arbeitenden Systemen zumeist eine an der drehenden Welle angeordnete und je Winkelmaß unterschiedlich ausgestaltete Markierung mittels einer Lichtquelle in Verbindung mit einer optischen Erfassungseinrichtung, wie einer Kamera oder Lichtschranke, erfasst.
Bei zumindest diesen beiden Arten von Positionsmesssystemen sind die Sensoreinheit und die Massverkörperung zumeist berührungsfrei zueinander angeordnet. Darüber hinaus ist bekannt, dass solche Messsysteme zusätzlich auch der Erfassung von translatorischen bzw. linearen Bewegungen des Maschinenelements dienen können. Die Lagerung des Maschinenelements erfolgt zumeist bevorzugt ausschließlich über die erste und zweite Lageranordnung.
Nicht zuletzt aufgrund der Möglichkeit einer Nachrüstung, Montagefreiheit oder Wartungsfreundlichkeit sind solche Positionsmesssysteme üblicherweise unmittelbar oder mittelbar an einem freien Ende der zu messenden Welle angeordnet. Ein solches Positionsmesssystem ist beispielsweise aus der DE 38 13 610 A1 bekannt. In bestimmten Fällen ist jedoch die Anordnung und/oder Montage des Positionsmesssystems an einem freien Ende der zu messenden Welle, insbesondere aufgrund von vorgegebenen Platzverhältnissen, kompliziert oder gar nicht möglich. Hinzu kommt, dass für eine - beispielsweise staubfreie, magnetische und/oder lichtreduzierte - Abschirmung des Positionsmesssystems stets zusätzliche Bauteile und somit zusätzlicher Platzbedarf erforderlich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Positionsmesssystem bereitzustellen, das zumindest einen der oben genannten Nachteile verbessert und insbesondere für relativ kleine zur Verfügung stehende Bauräume geeignet ist, eine verbesserte Montage und Wartung sowie eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, insbesondere zur Anwendung an einem Elektromotor und/oder einem Aufzug-Antriebssystem.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Positionsmesssystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.
Erfindungsgemäß sind die Massverkörperung und/oder die Sensoreinheit in Richtung der Rotationsachse, das heißt axial, zwischen der ersten Lageranordnung und der zweiten Lageranordnung angeordnet. Dadurch ist eine besonders platzsparende unmittelbare oder mittelbare Anordnung des Positionsmesssystems an dem drehbeweglichen Maschinenelement ermöglicht. Die freien Enden des Maschinenelements können zudem - beispielsweise für andere Anwendungen, wie eine mechanische Kupplung - frei nutzbar bleiben. Ferner kann das Positionsmesssystem ohne zusätzlichen Aufwand oder zusätzliche Bauteile, beispielsweise in axialer Richtung durch die Lageranordnungen vor Umwelteinflüssen, wie Schmutz, Fremdlicht, Fremdmagnetfelder oder elektromagnetische Störungen, geschützt sein. Insbesondere bei Vorliegen einer konstruktiven Anordnung, bei der bereits ein relativer großer Abstand zwischen den beiden Lageranordnungen vorgesehen ist, ist die Anordnung des Positionsmesssystems zwischen diesen beiden Lagern besonders kosteneffizient.
Vorzugsweise sind die Massverkörperung und die Sensoreinheit zueinander berührungsfrei angeordnet. Insbesondere können die Massverkörperung und die Sensoreinheit lagerlos angeordnet sein. Dadurch ist ein besonders wartungsfreundliches und hierdurch im Betrieb kostengünstiges Positionsmesssystem geschaffen. Zudem kann es vorgesehen sein, dass die Massverkörperung und die Sendereinheit entlang der Drehachse des Maschinenelements zumindest teilweise zueinander versetzt angeordnet sind, beispielsweise für eine verbesserte Montage oder Wartung des Systems. Auch hierzu ist die lagerlose Ausgestaltung besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise ist die Sensoreinheit in einem definierten radialen Abstand zu der Rotationsachse, zu dem Maschinenelement und/oder zu der Massverkörperung angeordnet. Beispielsweise kann bei einer gewöhnlich ausgebildeten Maschinenwelle, insbesondere bei einer Innenläuferwelle, die Sensoreinheit radial der Welle, der Massverkörperung gegenüberliegend angeordnet sein, und bei einer als Außenläufer ausgebildeten Maschinenwelle von der Massverkörperung radial außen umgeben angeordnet sein. Dadurch ist eine besonders kompakte Bauform des Positionsmesssystems, insbesondere in axialer Richtung der Drehachse, ermöglicht.
Vorzugsweise umfasst die Massverkörperung zumindest einen Magneten, insbesondere einen Permanentmagneten, und die Sensoreinheit eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines von dem zumindest einen Magneten erzeugten Magnetfelds. Insbesondere kann das Positionsmesssystem als ein magnet-basiertes System ausgebildet sein. Dadurch ist eine besonders exakte, wartungsfreundliche und langlebige Erfassung der Bewegung und/oder Winkellage des Maschinenelements ermöglicht. Dazu kann die Massverkörperung beispielsweise einen magnetischen Dipol umfassen, beispielsweise einen Magnetstift, der in einer Bohrung des Maschinenelements eingesetzt ist. Alternativ kann die Massverkörperung als ein Magnetkörper an einer Seitenwand des Maschinenelements angeordnet sein.
Vorzugsweise weist die Massverkörperung einen Magnetträger auf, in den der zumindest eine Magnet eingesetzt ist. Dadurch kann das Positionsmesssystem besonders unkompliziert und kostengünstig aufgebaut sein. Der Magnetträger ist bevorzugt derart angeordnet, dass der zumindest eine Magnet zu der Rotationsachse des Maschinenelements axial oder radial in den Magnetträger einsetzbar ist.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst die Massverkörperung zumindest eine Markierung und die Sensoreinheit eine Markierungs-Erfassungseinrichtung zum optischen Erfassen der zumindest einen Markierung. Insbesondere kann das Positionsmesssystem als ein optisches System ausgebildet sein. Dazu kann die Massverkörperung beispielsweise mehrere über den Umfang der Massverkörperung bzw. des Maschinenelements gleichmäßig verteilte Markierungen, wie beispielsweise Linien, Punkte oder andere visuell erfassbare Markierungen aufweisen. Beispielsweise sind die über den Umfang verteilten Markierungen jeweils unterschiedlich ausgebildet, beispielsweise als unterschiedlich breite Striche oder Linien. Die Sensoreinheit kann in diesem Fall vorteilhafterweise als eine optische Erfassungseinrichtung, wie eine Lichtschranke oder Kamera und Beleuchtungseinheit ausgebildet sein, welche die an der Massverkörperung angeordneten Markierungen erfassen und bevorzugt einer bestimmten Winkelposition des Rotors zuordnen kann.
Vorzugsweise ist die Sensoreinheit als eine kontinuierlich erfassende Messeinrichtung ausgebildet, sodass ein kontinuierliches Ausgangssignal von der Sensoreinheit ausgebbar ist. Beispielsweise umfasst das Ausgangssignal je nach rotatorischer Lage des Maschinenelements eine zuvor definierte elektrische Spannung. Dadurch kann der Bewegungs- und Lageverlauf des Rotors über die Zeit besonders schnell und exakt erfasst werden. Alternativ gibt die Sensoreinheit punktuelle Messwerte aus, sodass die Bewegung und Winkelposition punktuell zu vorgegebenen Zeiten oder an vorgegebenen Orten detektierbar ist.
Das Maschinenelement kann als eine beliebige bewegte Achse ausgeführt sein, welche rotative oder translatorische Bewegungen durchführt. Bevorzugt ist das Maschinenelement als eine Antriebswelle eines Antriebsmotors ausgeführt. Dadurch kann das Positionsmesssystem unmittelbar an der Antriebswelle angeordnet sein. Dadurch sind zusätzliche Bauteile, wie eine separate Geberwelle und/oder eine Kupplung mit der Antriebswelle, nicht erforderlich. Dies ermöglicht beispielsweise eine besonders exakte und relativ kostengünstige Erfassung der Bewegung und/oder Winkelposition der Antriebswelle.
Vorzugsweise sind die Massverkörperung und die Sensoreinheit von einem durch zumindest einen axialen Abschnitt des Maschinenelements, durch die erste Lageranordnung und durch die zweite Lageranordnung gebildeten, magnetisch geschlossenen und/oder fremdlichtreduzierenden Gehäuse zumindest teilweise umgeben. Dazu sind die Lager und zumindest der axiale Abschnitt des Maschinenelements bevorzugt aus einem magnetisch im Wesentlichen leitfähigen Material hergestellt.
In einer besonders bevorzugten Anwendung ist ein Elektromotor mit dem erfindungsgemässen Positionsmesssystem ausgestattet. Dadurch kann insbesondere bei einem relativ kleinen Elektromotor mit einem begrenzten Bauraum ein besonders platzsparendes, exakt arbeitendes und kostengünstiges Positionsmesssystem zur Verfügung gestellt werden. Der Elektromotor weist dabei ein über zumindest eine erste Lageranordnung und eine zweite Lageranordnung um eine Rotationsachse drehbar gelagertes Maschinenelement, insbesondere eine Welle, auf, wobei zur Erfassung einer Bewegung und/oder Drehwinkelposition dieser Welle ein in Richtung der Rotationsachse axial zwischen der ersten Lageranordnung und der zweiten Lageranordnung angeordnetes Positionsmesssystem, insbesondere zumindest eine Massverkörperung und eine Sensoreinheit des Positionsmesssystems, angeordnet ist.
Vorzugsweise weist der Elektromotor ein zumindest die erste Lageranordnung und zweite Lageranordnung umgebendes Gehäuse auf, wobei zumindest die Massverkörperung und/oder die Sensoreinheit von dem Gehäuse umgeben sind. Dadurch weist der Elektromotor eine besonders kompakte Lagereinheit mit Positionsmesssystem auf.
Besonders bevorzugt umgibt das Gehäuse zusätzlich eine Motoreinheit mit einem Motorrotor und einem Motorstator. Dadurch ist eine besonders kompakte Elektromotoreneinheit mit Positionsmesssystem geschaffen. Hierbei können die erste und zweite Lageranordnung derart angeordnet sein, dass axial zwischen der ersten Lageranordnung und der zweiten Lageranordnung sowohl das Positionsmesssystem als auch die Motoreinheit angeordnet sind. Das Positionsmesssystem kann dabei an der Welle auf einer Lastseite oder einer Nicht-Lastseite der Motoreinheit angeordnet sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann axial zwischen der Motoreinheit und der Massverkörperung und/oder axial zwischen der Motoreinheit und der Sensoreinheit ein Abschirmkörper zum Blockieren einer Störgrösse angeordnet sein. Die Abschirmeinrichtung kann beispielsweise als eine relativ dünnwandige Scheibe ausgebildet sein, bevorzugt mit einer zentrischen Ausnehmung, durch die sich das Maschinenelement erstrecken kann. Vorteilhafterweise ist die Scheibe aus einem magnetisch im Wesentlichen leitenden Material hergestellt, so dass eine Magnetfeldübertragung durch die Scheibe effektiv verhindert werden kann.
Das Positionsmesssystem kann Teil eines Aufzug - Antriebssystems sein. Das Aufzug-Antriebssystem kann insbesondere ein Antriebssystem für einen Personen- oder Frachtaufzug sein, mit einem über zumindest eine erste Lageranordnung und eine zweite Lageranordnung um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenelement, insbesondere eine Welle, wobei zur Erfassung einer Bewegung und/oder Drehwinkelposition des Maschinenelements ein in Richtung der Rotationsachse axial zwischen der ersten Lageranordnung und der zweiten Lageranordnung angeordnetes Positionsmesssystem mit den zuvor genannten Merkmalen angeordnet ist. Dadurch kann insbesondere in einem üblicherweise sehr kleinen, für einen Antrieb eines Aufzugs vorgesehenen Bauraum, insbesondere oberhalb eines Fahrstuhlschachtes, ein besonders platzsparendes, exakt arbeitendes und kostengünstiges Positionsmesssystem zur Verfügung gestellt werden.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele sowie zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:

1 - eine Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Positionsmesssystems;
2a und 2b - jeweils eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems mit magnetischer Erfassung an einem Innenläufer;
3 - eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems mit magnetischer Erfassung an einem Außenläufer;
4a - eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems mit optischer Erfassung an einem Innenläufer;
4b - eine Schnittansicht einer axial abtastenden reflexiven Anordnung;
5a und 5b - jeweils eine Schnittansicht eines Elektromotors mit Maschinenelement und erfindungsgemäßem Positionsmesssystem; und
6 - eine Schnittansicht eines Aufzug-Antriebssystems mit erfindungsgemäßem Positionsmesssystem.

In der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung eines Positionsmesssystems oder Drehgebers 10 an einem drehbar gelagerten Maschinenelement 1 gezeigt. Vorliegend ist das Maschinenelement 1 als eine um eine Dreh- oder Rotationsachse A drehbar gelagerte Welle, insbesondere als Rotor oder Innenläufer, einer nicht weiter dargestellten Maschine ausgebildet. Die sich anschließende, nicht dargestellte Maschine kann beispielsweise ein Antriebsmotor, Aufzug, Verarbeitungsmaschine, Fahrzeug oder jeglicher andere Maschine sein.
Die Welle 1 ist in gewöhnlicher Weise über eine erste Lageranordnung 3 und eine zweite Lageranordnung 4, insbesondere jeweils eine Wälzlageranordnung, gegenüber einem feststehenden Umgebungs- bzw. Statorbauteil 2 gelagert. Für eine verbesserte Kraftverteilung sowie optimierte Kraftübertragung zwischen der Welle 1, den Lagern 3, 4 und dem Stator 2 sind die erste Lageranordnung 3 und eine zweite Lageranordnung 4 entlang der Drehachse A, also in axialer Richtung der Welle 1, nicht unmittelbar benachbart zueinander sondern mit einem definierten Abstand zueinander angeordnet, sodass an der Welle 1 axial zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 üblicherweise ein axialer Zwischenabschnitt 11 ausgebildet ist.
Zur Erfassung einer Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1 ist in einem axialen Wellenendbereich 12, insbesondere an einem ersten freien Ende der Welle 1, ein an sich bekanntes Positionsmesssystem 10, umfassend eine an der Welle 1 angeordnete Massverkörperung 5 und eine an dem Stator 2 angeordnete Sensoreinheit 6 vorgesehen. Dadurch ist jedoch in dem in 1 links dargestellten Bereich der Welle 1 ein zusätzlicher Platzbedarf gegeben bzw. ein zusätzlicher Bau- und Montageraum erfordertich.
In den 2a und 2b ist jeweils in einer Teilschnittansicht ein erstes Beispiel einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems 10 zur Erfassung einer Winkelposition eines Maschinenelements 1 einer Maschine mit im Wesentlichen den oben zu 1 erläuterten Merkmalen gezeigt. Das Maschinenelement 1 ist wiederum als eine Welle, insbesondere als ein Rotor oder Innenläufer beispielsweise eines Elektromotors, ausgebildet und über eine erste Lageranordnung 3 und eine zweite Lageranordnung 4, insbesondere jeweils eine Wälzlageranordnung, gegenüber einem feststehenden Umgebungs- oder Statorbauteil 2 gelagert.
Zur Erfassung einer Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1 gegenüber dem Stator 2 ist ein Positionsmesssystem 10 vorgesehen, welches in Richtung der Drehachse A, das heißt axial, zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist das gesamte Positionsmesssystem 10 zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 angeordnet. Insbesondere eine optional zusätzliche Auswerteeinheit 62 zur Auswertung der erfassten oder detektieren Informationen und Bestimmung der konkreten Drehwinkelposition der Welle 1 sowie zum Ausgeben eines der jeweiligen Drehwinkelposition zugeordneten elektrischen Signals ist bevorzugt ebenfalls zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 angeordnet. Dadurch kann das gesamte Positionsmesssystem 10 sowie dessen Anordnung an der Welle 1 besonders kompakt und platzsparend sein. Insbesondere kann die Welle 1 insgesamt axial kürzer ausgebildet sein, welches beispielsweise bei besonders kleinen Bauteilen oder einem sehr begrenzten Montageraum vorteilhaft ist.
Zur Vermeidung von durch Umgebungseinflüsse hervorgerufenen Fehlmessungen an dem Positionsmesssystem 10, ist dieses von den Lagern 3, 4 sowie der mechanischen Konstruktion zur Aufnahme der Lager 3, 4, insbesondere der Welle 1 und dem Statorbauteil 2, vollständig umgeben und umschlossen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass zumindest durch diese Komponenten 1, 2, 3, 4 ein einen Zwischenraum 7 bildendes Gehäuse 102 um das Positionsmesssystem 10 gebildet ist (siehe 5a, 5b) und diese Komponenten 1, 2, 3, 4 jeweils - je nach Funktionsweise des Positionsmesssystems 10 - beispielsweise aus einem magnetisch und/oder elektrisch im Wesentlichen leitenden Material ausgebildet und/oder im Wesentlichen fremd- bzw. umgebungslichtundurchlässig angeordnet sind, sodass von außen auf das Positionsmesssystem 10 potenziell einwirkende Störeinflüsse minimiert oder gänzlich beseitigt werden können. Das Gehäuse 102 kann also als ein Abschirmkörper wirken.
Das in den 2a und 2b gezeigte Positionsmesssystems 10 ist lediglich beispielhaft magnetbasiert ausgebildet - das heißt eine andere Ausgestaltung, wie zum Beispiel als ein optisches, kapazitives oder induktives Erfassungssystem, ist grundsätzlich auch möglich. Das Positionsmesssystem 10 weist vorliegend eine an der Welle 1, insbesondere in dem Zwischenbereich 11, angeordnete Massverkörperung 5 mit zumindest einem Magneten 52 sowie eine der Massverkörperung 5 radial gegenüberliegend an dem Stator 2 angeordnete Sensoreinheit 6 zum Detektieren eines von dem zumindest einen Magneten 52 erzeugten Magnetfelds. Folglich kann eine radiale (quasi-)reflexive Abtastung vorgesehen sein. Das Positionsmesssystem 10 ist zudem lagerlos ausgebildet, sodass eine kollisions- bzw. verschleißfreie Bewegung der Welle 1 und somit ein relativ wartungsarmes Positionsmesssystem 10 ermöglicht ist.
Die Massverkörperung 5 weist einen nicht näher dargestellten Magnetträger 51 auf. Der Magnetträger 51 erstreckt sich in einem definierten axialen Abschnitt über den gesamten Umfang der Welle 1. An dem Magnetträger 51 sind - wie insbesondere in 2b gezeigt - mehrere über den gesamten Umfang der Welle 1 verteilte einzelne Magnete 52 angeordnet, wobei die Magnete 52 derart angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung der Welle 1 zueinander benachbarte Magnete 52, insbesondere Permanentmagnete, jeweils eine andere oder umgekehrte Polarisierung aufweisen. Dadurch ist mittels der einzelnen Magnete 52 über den Umfang der Welle 1 eine detektierbare Maßverkörperung gebildet. Die Magnete 52 sind beispielsweise jeweils als ein magnetischer Stift ausgebildet, der in den Magnetträger 51, beispielsweise zu der Drehachse A in radialer oder bevorzugt axialer Richtung, eingeschoben und in dem Magnetträger 51 fixiert werden kann. Dadurch sind über den Umfang der Welle 1 mehrere separate Magnetfelder erzeugbar, welche von der Sensoreinheit 6 detektiert werden können.
Die Sensoreinheit 6 dient zur Erfassung des von dem zumindest einen Magneten 52 erzeugten Magnetfelds und weist hierzu eine Erfassungseinrichtung 61 auf. Die Erfassungseinrichtung 61 kann beispielsweise zur zweidimensionalen oder räumlichen Erfassung des erzeugten Dipol- bzw. Magnetfelds als ein so genannter Hall-Sensor ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist die Erfassungseinrichtung 61 zumindest zwei einzelne Hall-Sensorelemente auf, die jeweils bezüglich einer Raumkoordinate ausgerichtet sein können. Dabei sind zur Erfassung des zumindest einen Magnetfelds insbesondere ein erstes Hall-Sensorelement in eine erste Richtung x, die sich axial in Richtung der Drehachse A erstreckt, und ein zweites Hall-Sensorelement in eine zweite Richtung y, die sich senkrecht zu der Drehachse A erstreckt, ausgerichtet. Dadurch kann ein Magnetfeld in zumindest zwei Richtungen x, y erfasst werden, so dass eine Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1 in relativ einfacher Weise detektiert werden kann.
Zur Bestimmung der konkreten Winkellage der Welle 1 weist die Sensoreinheit 6 vorliegend zusätzlich eine Auswerteeinrichtung 62 auf, in der die mittels der Erfassungseinrichtung 61 detektierten Einzelsignale zusammengetragen und zu einem Gesamtsignal ausgewertet werden. Die Einzelsignale beispielsweise der Hall-Sensorelemente geben eine Orientierungsänderung der Magnetfeldvektoren wieder. Diese können sodann für eine geeignete mathematische Berechnung, beispielsweise über eine Arcus-Tangens-Bildung, herangezogen werden, um beispielsweise die tatsächliche Winkelposition der Welle 1 zu bestimmen. Das mittels der Auswerteeinrichtung 62 generierte Ausgangs- bzw. Gesamtsignal kann somit die Information über das detektierte Magnetfeld bzw. über die konkrete Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1 aufweisen. Das Gesamtsignal kann beispielsweise als ein kontinuierliches Analogsignal ausgebildet sein.
In der 3 ist in einer Teilschnittansicht ein zweites Beispiel einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems 10 zur Erfassung einer Winkelposition eines als Welle ausgebildeten Maschinenelements 1 einer nicht näher dargestellten Maschine gezeigt. Im Gegensatz zu dem in den 2a und 2b gezeigten Beispiel ist die Welle 1 vorliegend als Außenläufer, nicht als Innenläufer, gelagert. Die Welle 1 ist wiederum über eine erste Lageranordnung 3 und eine zweite Lageranordnung 4 an einem Umgebungsbauteil bzw. Stator 2 gelagert. Axial zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 ist wiederum ein Positionsmesssystem 10 zur Erfassung und Bestimmung einer Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1 angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung kann das Maschinenelement 1 mit dem daran angeordneten Positionsmesssystem 10 wiederum besonders kompakt und platzsparend ausgebildet sein, welches beispielsweise bei besonders kleinen Bauteilen oder einem sehr begrenzten Montageraum vorteilhaft ist.
Das in 3 dargestellte Positionsmesssystem 10 ist beispielhaft als ein optisch arbeitendes System ausgebildet, wobei selbstverständlich auch eine andere Art der Erfassung, wie zum Beispiel eine kapazitive, magnetische oder induktive Erfassung, grundsätzlich möglich ist. Das Positionsmesssystem 10 weist vorliegend eine an der Welle 1, insbesondere in einem axialen Zwischenabschnitt 11, angeordnete Massverkörperung 5, welche zumindest eine optische oder visuell erfassbare Markierung 55 aufweist, sowie eine der Massverkörperung 5 radial gegenüberliegend an dem Stator 2 angeordnete Sensoreinheit 6 zum Detektieren der zumindest einen Markierung 55 bei einem Drehen der Welle 1. Das Positionsmesssystem 10 ist wiederum lagerlos ausgebildet, sodass eine kollisions- bzw. verschleißfreie Bewegung der Welle 1 und somit ein relativ wartungsarmes Positionsmesssystem 10 geschaffen ist. Die den Zwischenraum 7 bzw. das Positionsmesssystem 10 umgebenden Komponenten 1, 2, 3, 4 sind wiederum - zur Vermeidung von Störeinflüssen aus der Umgebung - geeignet aufgebaut und angeordnet, das heißt vorliegend als im Wesentlichen licht-undurchlässige oder zumindest licht-hemmende Bauteilen.
Die Markierung 55 der Massverkörperung 5 kann in bekannter Art beispielsweise durch eine Kontrastherstellung und/oder eine haptische Ausformung gebildet sein. Besonders bevorzugt sind über den Umfang der Welle 1 mehrere einzelne Markierungen 55 vorgesehen, wobei die Markierungen 55 jeweils bevorzugt unterschiedlich ausgestaltet sind. Dadurch kann über den Umfang der Welle 1 wiederum eine Maßverkörperung gebildet sein, welche vorliegend in einer an sich ebenfalls bekannten Art und Weise mittels der Sensoreinheit 6, insbesondere mittels einer Erfassungseinrichtung 65, wie beispielsweise eine Lichtschranke oder Kamera, optisch erfasst und mittels einer Auswerteeinrichtung 62 in ein die konkrete Bewegung und/oder Winkellage der Welle 1 angebendes Ausgangssignal umgewandelt werden kann. Diese radiale (quasi-)reflexive Abtastung ermöglicht auch in dieser Ausgestaltung eine besonders einfache, kostengünstige und platzsparende Bestimmung einer Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1.
In der 4a ist in einer Teilschnittansicht ein drittes Beispiel einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems 10 zur Erfassung einer Winkelposition eines als Welle ausgebildeten Maschinenelements 1 einer nicht näher dargestellten Maschine gezeigt. Die vorliegend als Innenläufer gelagerte Welle 1 ist wiederum über eine erste Lageranordnung 3 und eine zweite Lageranordnung 4 an einem Umgebungsbauteil bzw. Stator 2 gelagert. Axial zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 ist wiederum in einem axialen Zwischenabschnitt 11 ein Positionsmesssystem 10 zur Erfassung und Bestimmung einer Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1 angeordnet.
Das in 4a dargestellte Positionsmesssystem 10 ist beispielhaft als ein optisch arbeitendes System ausgebildet, welches ebenfalls alternativ auch nach einer anderen Erfassungsmethode anwendbar ist, wie zum Beispiel als kapazitives, magnetisches oder induktives System. Das Positionsmesssystem 10 weist vorliegend eine an der Welle 1, insbesondere in einem axialen Zwischenabschnitt 11 bzw. in einem Zwischenraum 7, angeordnete Massverkörperung 5 und Sensoreinheit 6 auf und ist wiederum lagerlos ausgebildet.
Die Massverkörperung 5 erstreckt sich vorliegend radial von der Welle 1 in eine von der Sensoreinheit 6 zumindest dreiseitig umgebende Ausnehmung 9 und weist an einer axialen Seite zumindest eine - wie beispielsweise zu 3 ausführlich erläuterte - optische oder visuell erfassbare und bevorzugt über Einzelmarkierungselemente über den Umfang der Welle 1 verteilte Markierung 55 auf. Dadurch kann über den Umfang der Welle 1 wiederum eine Maßverkörperung gebildet sein, welche vorliegend insbesondere in axialer Richtung in einer an sich ebenfalls bekannten Art und Weise mittels der Sensoreinheit 6, insbesondere mittels einer Erfassungseinrichtung 65, optisch erfasst und mittels einer Auswerteeinrichtung 62 in ein die konkrete Bewegung und/oder Winkellage der Welle 1 angebendes Ausgangssignal umgewandelt werden kann. Diese axiale quasireflexive Abtastung ermöglicht auch in dieser Ausgestaltung eine besonders einfache, kostengünstige und platzsparende Bestimmung einer Bewegung und/oder Winkelposition der Welle 1. Darüber hinaus ist durch die besondere Ausgestaltung der die Massverkörperung 5 zumindest teilweise umgebenden Sensoreinheit 6 eine besonders effektive, kostengünstige und platzsparende Abschirmung des sensiblen Sensorbereichs gegenüber Fremdeinflüssen, insbesondere Fremdlicht, ermöglicht.
Die 4b zeigt eine Schnittansicht einer axial abtastenden reflexiven Anordnung. Das in 4b dargestellte Positionsmesssystem 10 ist beispielhaft als ein optisch reflexiv, induktiv oder kapazitiv arbeitendes System ausgebildet.
In den 5a und 5b ist jeweils eine bevorzugte Anwendung des Positionsmesssystems 10 nach einer der oben zu den 1 bis 4 erläuterten Ausgestaltung in einem Elektromotor 101 angeordnet. Es sollte deutlich sein, dass die in den 5a und 5b gezeigten Maschinenteile, wie beispielsweise das Gehäuse 102, der Elektromotor 101 als solcher und das Positionsmesssystem 10 als solches, im Wesentlichen einander gleich sind, wobei lediglich die Anordnung des Positionsmesssystems 10 in Bezug auf die Anordnung des Elektromotors 101 unterschiedlich ist; insbesondere ist das Positionsmesssystems 10 in der in 5a gezeigten Ausgestaltung auf einer Lastabnehmerseite des Elektromotors 101 und in der in 5b gezeigten Ausgestaltung auf einer der Lastabnehmerseite gegenüberliegenden Nicht-Lastabnehmerseite des Elektromotors 101 angeordnet.
Der Elektromotor 101 weist ein über zumindest eine erste Lageranordnung 3 und eine zweite Lageranordnung 4 um eine Rotationsachse A drehbar gelagertes und als eine Welle ausgebildetes Maschinenelement 1 auf, welches über eine elektrische Motoreinheit 103 antreibbar ist. Die Motoreinheit 103 umfasst insbesondere einen Motorrotor 104, der üblicherweise einen Ring von Permanentmagneten umfasst, und einen Motorstator 105, der üblicherweise eine Anordnung mehrerer elektrisch bestrombarer Spulen umfasst.
Zur Erfassung einer Bewegung und/oder Drehwinkelposition der Welle 1 bzw. des Motorrotors 104, beispielsweise zur Ansteuerung der elektrisch bestrombaren Spulen, ist an der Welle 1 axial benachbart zu der Motoreinheit 103 ein Positionsmesssystem 10 angeordnet. Das Positionsmesssystem 10 umfasst eine Massverkörperung 5 und eine Sensoreinheit 6 und ist vorliegend im Wesentlichen wie das in den 2a und 2b gezeigte Positionsmesssystem ausgebildet, wobei alternativ selbstverständlich auch eine Ausgestaltung in Form eines kapazitiv, induktiv oder optisch arbeitenden Systems möglich und - je nach Anwendungsgebiet - vorteilhaft wäre. Das Positionsmesssystem 10, insbesondere die Massverkörperung 5 und die Sensoreinheit 6, ist insbesondere in Richtung der Rotationsachse A axial zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 angeordnet. Der Elektromotor 101 weist ferner ein zumindest die erste Lageranordnung 3, die zweite Lageranordnung 4, die Motor-Einheit 103 sowie die Massverkörperung 5 und die Sensoreinheit 6 umgebendes Gehäuse 102 auf. Ferner kann das Gehäuse 102 weitere, nicht dargestellte Komponenten oder Bauteile umgeben, beispielsweise eine Steuerungseinrichtung der Motoreinheit 103 und/oder eine Auswerteeinrichtung 62 des Positionsmesssystems 10. Dadurch weist der Elektromotor 101 eine besonders kompakte Lagereinheit mit Positionsmesssystem 10 auf.
Das Gehäuse 102 ist im Wesentlichen als ein zylindrischer oder quaderförmiger Körper aufgebaut, der zumindest eine an einer, vorliegend an der Lastabnehmerseite angeordneten Stirnseitenfläche ausgebildete axiale Öffnung 106 aufweist, durch die sich die Welle 1 erstreckt. Durch zumindest eine weitere, nicht näher dargestellte Öffnung 107, vorliegend lediglich beispielhaft im Bereich der Nicht-Lastabnehmerseite, können Strom-, Signal und/oder Datenkabel zur Spannungsversorgung, insbesondere der Motoreinheit 103, sowie zur Ein-Ausgabe-Kommunikation, insbesondere des Positionsmesssystems 10, angeordnet sein. Selbstverständlich kann diese Öffnung 107 an nahezu jeder beliebigen anderen Stelle des Gehäuses 102 ausgebildet sein.
In der gezeigten Ausgestaltung ist zusätzlich axial zwischen der Motoreinheit 103 und der Massverkörperung 5 bzw. Sensoreinheit 6 jeweils ein Abschirmkörper 8 angeordnet. Der Abschirmkörper 8 ist vorliegend als eine relativ dünnwandige Scheibe ausgebildet und weist eine zentrische Ausnehmung 81 auf, durch die sich das Maschinenelement 1 erstreckt. Vorteilhafterweise ist die Scheibe aus einem magnetisch im Wesentlichen leitenden Material hergestellt, sodass das Positionsmesssystem 10 gegenüber insbesondere durch die Motoreinheit 103 erzeugte Magnetfelder effektiv abgeschirmt werden kann. Bei einer solchen Ausgestaltung ist es zudem vorteilhaft, wenn auch die Welle 1 aus einem magnetisch im Wesentlichen leitenden Material hergestellt ist.
In der 6 ist eine bevorzugte Anwendung des Positionsmesssystems 10 nach einer der oben zu den 1 bis 4 erläuterten Ausgestaltung in einem Aufzug-Antriebssystem 100 gezeigt. Das Aufzug-Antriebssystem 100 ist insbesondere für einen Personen- oder Frachtaufzug geeignet und umfasst insbesondere eine elektrische Motoreinheit 103, welche - wie zuvor zu dem Elektromotor 101 beschrieben - einen Motorrotor 104 und einen Motorstator 105 bekannter Bauart umfasst. Die Motoreinheit 103 ist vorliegend als ein Außenläufermotor ausgebildet und in einem ersten axialen Wellenendbereich 12 eines als Welle ausgebildeten Maschinenelements 1 angeordnet. Die als Außenläufer ausgebildete Welle 1 ist über eine erste Lageanordnung 3 und eine zweite Lageanordnung 4 gegenüber einem Stator 2 drehbeweglich gelagert.
Das Positionsmesssystem 10 umfasst wiederum eine Massverkörperung 5 und eine Sensoreinheit 6 und ist vorliegend im Wesentlichen, wie das in der 3 gezeigte Positionsmesssystem, ausgebildet, wobei alternativ selbstverständlich auch eine Ausgestaltung in Form eines kapazitiv, induktiv oder magnetisch arbeitenden Systems möglich und vorteilhaft sein kann. Das Positionsmesssystem 10, insbesondere die Massverkörperung 5 und die Sensoreinheit 6 sind insbesondere in Richtung der Rotationsachse A axial zwischen der ersten Lageranordnung 3 und der zweiten Lageranordnung 4 angeordnet.
An einem dem ersten Wellenendbereich 12, in dem die Motoreinheit 103 angeordnet ist, gegenüberliegenden zweiten axialen Wellenendbereich 13 ist an der Welle 1 ein Wickelabschnitt 14 ausgebildet, in dem ein Förderseil 15 eines Förderbehälters oder einer Förderkabine 16 eines Aufzugs 200 auf- und abwickelbar angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders kompakte und platzsparende Antriebseinheit für den Aufzug 200 geschaffen.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere die Ausgestaltung des Maschinenelements, beispielsweise als Innenläufer-Welle oder Außenläufer-Welle, der Aufbau des Positionsmesssystems, beispielsweise als lagerloses oder lagergeführtes System, sowie die Art und Weise der Erfassung der Winkellage, beispielsweise als magnetisch oder optisch arbeitendes System, können - ohne den Kern der Erfindung zu verändern - durchaus modifiziert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3813610 A1 [0004]

Claims

Positionsmesssystem (10) zur Erfassung einer Bewegung und/oder Drehwinkelposition eines über zumindest eine erste Lageranordnung (3) und eine zweite Lageranordnung (4) um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten Maschinenelements (1), mit einer mit dem Maschinenelement (1) drehfest verbindbaren Massverkörperung (5), und einer feststehenden Sensoreinheit (6), die zum Erfassen einer Drehwinkelposition des Maschinenelements (1) mit der Massverkörperung (5) funktional zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung (5) und/oder die Sensoreinheit (6) in Richtung der Rotationsachse (A) zwischen der ersten Lageranordnung (3) und der zweiten Lageranordnung (4) des Maschinenelements (1) angeordnet sind.
Positionsmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung (5) und die Sensoreinheit (6) zueinander berührungsfrei angeordnet sind.
Positionsmesssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung (5) zumindest einen Magneten (52) und die Sensoreinheit (6) eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung (61) zum Erfassen zumindest eines von dem zumindest einen Magneten (52) erzeugten Magnetfelds umfasst.
Positionsmesssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung (5) zumindest eine Markierung (55) und die Sensoreinheit (6) eine Markierungs-Erfassungseinrichtung (65) zum optischen Erfassen der zumindest einen Markierung (55) umfasst.
Positionsmesssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (6) als eine kontinuierlich erfassende Messeinrichtung ausgebildet ist.
Positionsmesssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung (5) und die Sensoreinheit (6) von einem durch zumindest einen axialen Abschnitt (11) des Maschinenelements (1), die erste Lageranordnung (3) und die zweite Lageranordnung (4) gebildeten, magnetisch geschlossenen und/oder fremdlichtreduzierenden Gehäuse (7) zumindest teilweise umgeben sind.
Elektromotor (101) mit einem Positionsmesssystem (10) mit den Merkmalen nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (101) ein zumindest die erste Lageranordnung (3) und zweite Lageranordnung (4) umgebendes Gehäuse (102) aufweist, und die Massverkörperung (5) und/oder die Sensoreinheit (6) von dem Gehäuse (102) umgeben sind.
Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen der Motoreinheit (103) und der Massverkörperung (5) und/oder axial zwischen der Motoreinheit (103) und der Sensoreinheit (6) ein Abschirmkörper (8) angeordnet ist.
Aufzug-Antriebssystem (100) mit einem Positionsmesssystem (10) mit den Merkmalen nach einem der voranstehenden Ansprüche.