DE102021101531B4

DE102021101531B4 - Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material und Verfahren

Info

Publication number: DE102021101531B4
Application number: DE102021101531.6A
Authority: DE
Inventors: André Barten; Christian Schneider; Felix Menn; Harald Schlag
Original assignee: Achenbach Buschhetten GmbH and Co KG
Current assignee: Achenbach Buschhetten GmbH and Co KG
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2041-01-26
Also published as: EP4281232A1; DE102021101531A1; WO2022156957A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Haspel (10), umfassend eine Messvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Regelung eines Bandzugs der Haspel, wobei die Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material (11), insbesondere Metallband oder dergleichen dient, wobei die Haspel ein Gestell (13), zumindest einen Haspelkopf (14) zur Anordnung einer Spule (12) zum Aufwickeln oder Abwickeln von Material, eine Antriebsanordnung (15) mit zumindest einem Elektromotor (16), und eine den Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle (20) umfasst, wobei der Elektromotor mit einem Stator (17) und mit einem Rotor (18) in einem Gehäuse (25) ausgebildet und mit dem Gehäuse an dem Gestell angeordnet ist, wobei die Messvorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Bandzugkraft und eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments der Welle umfasst, wobei die Welle den Elektromotor mit dem Haspelkopf direkt verbindet, und zwischen der Welle und dem Gestell und/oder dem Gehäuse und dem Gestell und/oder der Welle und dem Gehäuse zumindest ein Sensor (47) der Messeinrichtung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Haspel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, nämlich eine Haspel mit einer Messvorrichtung zur Regelung eines Bandzugs einer Haspel, wobei die Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material, insbesondere Metallband oder dergleichen, dient, wobei die Haspel ein Gestell, zumindest einen Haspelkopf zur Anordnung einer Spule zum Aufwickeln oder Abwickeln von Material, eine Antriebsanordnung mit zumindest einem Elektromotor, und eine den Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle umfasst, wobei der Elektromotor mit einem Stator und mit einem Rotor in einem Gehäuse ausgebildet und mit dem Gehäuse an dem Gestell angeordnet ist, wobei die Messvorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Bandzugkraft und eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments der Welle umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Haspeln der eingangs genannten Art werden beispielsweise bei der Bandherstellung in einem Walzverfahren eingesetzt, wo regelmäßig in einem Einweg- oder Reversierbetrieb das Band mit einem definierten Bandzug von einer ersten Haspel abgewickelt, durch einen Walzspalt einer Walzeneinrichtung hindurch bewegt und auf einer weiteren Haspel mit definiertem Bandzug aufgewickelt wird. Weiter kann anschließend in einem nachfolgenden Walzgang nach mehrfach wiederholtem Durchlauf durch die Walzeneinrichtung das Band auf der Haspel aufgewickelt werden, wenn die gewünschte Walzbandstärke erreicht ist. Das bandförmige Material wird in Form eines sogenannten Coils auf einer Papphülse oder als ein Rohbund aufgewickelt oder auf einer Spule angeordnet, welche von einem Haspelkopf aufgenommen wird. Die Spule kann auf dem Haspelkopf, der als Spreizkopf oder Konenkopf ausgebildet sein kann, aufgespannt sein oder es können beiderseits der Spule Haspelköpfe vorgesehen sein, die die Spule zwischen sich aufnehmen.
Der bzw. die Haspelköpfe sind jeweils an einer Welle angeordnet, welche an einem Haspelbock gelagert ist. Die Welle ist über ein Getriebe mit einem Elektromotor verbunden. Es können auch mehrere Elektromotoren an das Getriebe gekoppelt sein, um unterschiedliche Leistungsabstufungen zu erzielen. Die Welle kann an dem Haspelbock entlang einer Längsachse der Welle verschiebbar gelagert sein, sodass die Spule zwischen zwei Haspelköpfen aufgenommen werden kann. Der Elektromotor, das Getriebe, gegebenenfalls eine Kupplung, und ein Gestell, auf dem diese Komponenten befestigt sind, bilden so eine Haspel aus. Eine derartige Haspel ist beispielsweise aus der EP 2 896 465 B1 bekannt.
Hierbei ist bei den beschriebenen Haspeln bekannt, dass diese aufgrund ihres Aufbaus einen vergleichsweise großen Bauraum in einer Fertigungsstätte in Anspruch nehmen. Weiter wird jede Haspel stets für eine bestimmte Verwendung und damit individuell hergestellt. So sind Elektromotor, Getriebe, Kupplung und Haspelbock mit Haspelkopf stets aufeinander abgestimmt, sodass beispielsweise eine Leistungserhöhung der Haspel durch einen leistungsstärkeren Elektromotor, meist eine Verstärkung des Antriebsstrangs erfordert und somit kaum wirtschaftlich realisierbar ist.
Bei den bekannten Haspeln wird das bandförmige Material mit einem definierten Bandzug bzw. einer im Band durch die Haspel ausgebildeten Zugkraft aufgewickelt. Diese Zugkraft wird durch eine Regeleinrichtung der Haspel eingestellt, insbesondere durch eine Regelung des Elektromotors. Zur Regelung wird ein Drehmoment des Elektromotors berechnet, woraus dann ein Drehmoment des Haspelkopfs bzw. der Spule ermittelt werden kann. Das Drehmoment kann beispielsweise aus einer Leistungsaufnahme des Elektromotors und dessen aktuelle Drehzahl bestimmt werden. Da jedoch, zwischen Motor und Haspel ein Getriebe, eine Kupplung und gegebenenfalls eine Zwischenwelle zwischengeschaltet ist, kann z.B. durch den Wirkungsgrad des Getriebes dass an dem Haspelkopf ankommende Drehmoment reduziert werden.
Die Druckschrift DE 40 39 606 A1 offenbart eine Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von einem Metallband, wobei die Haspel ein Gestell, einen Haspelkopf zur Anordnung einer Spule zum Aufwickeln oder Abwickeln von dem Metallband, eine Antriebsanordnung mit einem Elektromotor, und eine den Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle umfasst, wobei der Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor in einem Gehäuse ausgebildet und mit dem Gehäuse an dem Gestell angeordnet ist. Die Welle verbindet dabei den Elektromotor direkt mit dem Haspelkopf.
Die DE 101 30 469 A1 offenbart eine Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von einem bandförmigen Material mit einer Messvorrichtung zur Regelung eines Bandzugs der Haspel, welche eine Messeinrichtung mit Sensoren aufweist, welche in einen Haspelkopf zur Anordnung einer Spule zum Aufwickeln oder Abwickeln von dem bandförmigen Material integriert sind. Dabei sind die Sensoren zum Messen eines von dem bandförmigen Material auf den Haspelkopf ausgeübten radialen Drucks vorgesehen. Aus den Messwerten für den Druck kann dann ein Abbild einer tatsächlichen örtlichen Spannungsverteilung in dem bandförmigen Material erstellt werden, wobei dieses Abbild als Vorgabe für eine Sollkurve zur Regelung einer Bandzugspannungsverteilung verwendet werden kann, wobei Stellglieder einer Bandbehandlungsanlage, welche die Haspel umfassen kann, im Sinne einer gleichmäßigen Druckspannungsverteilung verstellt werden. Dadurch können Bandkleber bei dem Aufwickeln des bandförmigen Materials vermieden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Haspel und ein Verfahren zur Regelung eines Bandzuges vorzuschlagen, mit dem eine besonders genaue Regelung möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Haspel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Die erfindungsgemäße Haspel umfasst eine Messvorrichtung zur Regelung eines Bandzugs der Haspel, wobei die Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material, insbesondere Metallband oder dergleichen, dient, wobei die Haspel ein Gestell, zumindest einen Haspelkopf zur Anordnung an einer Spule zum Aufwickeln oder Abwickeln von Material, eine Antriebsanordnung mit zumindest einem Elektromotor, und eine dem Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle umfasst, wobei der Elektromotor mit einem Stator und mit einem Rotor in einem Gehäuse ausgebildet und mit dem Gehäuse an dem Gestell angeordnet ist, wobei die Messvorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Bandzugkraft und eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments der Welle umfasst, wobei die Welle den Elektromotor mit dem Haspelkopf direkt verbindet, und zwischen der Welle und dem Gestell und/oder dem Gehäuse und dem Gestell und/oder der Welle und dem Gehäuse zumindest ein Sensor der Messeinrichtung angeordnet ist, wobei zur Regelung der Bandzugkraft das Drehmoment der Welle mittels der Regeleinrichtung durch eine Regelung des mit der Welle verbundenen Elektromotors regelbar ist.
Die Messvorrichtung dient folglich zur Drehmomenterfassung und die Regeleinrichtung zur Regelung des Bandzugs der Haspel, welcher durch eine Bandzugkraft innerhalb eines Bands, welches von der Haspel auf der Spule aufgewickelt wird, ausgebildet wird. Der Elektromotor erzeugt ein Drehmoment, welches über die Welle auf den Haspelkopf und damit die Spule übertragen wird. Je nach einer auf der Spule gespeicherten Materialmenge kann ein Durchmesser des Coils stark variieren, sodass das benötigte Drehmoment zur Erzeugung der Bandzugkraft stets auch von diesem Durchmesser abhängig ist. Die Regeleinrichtung der Messvorrichtung kann daher auch so ausgebildet sein, dass der betreffende Durchmesser bei der Regelung der Bandzugkraft Berücksichtigung findet. Zur Regelung der Bandzugkraft ist daher das Drehmoment der Welle mittels der Regeleinrichtung zu regeln. Dies erfolgt durch eine Regelung des mit der Welle verbundenen Elektromotors. Da der Elektromotor direkt mit dem Haspelkopf über die Welle verbunden ist, ohne dass ein Getriebe, eine Kupplung oder dergleichen in einem Antriebsstrang dazwischen geschaltet ist, wird es möglich das Drehmoment, welches effektiv auf den Haspelkopf bzw. die Spule wirkt, zu messen. Erst die direkte Verbindung zwischen dem Elektromotor und dem Haspelkopf über die Welle ermöglicht diese Art der Drehmomentmessung und damit eine besonders genaue Regelung des Bandzugs.
Der Elektromotor kann ein Torquemotor oder Synchronmotor sein. Die Verwendung des Torquemotors oder Synchronmotors ermöglicht einen direkten Antrieb der Welle bzw. des Haspelkopfs, ohne dass ein Getriebe, eine Zwischenwelle oder eine Kupplung in dem Antriebsstrang zwischen dem Motor und dem Haspelkopf angeordnet werden müsste. Dabei kann die Welle den Rotor direkt mit dem Haspelkopf verbinden, wobei der Rotor aus einem Ringpaket mit einer Mehrzahl von Ringen mit jeweils Magneten an einem Umfang des jeweiligen Rings gebildet sein kann, wobei die Ringe miteinander verbunden sein können. Wenn der Elektromotor ein Torquemotor oder ein Synchronmotor ist, wird es möglich den Haspelkopf direkt über die Welle mit dem Rotor zu verbinden. Da mit dem Elektrommotor ein vergleichsweise großes Drehmoment ausgebildet werden kann, ist es nicht mehr erforderlich ein Getriebe vorzusehen, welches zwischen einem Elektromotor und einem Haspelbock zwischengeschaltet ist. Weiter kann auch eine Kupplung, erforderliche Motorlager und der Haspelbock selbst entfallen. Das Gestell bzw. ein für das Gestell erforderliches Fundament an einer Produktionsstätte kann so wesentlich verkleinert werden. Insbesondere ein Bauraum der Haspel und eine Größe des Gestells ergeben sich dann alleine aus den Abmessungen des in den Haspelbock integrierten Elektromotors und des Haspelkopfs. Dadurch dass ein Großteil des ursprünglich benötigten Bauraums und damit des Fundaments eingespart werden kann, kann die Haspel besonders kostengünstig hergestellt und energieffizient betrieben werden.
Weiter kann der Rotor aus einem Ringpaket gebildet sein, welches wiederum aus einer Mehrzahl von Ringen zusammengesetzt sein kann. An den Ringen können jeweils Magnete an einem Umfang des jeweiligen Rings oder in Einschubtaschen direkt unter dem Umfang des Rings angeordnet sein. Eine Größe der Magnete ist dabei auf die Abmessungen des jeweiligen Rings beschränkt, das heißt die Magnete sind nicht über Ringe hinweg, an diesen angeordnet. Die Ringe können ihrerseits aus Scheiben bzw. aus Metallblechen zusammengesetzt sein. Die Ringe sind direkt oder indirekt miteinander verbunden. Beispielsweise können die Ringe miteinander verschraubt, das heißt lösbar miteinander verbunden sein. Weiter können die Ringe auch direkt auf der Welle befestigt oder auf einem zwischen der Welle und einem Innendurchmesser der Ringe angeordneten Rotorträger angeordnet sein. Der Stator kann den Rotor umgeben, wobei prinzipiell der Rotor auch den Stator umgeben kann. Durch die Verwendung von mehreren Ringen zur Ausbildung des Rotors wird es möglich den Elektromotor modular auszubilden. Eine Anzahl von Ringen kann stets so gewählt werden, dass ein Elektromotor mit einer gewünschten Leistung ausgebildet wird, ohne dass der Stator verändert werden müsste. Es ist daher möglich mit einem Stator Elektromotoren mit unterschiedlicher Leistung herzustellen. Eine Produktion von individuell ausgebildeten Haspeln kann so standardisiert und dadurch besonders kostengünstig erfolgen.
Die Antriebsanordnung kann getriebelos ausgebildet sein. Dadurch wird die Haspel noch kostengünstiger herstellbar. Insbesondere kann dann auch auf eine Getriebeölanlage verzichtet werden. Weiter kann ein Wirkungsgrad der Haspel verbessert werden, da keine Reibungsverluste durch ein vorhandenes Getriebe anfallen. Darüber hinaus werden die Geräuschemissionen der Haspel signifikant reduziert. Insgesamt ist auch ein Wartungsaufwand der Haspel geringer, da diese weniger Bauteile aufweist.
Der Stator kann aus einem Wicklungspaket mit einer Mehrzahl von Wicklungen ausgebildet sein und den Rotor umgeben. Folglich kann der Rotor als ein Innenläufer ausgebildet sein. Der Stator kann aus einem Stapel ringförmiger Metallbleche ausgebildet sein, in denen die Wicklungen integriert angeordnet sind. Die ringförmigen Bleche können von einem Rahmen umgeben sein, der diese befestigt. Weiter kann der Rahmen mit Kanälen oder Leitungen ausgebildet sein, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Bezogen auf eine Längsachse der Welle kann eine Länge L_R des Ringpakets kleiner oder gleich groß wie eine Länge L_W des Wicklungspakets sein. Wenn eine Länge des Ringpakets kleiner ist als eine Länge des Wicklungspakets ist es möglich einfach eine Leistungssteigerung des Elektromotors dadurch zu erzielen, dass dem Ringpaket ein Ring hinzugefügt wird. Die Länge des Wicklungspakets kann für alle Elektromotoren, die zur Ausbildung einer Haspel verwendet werden, stets gleich sein, wobei die für die jeweilige Haspel individuell erforderliche Leistung des Elektromotors dadurch angepasst werden kann, dass die Länge des Ringpakets ausgewählt wird. Es ist vorteilhaft eine Länge des Stators bzw. dessen Wicklungspakete zu standardisieren. Wenn die Länge des Rotorpakets und die Länge des Wicklungspakets im Wesentlichen gleich ist, können dem Elektromotor keine Ringe mehr hinzugefügt werden.
Der Rotor kann relativ zu dem Stator axial verschiebbar an dem Stator gelagert sein, wobei die Länge L_R des Ringpakets kleiner als die Länge L_W des Wicklungspakets ausgebildet sein kann, und ein Verschiebebereich V des Rotors eine Differenz V = L_W - L_R der Längen entspricht. Die axiale Verschiebbarkeit des Rotors relativ zu dem Stator kann dadurch realisiert werden, dass der Rotor axial verschiebbar an dem Stator gelagert ist. Die Möglichkeit den Rotor axial zu verschieben, ergibt sich dann dadurch, dass die Länge des Wicklungspakets größer ist, als die Länge des Ringpakets. Der sich aus der Differenz der Längen ergebende Verschiebebereich ermöglicht eine Verschiebung des Rotors innerhalb dieses Verschiebebereichs, ohne dass sich aus einer derartigen Verschiebung eine Leistungsänderung des Elektromotors ergeben würde. Dies kann insbesondere dadurch sichergestellt werden, dass das Ringpaket innerhalb des Verschiebebereichs stets von dem Wicklungspaket im Betrieb überdeckt ist. Der Elektromotor wird dadurch, wie ein aus dem Stand der Technik bekannter Haspelbock nutzbar. Eine Spule kann dann besonders einfach zwischen zwei Haspelköpfen aufgespannt bzw. ein Haspelkopf an eine Länge oder Lage einer Spule relativ zu der Längsachse einer Welle angepasst werden.
Die Antriebsanordnung kann zwei Elektromotoren umfassen, wobei die Elektromotoren jeweils ein Gestell, ein Gehäuse und einen Haspelkopf aufweisen, wobei zwischen den Haspelköpfen eine Spule angeordnet werden kann, wobei an den Elektromotoren mindestens ein Sensor angeordnet sein kann. Folglich kann beiderseits der Spule ein Elektromotor angeordnet sein. Durch die Anordnung der Sensoren an beiden Elektromotoren wird es möglich die von den Elektromotoren bewirkten Drehmomente zu bestimmen und bei der Regelung der Bandzugkraft zu berücksichtigen. Jeder der Elektromotoren kann auf einem eigens dafür vorgesehenen Gestell angeordnet bzw. befestigt sein, wobei die Elektromotoren auch auf einem gemeinsamen Gestell angeordnet sein können. Die dann zwischen den Elektromotoren bzw. den jeweiligen Haspelköpfen angeordnete Spule kann auf einem Wagen, der beispielsweise auf Schienen geführt ist, quer zu einer Längsachse der beiden Wellen der Elektromotoren bewegt werden. Eine so für den Wagen ausgebildete Förderbahn kann auf einem eigens dafür ausgebildeten Fundament angeordnet sein.
Eine Länge L_R der jeweiligen Ringpakte der Elektromotoren kann verschieden sein. Die Länge des Ringpakets bestimmt eine Masse an Magneten an einem Umfang des jeweiligen Ringpakets, und damit eine Leistung des jeweiligen Elektromotors. Die Ausbildung von Elektromotoren mit unterschiedlicher Leistung kann dann über die Länge des jeweiligen Ringpakets einfach erfolgen.
Die Ringe können eine voneinander verschiedene oder eine identische jeweilige Breite aufweisen. Da ein Ringpaket aus einer Mehrzahl von Ringen ausgebildet ist, wird es so möglich eine Länge des Ringpakets zu beeinflussen. Dies kann dadurch erfolgen, dass eine bestimmte Anzahl von Ringen zur Ausbildung der gewünschten Länge, und damit Leistung des Elektromotors, genutzt wird. Die verwendeten Ringe können eine übereinstimmende Breite oder eine voneinander abweichende Breite aufweisen. Wenn eine Auswahl von Ringen mit voneinander abweichender Breite zur Verfügung steht, besteht die Möglichkeit bei der Ausbildung eines Elektromotors eine größere Anzahl von möglichen ausbildbaren Längen des Ringpakets zur Verfügung zu stellen. Eine große mögliche Variation einer Länge des Ringpakets ergibt sich bereits, wenn das Ringpaket aus einer Anzahl von Ringen mit zwei oder drei unterschiedlichen Breiten zusammengestellt werden kann.
Die Antriebsanordnung kann eine Spanneinrichtung mit einem Aktor umfassen, wobei mittels des Aktors der Rotor relativ zu dem Stator axial verschiebbar sein kann. Der Aktor kann beispielsweise ein hydraulisch oder pneumatisch angetriebener Kolben oder ein Linearmotor sein. Der Aktor kann dabei so an die Welle des Elektromotors gekoppelt sein, dass eine Bewegung des Aktors eine Verschiebung der Welle entlang der Längsachse bewirkt. Dadurch, dass dann der Rotor relativ zu dem Stator mittels des Aktors verschiebbar ist, kann der Haspelkopf ebenfalls entlang der Längsachse verschoben werden. Es ist dann möglich eine Spule zwischen Haspelköpfen anzuordnen und die Spule an den Haspelköpfen zu spannen bzw. die Haspelköpfe in die Spule hineinzubewegen und/oder eine Spannkraft zwischen den Haspelköpfen und der Spule auszubilden.
Der Rotor kann an der Welle angeordnet und mit Radiallagern und zumindest einem Axiallager an einem Gehäuse des Stators gelagert sein, wobei bezogen auf eine Längsachse der Welle, beiderseits des Rotors jeweils eine Längsführung zwischen den Lagen und dem Gehäuse ausgebildet sein kann. Die Lager können Gleitlager und/oder vorzugsweise Wälzlager sein. Die Wälzlager können beispielsweise Rillenkugellager sein, sodass die Lager Axial- und Radialkräfte aufnehmen können. In diesem Fall kann das Radiallager und das Axiallager von einem einzelnen Lager ausgebildet werden. Die Längsführung kann beispielsweise durch eine Hülse ausgebildet sein, die in Richtung der Längsachse in einer Buchse bewegbar ist. Es können aber auch andere Arten von Längsführungen Verwendung finden. Die Hülse kann ein Teil des Gehäuses des Stators sein und der Rotor ist dann mit den Radiallagern bzw. dem Axiallager an der Hülse drehbar gelagert. Vorzugsweise kann beiderseits des Rotors eine derartige Lagerung der Welle an dem Gehäuse vorgesehen sein. So ist es dann möglich dass der Rotor relativ zu dem Stator drehbar und gleichzeitig entlang der Längsachse der Welle, zusammen mit der Welle verschiebbar ist. Eine derartige Längsführung ist besonders einfach ausbildbar. Der Aktor kann dann auch mit der Buchse verbunden sein. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Buchse in der Hülse alleine in einer axialen Richtung verschiebbar ist. Prinzipiell können neben einer kreisrunden Hülse bzw. Buchse beliebige Querschnittsformen zur Ausbildung einer derartigen Längsführung vorgesehen sein.
Die Antriebsanordnung kann einen weiteren Aktor umfassen, mittels dem der Elektromotor relativ zu dem Gestell, bezogen auf eine Längsachse der Welle, an einem an dem Gestell ausgebildeten weiteren Längsführung axial verschoben werden kann. Der weitere Aktor kann wie der Aktor ausgebildet sein und an einem Gehäuse des Stators oder an dem Gestellt angeordnet sein. Der weitere Aktor kann dann mit beispielsweise einem Kolben an dem Gehäuse oder dem Gestell gekoppelt sein, sodass eine Bewegung des Kolbens eine Relativbewegung von Gestell und Gehäuse bewirkt. Zwischen dem Gehäuse und dem Gestell kann weiter eine weitere Linearführung ausgebildet sein, die eine Längsverschiebung des Elektromotors ermöglicht. Umfasst die Antriebsanordnung mehrere Elektromotoren, kann jeder dieser Elektromotoren derart längs verschiebbar ausgebildet sein. Insbesondere kann so ein Verschiebebereich des Elektromotors wesentlich erweitert werden, sodass Spulen mit unterschiedlichsten Längen an der Haspel aufgenommen werden können.
Die Antriebsanordnung kann zwei Haspelköpfe aufweisen, wobei die Haspelköpfe jeweils mit einem Spreizkopf oder einem Konus zur Aufnahme der Spule ausgebildet sein können. Prinzipiell ist es auch möglich, dass die Antriebsanordnung, wenn diese lediglich einen Elektromotor aufweist, mit einem einzelnen Spreizkopf ausgebildet ist. Der Spreizkopf kann so ausgebildet sein, dass dieser in eine Öffnung an einem Ende einer Spule eingeführt werden kann. Segmente des Spreizkopfes können dann gegen eine Innenspannung der Spule verspannt werden, sodass die Spule kraftschlüssig fest an dem Spreizkopf fixiert und zentriert wird. Die Bewegung der Segmente kann beispielsweise hydraulisch oder mittels einer Zugstange bewirkt werden. Der Konus kann so ausgebildet sein, dass er an einem Ende der Spule anliegt, sodass die Spule zwischen zwei Haspelköpfen, die gegeneinander verfahren werden können, eingespannt ist. Auch hier erfolgt dann eine Zentrierung der Spule relativ zu dem Haspelkopf.
Der Spreizkopf kann eine Spreizsegmente aufweisende und zum radialen Spannen der Spule ausgebildete Spreizsegmentanordnung aufweisen, wobei innerhalb der Welle zumindest eine Hydraulikleitung ausgebildet oder eine Zugstange zur Betätigung der Spreizsegmente angeordnet sein kann. Die Welle kann daher als eine Hohlwelle oder eine Vollwelle ausgebildet sein. Prinzipiell ist es auch möglich den Spreizkopf direkt, das heißt am Spreizkopf selbst eine hydraulische oder mechanische Betätigung anzuschließen, sodass die Welle hiervon unbeeinflusst ist.
Die Leistung der Elektromotoren kann verschieden oder gleich groß sein. Die jeweilige Leistung der Elektromotoren kann dann bei der Reglung der Bandzugkraft berücksichtigt und je nach Bedarf, auch unabhängig voneinander, mittels der Regeleinrichtung erhöht oder vermindert werden. Die Elektromotoren können bei einem Aufwickeln von bandförmigen Material synchron betrieben werden. Weiter kann vorgesehen sein, nur einen der beiden Elektromotoren zu betreiben, wenn eine geringere Leistung benötigt wird. Wenn die Elektromotoren Torquemotoren oder Synchronmotoren sind, kann eine Antriebsleistung des jeweiligen Elektromotors bei Bedarf elektrisch zwischen zwei Umrichtern umgeschaltet werden, sodass zwei oder mehr Leistungsstufen des jeweiligen Elektromotors ausgebildet werden können. Je nachdem welche Gesamtleistung der Haspel erforderlich ist, können die jeweiligen Einzelleistungen der Elektromotoren entsprechend ausgebildet und daher gleich groß oder verschieden sein.
Der Sensor kann in einem radialen Abstand relativ zu einer Längsachse der Welle angeordnet sein. Aus dem radialen Abstand des Sensors relativ zu der Welle kann einfach aus einer mit dem Sensor gemessenen Kraft ein Drehmoment errechnet werden.
Der Sensor kann zur Erfassung einer Torsion der Welle und/oder einer Druckkraft und/oder Zugkraft ausgebildet sein. Je nach Drehrichtung der Welle in Bezug auf eine Richtung der Bandzugkraft kann der Sensor mit einer Druckkraft oder einer Zugkraft beaufschlagt werden. In einer alternativen Ausführungsform können Sensoren an der Welle und dem Gehäuse oder Gestell angeordnet sein, mit denen die Torsion der Welle erfasst wird. Der Sensor kann ein Kraftsensor, eine Kraftmessdose bzw. Messdose, Winkelsensor oder Dehnungsmesstreifen sein mit der eine Kraft messbar ist, die auf den Sensor wirkt. Eine Kraftmessung kann mittels eines Federkörpers, piezoelektrisch, elektrodynamisch, elektromagnetisch, optisch oder elektroresistiv erfolgen. Die Messeinrichtung weist eine oder mehrere der vorgenannten Sensoren zur Drehmomenterfassung auf.
Das Gehäuse kann am Gestell an Befestigungspunkten fixiert sein, wobei an zumindest einem Befestigungspunkt ein Sensor angeordnet sein kann. Der Befestigungspunkt kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Gestell ausgebildet sein. Prinzipiell kann der Befestigungspunkt jedoch auch ein Auflagepunkt des Gehäuses an dem Gestell sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn an allen Befestigungspunkten Sensoren angeordnet sind. So wird es möglich sämtliche zwischen dem Gehäuse und dem Gestell wirkenden Kräfte zu erfassen und damit ein Drehmoment der Welle besonders genau zu bestimmen. Prinzipiell ist dies jedoch nicht erforderlich, da bereits auch schon mit einem einzelnen Sensor ein Drehmoment ermittelt werden kann, wenn eine Verteilung der an dem Befestigungspunkten wirkenden Kräfte bekannt ist.
Der Sensor kann an der Welle und dem Gestell und/oder dem Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise können das Gehäuse und das Gestell jeweils einen Verbindungsflansch ausbilden, wobei die Verbindungsflansche dann einander anliegen und über eine Schraubverbindung miteinander fest verbunden sein können. Der Sensor kann dann zwischen diesen Verbindungsflanschen angeordnet sein. Dabei kann bereits eine Vorspannung einer Schraubverbindung auf den Sensor wirken. Die Messeinrichtung kann so kalibriert sein, dass diese Vorspannung unberücksichtigt bleibt bzw. ein Messergebnis des Sensors nicht verfälscht. Optional ist es auch möglich den Sensor an den Verbindungsflanschen so anzuordnen, dass der Sensor nicht zwischen den Verbindungsflanschen positioniert ist, sondern die Verbindungsflansche überspannt. Dazu kann der Sensor dann an beiden Verbindungsflanschen jeweils fest fixiert sein, sodass zwischen den Verbindungsflanschen wirkende Kräfte sich auch auf den Sensor übertragen.
Der Sensor kann alternativ an der Welle und dem Gehäuse oder Gestell angeordnet sein. Hierbei wird ein Verdrehwinkel bzw. eine Verdrehspannung der Welle erfasst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Bandzugs einer Haspel, wird mit der Haspel bandförmiges Material, insbesondere Metallband oder dergleichen, aufgewickelt oder abgewickelt, wobei das Material mit einer Spule, die an zumindest einem Haspelkopf angeordnet wird und einer Antriebsanordnung der Haspel mit zumindest einem Elektromotor an einem Gestell, und eine den Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle, aufgewickelt oder abgewickelt wird, wobei der Elektromotor mit einem Stator und mit einem Rotor in einem Gehäuse ausgebildet und mit dem Gehäuse an dem Gestell angeordnet ist, wobei mit einer Regeleinrichtung einer Messvorrichtung eine Bandzugkraft geregelt wird, und mit einer Messeinrichtung der Messvorrichtung ein Drehmoment der Welle bestimmt wird, wobei die Welle den Elektromotor mit dem Haspelkopf direkt verbindet, und zur Bestimmung des Drehmoments zumindest ein zwischen der Welle und dem Gestell und/oder dem Gehäuse und dem Gestell und/oder der Welle und dem Gehäuse angeordneter Sensor der Messeinrichtung verwendet wird, wobei zur Regelung der Bandzugkraft das Drehmoment der Welle mittels der Regeleinrichtung durch eine Regelung des mit der Welle verbundenen Elektromotors geregelt wird. Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteilsbeschreibung der erfindungsgemäßen Haspel verwiesen.
Als Elektromotor kann ein Torquemotor oder Synchronmotor verwendet werden.
Die Messeinrichtung kann aus einem Signal des Sensors das Drehmoment der Welle berechnen.
Die Messeinrichtung kann eine Mehrzahl von Sensoren an verschiedenen Befestigungspunkten des Gehäuses am Gestell umfassen, wobei die Messeinrichtung kontinuierlich aus den Signalen der Sensoren das Drehmoment der Welle berechnen kann. Unter einer kontinuierlichen Berechnung kann auch eine wiederholte Berechnung in sehr kurzen Zeitabständen bzw. Takten verstanden werden. Durch die kontinuierliche Bestimmung des Drehmoments der Welle und des Bunddurchmessers wird es auch möglich eine Bandzugkraft kontinuierlich zu regeln.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Haspel anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 Eine erste Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht;
2 eine zweite Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht;
3 eine dritte Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht;
4 eine vierte Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht.

Die 1 zeigt eine Haspel 10 zum Aufwickeln von bandförmigen Material 11 bzw. einem Metallband auf einer Spule 12. Die Haspel 10 umfasst hier zwei im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildete Gestelle 13, zwei übereinstimmend ausgebildete Haspelköpfe 14 zur Anordnung der Spule 12 und eine Antriebsanordnung 15, die ihrerseits zwei übereinstimmend ausgebildete Elektromotoren 16 bzw. Torquemotoren umfasst. Jeder der Elektromotoren 16 ist aus einem Stator 17 und einem Rotor 18 ausgebildet, wobei der Stator 17 den Rotor 18 umgibt und der Rotor 18 innerhalb des Stators 17 drehbar gelagert ist. Der Rotor 18 ist mit einem Rotorträger 19 unmittelbar auf einer Welle 20 des Elektromotors 16 drehfest angeordnet, wobei die Welle 20 ihrerseits unmittelbar mit dem Haspelkopf 14 verbunden ist. Der Rotor 18 ist weiter aus einem Ringpaket 21 aus einer hier nicht näher dargestellten Mehrzahl von Ringen mit jeweils Magneten an einem Umfang 22 des jeweiligen Rings gebildet. Diese Ringe sind lösbar miteinander verbunden. Der Stator 17 ist aus einem Wicklungspaket 23 mit einer Mehrzahl von hier nicht näher dargestellten Wicklungen ausgebildet, die von einem hier nicht näher dargestellten Rahmen umgeben sind. Innerhalb dieses Rahmens sind Kühlkanäle 24 ausgebildet, die von einem hier nicht dargestellten Kühlmedium durchströmt werden und zur Kühlung des Wicklungspakets 23 dienen. Eine passive Kühlung oder eine Oberflächenkühlung des Rahmens ist ebenfalls möglich.
Der Elektromotor 16 ist weiter mit einem Gehäuse 25 ausgebildet, welches den Rotor 18 und den Stator 17 umgibt. Das Gehäuse 25 ist an Befestigungspunkten 26 mit dem Gestell 13 fest verbunden bzw. verschraubt. Das Gestell 13 ist seinerseits an Befestigungspunkten 27 mit einem Fundament 28 fest verbunden. Weiter ist das Gehäuse 25 mit einer Längsführung 29 ausgebildet, die eine axiale Verschiebung des Rotors 18 relativ zu dem Stator entlang einer Längsachse 30 der Welle 20 erlaubt. Die Längsführung 29 ist aus Hülsen 31 und 32, welche beiderseits des Rotors 18 angeordnet sind, und die Hülsen 31 und 32 umgebende Buchsen 33 bzw. 34 ausgebildet. Die Welle 20 ist innerhalb der Hülsen 31 und 32 mittels Wälzlager 35 radial und axial gelagert. Eine Verschiebung des Rotors 18 relativ zu dem Stator ist innerhalb eines Verschiebebereichs V möglich, wobei sich der Verschiebebereich V aus einer Differenz einer Länge L_R des Ringpakets 21 und einer Länge L_W des Wicklungspakets 23 ergibt. Eine mögliche Verschiebung erfolgt mittels eines Aktors 36, der hier durch einen Hydraulikzylinder 37 ausgebildet und über eine Strebe 38 an die Buchse 33 gekoppelt ist. Durch die Möglichkeit der Verschiebung des Rotors 18 bzw. der Welle 20 mit dem Haspelkopf 14 wird so eine Spanneinrichtung 39 zum Spannen der Spule 12 zwischen den Haspelköpfen 14 ausgebildet.
Insbesondere durch den direkten Antrieb der Spule 12 durch die Elektromotoren 16 wird es möglich eine Anzahl rotierender Teile der Haspel 10 wesentlich zu vermindern und auf weitere Antriebswellen, Kupplungen oder dergleichen zu verzichten. Auch kann auf eine mechanische Bremse als Betriebsbremse an der Haspel verzichtet werden da über einen Kurzschluss der Wicklungen über einen Widerstand bei einem Netzausfall oder bei einer Umrichterstörung der Elektromotoren 16 gebremst werden kann. Weiter kann auch eine Stillstandsbremse entfallen, da über einen Kurzschluss der Wicklungen im Stillstand des Rotors dieser in seiner Position gehalten werden kann. Durch die Reduzierung einer Teileanzahl bzw. einer Anzahl von Baugruppen der Haspel 10 können Wartungskosten signifikant reduziert werden.
Weiter ist es möglich eine Leistung der Elektromotoren 16 durch ein Hinzufügen von Ringen auch nach bereits erfolgter Inbetriebnahme der Haspel 10 anzupassen bzw. eine Leistungserhöhung durchzuführen.
Die Antriebsanordnung 15 umfasst einen weiteren Aktor 40, welcher an dem Gestell 13 angeordnet und durch einen weiteren Hydraulikzylinder 41 ausgebildet ist. Das Gehäuse 25 ist an einer weiteren Längsführung 42, welche an dem Gestell 13 ausgebildet ist, gehaltert und mittels des weiteren Aktors 40 ebenfalls in Längsrichtung der Längsachse axial verschiebbar.
Die Haspelköpfe 14 sind hier jeweils als ein Spreizkopf 43 ausgebildet, welcher hier nicht dargestellte Spreizsegmente aufweist, welche über eine ebenfalls nicht dargestellte Hydraulikleitung betätigbar sind. Die Spreizsegmente können eine Spannkraft auf eine Innenseite 44 der Spule 12 bewirken, sodass die Spule 12 auf den jeweiligen Spreizköpfen 43 zentriert und drehfest gespannt ist. Ein Transport der Spule 12 mit dem Material 11 zu der Haspel 10, kann mittels eines Wagens 45 erfolgen, welcher auf Schienen 46 quer zu der Längsachse 30 bewegbar ist.
Weiter sind an dem Gehäuse 25 bzw. den Befestigungspunkten 26 Sensoren 47 zwischen dem Gehäuse 25 und dem Gestell 13 angeordnet. Die Sensoren 47 sind ein Bestandteil einer hier nicht näher dargestellten Messvorrichtung. Die Messvorrichtung dient zur Regelung eines Bandzugs bzw. einer Bandzugkraft der Haspel 10 bzw. einer Leistung und damit eines Drehmoments der Elektromotoren 16. Die Messvorrichtung umfasst eine Regeleinrichtung zur Regelung der Bandzugkraft bzw. der Elektromotoren 16 und eine Messeinrichtung, die ihrerseits die Sensoren 47 umfasst. Dadurch dass die Sensoren 47 zwischen dem Gestell 13 und dem Gehäuse 25 angeordnet sind, wird es möglich die zwischen dem Gestell 13 und dem Gehäuse 25 wirkenden Kräfte zu ermitteln. Da die Elektromotoren 16 jeweils unmittelbar über die Welle 20 und den Haspelkopf 14 an die Spule 12 angeschlossen sind kann ein Drehmoment des jeweiligen Elektromotors 16 direkt und damit besonders genau über die Sensoren 47 bzw. die Messeinrichtung bestimmt werden, was eine verbesserte Regelung der Bandzugkraft ermöglicht.
Die 2 zeigt eine Haspel 48, bei der im Unterschied zu der Haspel aus der 1 ein Gestell 49 ohne eine weitere Längsführung ausgebildet ist. Ein Spannen einer Spule 50 ist hier bereits durch die Spanneinrichtung 39 möglich.
Die 3 zeigt eine Haspel 51, bei im Unterschied zu der Haspel aus der 2 Haspelköpfe 52 vorgesehen sind, die einen Konus 53 zur Aufnahme einer Spule 54 ausbilden. Die Spule 54 ist an ihren jeweiligen Enden 55 mit einem Innenkonus 56 ausgebildet. Die Spule 54 kann durch Spannen zwischen den Haspelköpfen 52 so zentriert und kraftschlüssig drehfest an der Haspel 48 aufgenommen werden.
Die 4 zeigt eine Haspel 57, bei im Unterschied zu der Haspel aus der 1 alleine ein Gestell 13, und ein Elektromotor 16 vorgesehen ist.
Anstelle eines weiteren Elektromotors ist hier ein Gegenlager 58 vorgesehen. An der Welle 20 des Elektromotors 16 ist eine Spreiztrommel 59 zur Aufnahme einer Spule 60 oder einem Rohbund befestigt. Bei einem Rohbund wird das Material 11 direkt und ohne die Spule 60 auf der Spreiztrommel 59 angeordnet.

Claims

Haspel (10, 48, 51, 57) mit einer Messvorrichtung zur Regelung eines Bandzugs der Haspel (10, 48, 51, 57), wobei die Haspel (10, 48, 51, 57) zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material (11), insbesondere Metallband, dient, wobei die Haspel (10, 48, 51, 57) ein Gestell (13, 49), zumindest einen Haspelkopf (14, 52) zur Anordnung einer Spule (12, 50, 54) zum Aufwickeln oder Abwickeln von Material (11), eine Antriebsanordnung (15) mit zumindest einem Elektromotor (16), und eine den Elektromotor (16) mit dem Haspelkopf (14, 52) verbindende Welle (20) umfasst, wobei der Elektromotor (16) mit einem Stator (17) und mit einem Rotor (18) in einem Gehäuse (25) ausgebildet und mit dem Gehäuse (25) an dem Gestell (13, 49) angeordnet ist, wobei die Messvorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Bandzugkraft und eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments der Welle (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (20) den Elektromotor (16) mit dem Haspelkopf (14, 52) direkt verbindet, und zwischen der Welle (20) und dem Gestell (13, 49) und/oder dem Gehäuse (25) und dem Gestell (13, 49) und/oder der Welle (20) und dem Gehäuse (25) zumindest ein Sensor (47) der Messeinrichtung angeordnet ist, wobei zur Regelung der Bandzugkraft das Drehmoment der Welle (20) mittels der Regeleinrichtung durch eine Regelung des mit der Welle (20) verbundenen Elektromotors (16) regelbar ist.
Haspel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (16) ein Torquemotor oder Synchronmotor ist.
Haspel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (15) getriebelos ausgebildet ist.
Haspel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (15) zwei Elektromotoren (16) umfasst, wobei die Elektromotoren (16) jeweils ein Gestell (13, 49), ein Gehäuse (25) und einen Haspelkopf (14, 52) aufweisen, wobei zwischen den Haspelköpfen (14, 52) eine Spule (12, 50, 54) anordbar ist, wobei an den Elektromotoren (16) mindestens ein Sensor (47) angeordnet ist.
Haspel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung der Elektromotoren (16) verschieden oder gleich groß ist.
Haspel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (47) in einem radialen Abstand relativ zu einer Längsachse (30) der Welle (20) angeordnet ist.
Haspel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (47) zur Erfassung einer Torsion der Welle (20) und/oder einer Druckkraft und/oder Zugkraft ausgebildet ist.
Verfahren zur Regelung eines Bandzuges einer Haspel (10, 48, 51, 57), wobei mit der Haspel (10, 48, 51, 57) bandförmigen Material (11), insbesondere Metallband, aufgewickelt oder abgewickelt wird, wobei das Material (11) mit einer Spule (12, 50, 54), die an zumindest einem Haspelkopf (14, 52) angeordnet wird, und einer Antriebsanordnung (15) der Haspel (10, 48, 51, 57) mit zumindest einem Elektromotor (16) an einem Gestell (13, 49), und eine den Elektromotor (16) mit dem Haspelkopf (14, 52) verbindenden Welle (20), aufgewickelt oder abgewickelt wird, wobei der Elektromotor (16) mit einem Stator (17) und mit einem Rotor (18) in einem Gehäuse (25) ausgebildet und mit dem Gehäuse (25) an dem Gestell (13, 49) angeordnet ist, wobei mit einer Regeleinrichtung einer Messvorrichtung eine Bandzugkraft geregelt wird und mit einer Messeinrichtung der Messvorrichtung ein Drehmoment der Welle (20) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (20) den Elektromotor (16) mit dem Haspelkopf (14, 52) direkt verbindet, und zur Bestimmung des Drehmoments zumindest ein zwischen der Welle (20) und dem Gestell (13, 49) und/oder dem Gehäuse (25) und dem Gestell (13, 49) und/oder der Welle (20) und dem Gehäuse (25) angeordneter Sensor (47) der Messeinrichtung verwendet wird, wobei zur Regelung der Bandzugkraft das Drehmoment der Welle (20) mittels der Regeleinrichtung durch eine Regelung des mit der Welle (20) verbundenen Elektromotors (16) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (16) ein Torquemotor oder Synchronmotor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung aus einem Signal des Sensors (47) das Drehmoment der Welle (20) berechnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Mehrzahl von Sensoren (47) an verschiedenen Befestigungspunktes (26) des Gehäuses (25) am Gestell (13) an der Welle (20) oder an dem Gehäuse (25) umfasst, wobei die Messeinrichtung kontinuierlich aus den Signalen der Sensoren (47) das Drehmoment der Welle (20) berechnet.