DE102021129220A1

DE102021129220A1 - Method for operating a drive unit for a robot

Info

Publication number: DE102021129220A1
Application number: DE102021129220.4A
Authority: DE
Inventors: Daisuke KIRIHARA
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit (200) mit einem Gehäuse (2), einer in dem Gehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4), einem Scheibenläufermotor (15) zum Antreiben der Antriebswelle (4), einem Getriebe (6) zum Übersetzen der Antriebswelle (4) auf eine Ausgangswelle und einer Bremse (20) zum wahlweisen Festlegen der Antriebswelle (4) gegenüber dem Gehäuse (2), wobei der Scheibenläufermotor (15) einen Rotor (16) und zumindest einen als Elektromagneten ausgebildeten Stator (17, 18) aufweist, und wobei die Bremse (20) eine mit der Antriebswelle (4) drehfest verbundene Bremsscheibe (20.2) und einen mit dem Gehäuse (2) drehfest verbundenen Bremskörper (20.1) aufweist und der Bremskörper (20.1) mittels einem Federelement (20.3) in axialer Richtung (A) zu der Bremsscheibe (20.2) hin kraftbeaufschlagt ist, wobei der Stator (17) beim Antreiben der Antriebswelle (4) zum Ausbilden eines in axialer Richtung (A) wirkenden, sich bis zu dem Bremskörper (20.1) erstreckenden Magnetfelds bestromt wird, wobei durch das Magnetfeld der Rotor (16) mit einem Drehmoment beaufschlagt wird und der Bremskörper (20.1) von der Bremsscheibe (20.2) weggezogen wird und, dass beim Abbremsen der Antriebswelle (4) das Magnetfeld aufgehoben wird und der Bremskörper (20.1) mittels dem Federelement (20.3) an die Bremsscheibe (20.2) herangedrückt wird.The invention relates to a method for operating a drive unit (200) with a housing (2), a drive shaft (4) mounted in the housing (2), a pancake motor (15) for driving the drive shaft (4), a gear (6) for transferring the drive shaft (4) to an output shaft and a brake (20) for selectively fixing the drive shaft (4) relative to the housing (2), the pancake motor (15) having a rotor (16) and at least one stator ( 17, 18), and wherein the brake (20) has a brake disc (20.2) non-rotatably connected to the drive shaft (4) and a brake body (20.1) non-rotatably connected to the housing (2), and the brake body (20.1) by means of a spring element (20.3) is subjected to a force in the axial direction (A) towards the brake disk (20.2), the stator (17) when driving the drive shaft (4) to form a force acting in the axial direction (A) extending up to the brake body (20.1 ) extending magnetic field is energized, whereby the rotor (16) is subjected to a torque by the magnetic field and the brake body (20.1) is pulled away from the brake disc (20.2) and that when the drive shaft (4) is braked, the magnetic field is canceled and the The brake body (20.1) is pressed against the brake disc (20.2) by means of the spring element (20.3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, einem Scheibenläufermotor zum Antreiben der Antriebswelle, einem Getriebe zum Übersetzen der Antriebswelle auf eine Ausgangswelle und einer Bremse zum wahlweisen Festlegen der Antriebswelle gegenüber dem Gehäuse, wobei der Scheibenläufermotor einen Rotor und zumindest einen als Elektromagneten ausgebildeten Stator aufweist, und wobei die Bremse eine mit der Antriebswelle drehfest verbundene Bremsscheibe und einen mit dem Gehäuse drehfest verbundenen Bremskörper aufweist und der Bremskörper mittels einem Federelement in axialer Richtung zu der Bremsscheibe hin kraftbeaufschlagt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Messen eines Öffnungsstroms bei einer solchen Antriebseinheit mit einem Sensor zum Detektieren der Winkelposition der Antriebswelle.The invention relates to a method for operating a drive unit with a housing, a drive shaft mounted in the housing, a pancake motor for driving the drive shaft, a gear for converting the drive shaft to an output shaft, and a brake for selectively fixing the drive shaft relative to the housing, the Disk motor has a rotor and at least one stator designed as an electromagnet, and wherein the brake has a brake disk non-rotatably connected to the drive shaft and a brake body non-rotatably connected to the housing, and the brake body is subjected to a force in the axial direction towards the brake disc by means of a spring element. The invention further relates to a method for measuring an opening current in such a drive unit with a sensor for detecting the angular position of the drive shaft.

Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden insbesondere in der Robotik eingesetzt, um beispielsweise Roboterarme möglichst präzise zu verfahren, deren Anwendung etwa in der Industrie, in der Labortechnik oder in der Medizintechnik liegt. Dafür sind die Antriebseinheiten üblicherweise mit einer sehr hohen Übersetzung zwischen Antriebsmotor und dem zu verfahrenden Teil des Roboters sowie einer hohen Steifigkeit ausgelegt, wobei beispielsweise Spannungswellengetriebe verwendet werden. Als Antriebsmotoren werden üblicherweise Elektromotoren und als Bremsen stromlos mittels einem Federelement geschlossene Bremsen mit einem Elektromagneten zum Öffnen der Bremse gegen die Federkraft des Federelements. Die Bremse wirkt dabei mit dem Antriebsmotor zusammen, um die Antriebswelle bei geöffneter Bremse und aktiver Antriebseinheit schnell und definiert zu beschleunigen und, um bei geschlossener Bremse die Antriebswelle möglichst unmittelbar festzusetzen. Eine entsprechende Antriebseinheit ist beispielsweise aus KR 102061693 B1 bekannt.Drive units are known from the prior art and are used in particular in robotics in order, for example, to move robot arms as precisely as possible, which are used, for example, in industry, in laboratory technology or in medical technology. For this purpose, the drive units are usually designed with a very high transmission ratio between the drive motor and the part of the robot to be moved, as well as a high level of rigidity, with stress shaft drives being used, for example. The drive motors are usually electric motors and the brakes are normally closed brakes by means of a spring element with an electromagnet for opening the brake against the spring force of the spring element. The brake interacts with the drive motor in order to accelerate the drive shaft quickly and in a defined manner when the brake is open and the drive unit is active, and to fix the drive shaft as directly as possible when the brake is closed. A corresponding drive unit is off, for example KR 102061693 B1 known.

Aus JP 2018 113 738 A ist ein Verfahren zur Steuerung einer Bremse mittels dem Bremsenstrom bekannt.Out of JP 2018 113 738 A a method for controlling a brake by means of the brake current is known.

Bei bekannten Antriebseinheiten besteht das Problem, dass eine an der Antriebswelle angreifende Bremse zusammen mit dem Antriebsmotor aufwendig gesteuert und insbesondere synchronisiert werden muss, um einen unbeabsichtigten Antrieb der Antriebswelle bei geschlossener Bremse oder eine geöffnete Bremse ohne definierten Antrieb der Antriebswelle zu vermeiden. In derartigen Zuständen, die bisher nicht sicher vermieden werden können, ist eine geforderte hohe Präzision nicht gewährleistet.Known drive units have the problem that a brake acting on the drive shaft has to be controlled and synchronized in a complex manner together with the drive motor in order to avoid unintentional driving of the drive shaft when the brake is closed or an open brake without a defined drive of the drive shaft. In such states, which hitherto could not be safely avoided, the required high level of precision cannot be guaranteed.

Weiterhin besteht bei bisher bekannten Bremsen das Problem, dass je nach verwendeter Stellgröße und Verfahren bei der Steuerung der Bremsenstrom zumindest beim Öffnen der Bremse über einen notwendigen Öffnungsstrom hinaus ansteigt und dadurch elektromagnetisches und/oder mechanisches Rauschen entsteht, das einen störenden Einfluss auf andere Bauteile der Antriebseinheit oder eines Roboters nehmen kann. Dies ist insbesondere der Fall, da ein tatsächliches Öffnen der Bremse nicht detektiert wird und der tatsächliche Öffnungsstrom zum sicheren Öffnen daher überstiegen werden muss.Furthermore, with previously known brakes there is the problem that, depending on the manipulated variable and method used in the control, the brake current rises above a necessary opening current at least when the brake is opened, and this creates electromagnetic and/or mechanical noise that has a disruptive effect on other components of the brake Drive unit or a robot can take. This is the case in particular because an actual opening of the brake is not detected and the actual opening current must therefore be exceeded for safe opening.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in Anbetracht des Standes der Technik darin, ein Verfahren mit einer vereinfachten Antriebseinheit vorzuschlagen, bei dem das Rauschen beim Öffnen der Bremse vermieden wird. Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Patentanspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch das Verfahren nach Patentanspruch 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.In view of the state of the art, the object of the present invention is to propose a method with a simplified drive unit, in which the noise when the brake is released is avoided. The object is solved by the method according to patent claim 1. Furthermore, the object is solved by the method according to patent claim 7. Preferred embodiments can be found in the dependent claims.

Bei dem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stator beim Antreiben der Antriebswelle zum Ausbilden eines in axialer Richtung wirkenden, sich bis zu dem Bremskörper erstreckenden Magnetfelds bestromt wird, wobei durch das Magnetfeld der Rotor mit einem Drehmoment beaufschlagt wird und der Bremskörper von der Bremsscheibe weggezogen wird und, dass beim Abbremsen der Antriebswelle das Magnetfeld aufgehoben wird und der Bremskörper mittels dem Federelement an die Bremsscheibe herangedrückt wird.In the method according to the preamble of claim 1, the invention provides that the stator is energized when driving the drive shaft to form a magnetic field acting in the axial direction and extending to the brake body, with the rotor being subjected to a torque by the magnetic field and the brake body is pulled away from the brake disc and that when the drive shaft is braked, the magnetic field is canceled and the brake body is pressed against the brake disc by means of the spring element.

Bei einem Scheibenläufermotor sind Rotor und Stator in axialer Richtung hintereinander angeordnet und das Magnetfeld des Stators wirkt in der axialen Richtung, um den Rotor anzutreiben. Dabei wird erfindungsgemäß das Magnetfeld so stark ausgebildet, dass es sich räumlich bis zu dem Bremskörper erstreckt und auf diesen mit einer ausreichenden Kraft wirkt, um den Bremskörper entgegen der Federkraft des Federelements von der Bremsscheibe weg zu ziehen und somit die Bremse zu öffnen. Der Stator wird bestromt, sobald der Scheibenläufermotor in Betrieb genommen wird. Der Bremskörper wird also bei nicht aktivem Scheibenläufermotor durch das Federelement an die Bremsscheibe heran gedrückt und ist somit geschlossen, legt also die Antriebswelle an dem Gehäuse fest. Wird der Scheibenläufermotor aktiviert und dabei der Stator bestromt, entsteht an dem Stator das Magnetfeld, dessen räumliche Größe und Feldstärke von dem Statorstrom abhängen. Bei erfindungsgemäßer Ausbildung des Magnetfelds wird die Bremse geöffnet. Die Antriebswelle ist dann gegenüber dem Gehäuse frei drehbar.In a disc motor, the rotor and stator are arranged one behind the other in the axial direction, and the magnetic field of the stator acts in the axial direction to drive the rotor. According to the invention, the magnetic field is made so strong that it extends spatially to the brake body and acts on it with sufficient force to pull the brake body away from the brake disc against the spring force of the spring element and thus open the brake. The stator is energized as soon as the pancake motor is put into operation. When the disk motor is not active, the brake body is pressed against the brake disk by the spring element and is thus closed, ie it fixes the drive shaft to the housing. If the pancake motor is activated and the stator is energized, the magnetic field is created on the stator, the spatial size and field strength of which is depend on the stator current. When the magnetic field is formed according to the invention, the brake is opened. The drive shaft is then freely rotatable relative to the housing.

Mit der Erfindung besteht der Vorteil, dass die Bremse keine eigenes Antriebselement zum Betätigen benötigt, da der Stator als Antriebselement für die Bremse wirkt. Die Bremse ist daher wesentlich einfacher gestaltet. Weiterhin besteht der Vorteil, dass Scheibenläufermotor und Bremse nicht separat voneinander gesteuert werden müssen, sondern lediglich die Bestromung des Stators bzw. des Scheibenläufermotos zu steuern ist. Die Bremse öffnet bei erfindungsgemäßer Bestromung des Stators und ist somit mit dem Scheibenläufermotor synchron geschaltet. Es kann daher nicht zu einem undefinierten Bewegungszustand kommen und mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit wird ein besonders präziser Antrieb erreicht.The advantage of the invention is that the brake does not require its own drive element for actuation, since the stator acts as a drive element for the brake. The brake is therefore designed much simpler. Furthermore, there is the advantage that the disk motor and the brake do not have to be controlled separately from one another, but only the energization of the stator or the disk motor has to be controlled. The brake opens when the stator is energized according to the invention and is thus switched synchronously with the pancake motor. An undefined state of motion can therefore not occur and a particularly precise drive is achieved with the drive unit according to the invention.

Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein elektromagnetisches und/oder mechanisches Rauschen vermieden, da an dem Stator bereitgestellte elektromagnetische Leistung nach dem Öffnen der Bremse, also nach Erreichen eines Öffnungsstroms, an dem Rotor des Scheibenläufermotors abgenommen wird. Dadurch, dass ein separates Antriebselement der Bremse in Form eines Elektromagneten entfällt, kann von einem solchen kein Rauschen ausgehen, während der Scheibenläufermotor, dessen Stator erfindungsgemäß auch zum Betätigen der Bremse genutzt wird, kein Rauschen verursacht.Furthermore, electromagnetic and/or mechanical noise is also avoided with the method according to the invention, since electromagnetic power provided at the stator is tapped off at the rotor of the pancake motor after opening the brake, ie after reaching an opening current. Because there is no separate drive element for the brake in the form of an electromagnet, no noise can emanate from such an element, while the disc motor, whose stator is also used according to the invention to actuate the brake, causes no noise.

Der Bremskörper ist beispielsweise eine Scheibe mit einer Reibfläche oder darauf angeordneten Reibbelägen oder ist als Bremsbacke oder Bremsklotz ausgebildet. Bevorzugt weist der Rotor des Scheibenläufermotors eine auf der Antriebswelle gelagerte Hülse und eine sich von der Hülse radial erstreckende Rotorscheibe mit Rotorwicklungen auf, wobei die Hülse den Stator insbesondere axial durchgreift und einen über den Stator axial überstehenden Abschnitt aufweist. Die Hülse ist insbesondere auf der Antriebswelle aufgepresst oder aufgeschrumpft, so dass zwischen Hülse und Antriebswelle eine drehfeste Verbindung besteht. Der Stator ist an dem Gehäuse zumindest mittelbar drehfest festgelegt, wobei der Rotor gegenüber dem Gehäuse und dem Stator drehbar ist. Der Stator weist einen Magnetkern und darauf angeordnete Wicklungen auf und bildet bei Bestromung der Wicklungen ein Magnetfeld aus, in dem auf die Wicklungen des Rotors bei deren Bestromung eine Kraft in Umfangsrichtung wirkt, so dass der Stator den Rotor zu einer Drehbewegung antreibt. Der Scheibenläufermotor weist bevorzugt zwei Statoren auf, wovon jeweils ein Stator axial vor und ein Stator axial hinter dem Rotor angeordnet ist. Der Rotor wird dann in einem Magnetfeld angetrieben, dass sich aus den Magnetfeldern der beiden Statoren addiert.The brake body is, for example, a disc with a friction surface or friction linings arranged thereon, or is designed as a brake shoe or brake pad. The rotor of the disk motor preferably has a sleeve mounted on the drive shaft and a rotor disk with rotor windings extending radially from the sleeve, the sleeve reaching through the stator in particular axially and having a section which protrudes axially beyond the stator. The sleeve is in particular pressed or shrunk onto the drive shaft, so that there is a non-rotatable connection between the sleeve and the drive shaft. The stator is at least indirectly non-rotatably fixed to the housing, with the rotor being rotatable relative to the housing and the stator. The stator has a magnetic core and windings arranged on it and forms a magnetic field when the windings are energized, in which a force acts in the circumferential direction on the windings of the rotor when they are energized, so that the stator drives the rotor to rotate. The pancake motor preferably has two stators, of which one stator is arranged axially in front and one stator is arranged axially behind the rotor. The rotor is then driven in a magnetic field that is added from the magnetic fields of the two stators.

Bevorzugt ist an der Antriebseinheit ein vorderer Anschlag zum Anschlagen des Bremskörpers in einer geöffneten Stellung der Bremse vorgesehen. Der Bremskörper wird dann von der Magnetkraft des Stators an den Anschlag herangezogen und durch den Anschlag in seinem maximalen Weg beim Öffnen der Bremse bestimmt. In der geschlossenen Stellung der Bremse kann der Bremskörper an der Bremsscheibe anschlagen, insofern diese in axialer Richtung fest an der Antriebswelle gehalten ist und die Antriebswelle ebenfalls in axialer Richtung unbeweglich ist. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die Bremsscheibe und/oder die Antriebswelle in axialer Richtung zumindest über einen Bewegungsbereich beweglich sind und ein hinterer Anschlag zum Anschlagen der Bremsscheibe in einer geschlossenen Stellung der Bremse vorgesehen ist. Der hintere Anschlag kann dabei mit dem Bremskörper zusammen eine Bremswirkung auf die Bremsscheibe ausüben. Beispielsweise ist dazu an dem hinteren Anschlag eine Reibfläche oder ein Reibbelag vorgesehen. Der hintere Anschlag bestimmt den maximalen Weg des Bremskörpers beim Schließen der Bremse.A front stop for stopping the brake body when the brake is in an open position is preferably provided on the drive unit. The brake body is then pulled against the stop by the magnetic force of the stator and its maximum path is determined by the stop when the brake is released. When the brake is in the closed position, the brake body can strike the brake disk if it is held firmly on the drive shaft in the axial direction and the drive shaft is likewise immovable in the axial direction. However, it can also be provided that the brake disc and/or the drive shaft are movable in the axial direction at least over a range of movement and a rear stop is provided for striking the brake disc when the brake is in a closed position. The rear stop can exert a braking effect on the brake disk together with the brake body. For example, a friction surface or a friction lining is provided on the rear stop. The rear stop determines the maximum travel of the brake body when the brake is applied.

Bevorzugt ist der Bremskörper in axialer Richtung benachbart, insbesondere unmittelbar benachbart, zu dem Stator angeordnet. Weiterhin ist bevorzugt ein Sensor zum Detektieren der Winkelposition der Antriebswelle auf einer dem Scheibenläufermotor abgewandten Seite der Bremse angeordnet. Der Sensor weist so einen möglichst großen Abstand zu dem Scheibenläufermotor und dessen Stator auf und ist dem sich in axialer Richtung erstreckenden Magnetfeld des Stators, das auch auf den Bremskörper wirkt, nicht oder in möglichst geringem Maße ausgesetzt, so dass das Magnetfeld den Sensor nicht stört oder die von ihm erfassten Werte verfälscht.The brake body is preferably arranged adjacent to, in particular directly adjacent to, the stator in the axial direction. Furthermore, a sensor for detecting the angular position of the drive shaft is preferably arranged on a side of the brake facing away from the pancake motor. The sensor is thus at the greatest possible distance from the disc motor and its stator and is not exposed to the magnetic field of the stator, which extends in the axial direction and also affects the brake body, or is exposed to as little an extent as possible, so that the magnetic field does not disturb the sensor or falsifies the values recorded by it.

In einer Ausführungsform erfolgt die Steuerung des Stators anhand des Statorstroms als Regelgröße. Der Statorstrom steht in einem unmittelbaren Zusammenhang mit dem Magnetfeld, so dass durch die Steuerung des Statorstroms das Magnetfeld gesteuert wird. Dabei ist der Statorstrom als Regelgröße besonders geeignet, da er einfach erfasst und mit kurzer Reaktionszeit beeinflusst werden kann.In one embodiment, the stator is controlled using the stator current as the controlled variable. The stator current is directly related to the magnetic field, so by controlling the stator current, the magnetic field is controlled. The stator current is particularly suitable as a controlled variable because it can be easily recorded and influenced with a short response time.

Bevorzugt ist dabei der Statorstrom ein Motorstrom oder ist zu einem Motorstrom proportional. Es sind dann beispielsweise die Statorwicklungen und die Rotorwicklungen miteinander verschaltet und der Motorstrom ist der an der gesamten Schaltung anliegende Strom. Insofern die Rotorwicklungen mit den Statorwicklungen in Reihe geschaltet sind, ist der Motorstrom der Statorstrom, bei einer Parallelschaltung ist der Statorstrom dem Motorstrom proportional.The stator current is preferably a motor current or is proportional to a motor current. For example, the stator windings and the rotor windings are then connected to one another and the motor current is the current applied to the entire circuit. Insofar as the rotor windings are connected in series with the stator windings, the motor current is the stator current, at a When connected in parallel, the stator current is proportional to the motor current.

In einer weiteren Ausführungsform wird bei einem Anfahren des Scheibenläufermotors der Statorstrom bis zu einem Öffnungsstrom, bei dem der Bremskörper von der Bremsscheibe entfernt wird, steiler gesteigert wird als nach dem Entfernen des Bremskörpers von der Bremsscheibe. Insbesondere wird der Statorstrom auf den Öffnungsstrom als Zielgröße eingeregelt. Wenn also die Antriebswelle bei geschlossener Bremse still steht und angefahren werden soll, wird der Statorstrom zuerst sehr schnell gesteigert bis bei einem Öffnungsstrom das Magnetfeld räumlich und bezüglich der Feldstärke ausreichend ausgebildet ist, so dass der Kontakt zwischen Bremskörper und Bremsscheibe abbricht. Dabei durchläuft die Bremse von einem gänzlich geschlossenen Zustand bis hin zum Abbruch des Kontakts einen schlupfenden Bereich, in dem bereits eine Relativbewegung zwischen Bremskörper und Bremsscheibe stattfindet. Der Öffnungsstrom entspricht dem Strom, bei dem die Magnetkraft auf den Bremskörper erreicht ist, bei der der schlupfende Bereich überwunden wird und die Bremsscheibe unabhängig von dem Bremskörper drehen kann. Durch das schnelle Steigern des Statorstroms bis zu dem Öffnungsstrom wird eine sehr kurze Öffnungszeit und somit ein schnelles Ansprechverhalten der Antriebseinheit erreicht. Nach dem Öffnen der Bremse wird der Statorstrom dann je nach gewünschtem Verhalten der Antriebseinheit weiter gesteigert, beispielsweise linear oder nicht-linear, konstant gehalten oder auf eine Haltestrom abgesenkt, der ausreicht, um den Bremskörper von der Bremsscheibe entfernt zu halten. Der Haltestrom ist kleiner als der Öffnungsstrom, da der Bremskörper sich im geöffneten Zustand näher an dem Stator befindet als im geschlossenen Zustand der Bremse, wobei die Feldstärke des Magnetfelds mit steigendem Abstand vom Stator abnimmt.In a further embodiment, when the disc rotor motor is started up, the stator current is increased more steeply up to an opening current at which the brake body is removed from the brake disc than after the brake body has been removed from the brake disc. In particular, the stator current is adjusted to the opening current as a target variable. So if the drive shaft is stationary with the brake closed and you want to start moving, the stator current is first increased very quickly until the magnetic field is sufficiently developed in terms of space and field strength for an opening current, so that the contact between the brake body and the brake disc is broken. The brake runs through a slipping area from a completely closed state to the point at which contact is broken, in which a relative movement between the brake body and the brake disc is already taking place. The opening current corresponds to the current at which the magnetic force on the brake body is reached, at which the slipping area is overcome and the brake disc can rotate independently of the brake body. Due to the rapid increase in the stator current up to the opening current, a very short opening time and thus a fast response of the drive unit is achieved. After opening the brake, the stator current is then further increased depending on the desired behavior of the drive unit, for example linearly or non-linearly, kept constant or lowered to a holding current that is sufficient to keep the brake body away from the brake disk. The holding current is smaller than the opening current because the brake body is closer to the stator when it is open than when the brake is closed, with the field strength of the magnetic field decreasing as the distance from the stator increases.

Bevorzugt erfolgt eine Steigerung des Statorstroms bis zu dem Öffnungsstrom in weniger als 0,5 Sekunden, besonders bevorzugt in weniger als 0,4, 0,3 oder 0,2 Sekunden. Bei einer solchen Steigung ist die Reaktionszeit der Antriebseinheit besonders schnell und insbesondere ausreichend schnell für komplexe Anwendungen der Antriebseinheit etwa bei einem Roboter. Auch ist eine solche Reaktionszeit ausreichend kurz, um schnelle Richtungswechsel der Drehrichtung der Antriebswelle durchzuführen, bei denen vor einem jeweiligen Richtungswechsel die Antriebswelle mittels einer geschlossenen Bremse abgebremst wird.The stator current preferably increases to the opening current in less than 0.5 seconds, particularly preferably in less than 0.4, 0.3 or 0.2 seconds. With such an incline, the reaction time of the drive unit is particularly fast and, in particular, fast enough for complex applications of the drive unit, for example in a robot. Such a reaction time is also sufficiently short to carry out rapid changes of direction in the direction of rotation of the drive shaft, in which case the drive shaft is braked by means of a closed brake before a respective change of direction.

In einer Ausgestaltung der vorgenannten Ausführungsform wird der Statorstrom nach Erreichen des Öffnungsstroms auf einen Haltestrom, bei dem der Bremskörper von der Bremsscheibe entfernt gehalten wird, eingestellt. Es erfolgt dann bevorzugt kein Antrieb der Antriebswelle, etwa indem der Rotor nicht bestromt wird. Die am Stator umgesetzte magnetische Energie wird insbesondere gänzlich zum Halten des Bremskörpers aufgewendet. Auf diese Weise wird ein Stillstand erreicht, aus dem ein sehr schnelles Anfahren der Antriebswelle möglich ist. Dabei besteht kein Rauschen und keine Wärmeentwicklung in der Antriebseinheit.In one refinement of the aforementioned embodiment, after the opening current has been reached, the stator current is set to a holding current at which the brake body is held away from the brake disc. The drive shaft is then preferably not driven, for example by the rotor not being supplied with current. In particular, the magnetic energy converted at the stator is used entirely to hold the brake body. In this way, a standstill is achieved from which a very rapid start-up of the drive shaft is possible. There is no noise and no heat development in the drive unit.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Messen eines Öffnungsstroms bei einer Antriebseinheit mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, einem Scheibenläufermotor zum Antreiben der Antriebswelle, einem Getriebe zum Übersetzen der Antriebswelle auf eine Ausgangswelle, einer Bremse zum wahlweisen Festlegen der Antriebswelle gegenüber dem Gehäuse und einem Sensor zum Detektieren der Winkelposition der Antriebswelle, wobei der Scheibenläufermotor einen Rotor und zumindest einen als Elektromagneten ausgebildeten Stator aufweist, und wobei die Bremse eine mit der Antriebswelle drehfest verbundene Bremsscheibe und einen mit dem Gehäuse drehfest verbundenen Bremskörper aufweist und der Bremskörper mittels einem Federelement in axialer Richtung zu der Bremsscheibe hin kraftbeaufschlagt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Statorstrom bei geschlossener Bremse linear gesteigert wird und dabei mittels dem Sensor die Winkelposition der Antriebswelle erfasst wird, wobei ein Öffnungsstrom erkannt wird, wenn die Veränderung der Winkelposition der Antriebswelle zunimmt. Der Sensor ist bevorzugt ein Drehgeber.The invention also relates to a method for measuring an opening current in a drive unit with a housing, a drive shaft mounted in the housing, a disc motor for driving the drive shaft, a gear for converting the drive shaft to an output shaft, a brake for selectively fixing the drive shaft relative to the housing and a sensor for detecting the angular position of the drive shaft, the disc motor having a rotor and at least one stator designed as an electromagnet, and the brake having a brake disc non-rotatably connected to the drive shaft and a brake body non-rotatably connected to the housing and the brake body by means of a Spring element is subjected to a force in the axial direction towards the brake disc. According to the invention, the stator current is linearly increased when the brake is closed and the angular position of the drive shaft is detected by the sensor, with an opening current being detected when the change in the angular position of the drive shaft increases. The sensor is preferably a rotary encoder.

Der Statorstrom wird demnach aus dem Stillstand bei geschlossener Bremse langsam gesteigert, wobei ein Öffnen der Bremse, also ein Entfernen des Bremskörpers von der Bremsscheibe detektiert wird, indem die Drehung der Antriebswelle beobachtet wird. Durch das Steigern des Statorstroms wirkt gleichzeitig eine zunehmende Kraft auf den Bremskörper, während an dem Rotor eine Antriebsleistung anliegt. Sobald die Kraft auf den Bremskörper dabei ausreicht, um aus einer gänzlich geschlossenen Stellung der Bremse in einen schlupfenden Bereich überzugehen, ist eine Änderung der Winkelposition der Antriebswelle zu beobachten, denn es liegt am Rotor ein Antriebsmoment an und die Bremse lässt eine Relativbewegung zwischen Bremskörper und Bremsscheibe mit Widerstand zu. Sobald der Bremskörper sich von der Bremsscheibe entfernt, entfällt schlagartig der Widerstand durch die schlupfende Bremse und das an dem Rotor anliegende Drehmoment führt schlagartig zu einer höheren Beschleunigung der Antriebswelle als im schlupfenden Bereich der Bremse. Diese schlagartige Änderung wird über den Sensor erfasst und der Statorstrom zum Zeitpunkt der schlagartigen Änderung entspricht dem Öffnungsstrom. Dabei ist auch die Winkelposition zum Zeitpunkt des Öffnens als Öffnungs-Winkelposition erfassbar. Der erfasste Öffnungsstrom wird bevorzugt in dem Verfahren nach dem vorherigen Erfindungsaspekt als Regelgröße verwendet. Dabei besteht insbesondere der Vorteil, dass durch ein Messen des Öffnungsstroms der tatsächliche Wert eingeregelt werden kann, und nicht ein deutlich größerer Wert eingeregelt werden muss, um ein sicheres Öffnen der Bremse zu gewährleisten.Accordingly, the stator current is slowly increased from standstill when the brake is closed, with opening of the brake, ie removal of the brake body from the brake disk, being detected by observing the rotation of the drive shaft. As a result of the increase in the stator current, an increasing force acts on the brake body at the same time, while drive power is applied to the rotor. As soon as the force on the brake body is sufficient to move the brake from a completely closed position to a slipping range, a change in the angular position of the drive shaft can be observed, because a drive torque is applied to the rotor and the brake allows a relative movement between the brake body and the brake Brake disc with resistance too. As soon as the brake body moves away from the brake disc, the resistance from the slipping brake suddenly ceases and the torque applied to the rotor suddenly leads to a higher acceleration of the drive shaft than in the slipping area of the brake. This sudden change is detected by the sensor and the stator current at the time of the sudden change corresponds to the opening current. there is the angular position at the time of opening can also be detected as the opening angular position. The detected opening current is preferably used as a controlled variable in the method according to the previous aspect of the invention. In this case, there is the particular advantage that the actual value can be adjusted by measuring the opening current, and a significantly larger value does not have to be adjusted in order to ensure reliable opening of the brake.

Als lineare Steigung des Statorstroms wird eine im mittel lineare Steigung verstanden, bei der die Steigung flach genug erfolgt, um den Statorstrom im diskreten Öffnungsmoment zu detektieren. Dabei kann die Steigung auch in Stufen erfolgen, wobei dann der Mittelwert der Steigung einen linearen Verlauf darstellt. Auch leichte Abweichungen von einem linearen Verlauf wie etwa leicht progressive oder degressive Steigungen werden als linear verstanden.A linear gradient of the stator current is understood to mean a gradient that is linear on average and in which the gradient occurs flat enough to detect the stator current at the discrete opening moment. The increase can also take place in steps, in which case the mean value of the increase then represents a linear course. Even slight deviations from a linear course, such as slightly progressive or degressive gradients, are understood to be linear.

Bevorzugt wird das Verfahren in regelmäßigen Abständen durchgeführt, wobei auch eine Öffnungs-Winkelposition erfasst wird, wenn die Veränderung der Winkelposition der Antriebswelle zunimmt, wobei die Öffnungs-Winkelposition mit einer zuletzt erkannten Öffnungs-Winkelposition verglichen wird, um einen Verschleißzustand der Bremse zu erkennen. Wird also eine größere Öffnungs-Winkelposition erkannt als bei einem vorherigen Durchführen des Verfahrens, weist dies darauf hin, dass ein Verschleiß an Reibflächen oder Reibbeläge des Bremskörpers und/oder der Bremsscheibe gegenüber dem letzten Durchführen des Verfahrens fortgeschritten ist. Bei einer verschlissenen Bremse unterscheidet sich der Widerstand, der einer Drehung der Antriebswelle im schlupfenden Bereich der Bremse entgegensteht gegenüber einer nicht verschlissenen Bremse, so dass die Antriebswelle sich in dem schlupfenden Bereich schneller drehen kann und somit einen größeren Drehwinkel zum Zeitpunkt des Öffnens zurückgelegt hat. Durch ein regelmäßiges Messen der Öffnungs-Winkelposition wird der Verschleißzustand der Bremse beobachtet, so dass eine notwendige Wartung, beispielsweise durch einen Austausch von Bremsbelägen oder des Bremskörpers selbst, angezeigt wird, insbesondere frühzeitig angezeigt wird.The method is preferably carried out at regular intervals, with an opening angle position also being detected when the change in the angular position of the drive shaft increases, with the opening angle position being compared with a last detected opening angle position in order to detect a state of wear on the brake. If a larger opening angle position is detected than when the method was previously carried out, this indicates that wear on friction surfaces or friction linings of the brake body and/or the brake disk has progressed since the last time the method was carried out. When the brake is worn, the resistance that opposes rotation of the drive shaft in the slipping area of the brake differs compared to a brake that is not worn, so that the drive shaft can rotate faster in the slipping area and thus has covered a larger angle of rotation at the time of opening. The state of wear of the brake is observed by regularly measuring the opening angle position, so that necessary maintenance, for example by replacing brake linings or the brake body itself, is indicated, in particular indicated at an early stage.

Die Erfindung betrifft auch ein vorgenanntes Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit oder zum Messen eines Öffnungsstroms bei einer Antriebseinheit eines Roboters. Insbesondere ist der Roboter durch die Anwendung des Verfahrens leicht, besonders präzise steuerbar und frei von rauschenden Bauteilen. Bevorzugt ist der Roboter zur Anwendung in der Industrie, in der Labortechnik oder in der Medizintechnik vorgesehen.The invention also relates to an aforementioned method for operating a drive unit or for measuring an opening current in a drive unit of a robot. In particular, by using the method, the robot is light, can be controlled particularly precisely and is free of noisy components. The robot is preferably intended for use in industry, in laboratory technology or in medical technology.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

1 einen Querschnitt durch eine Antriebseinheit nach dem Stand der Technik,
2 einen Querschnitt durch eine Antriebseinheit für ein erfindungsgemäße Verfahren in einer ersten Ausführungsform mit geöffneter Bremse,
3a einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Antriebseinheit für ein erfindungsgemäße Verfahren in einer zweiten Ausführungsform mit geöffneter Bremse,
3b einen 3a entsprechenden Ausschnitt aus dem Querschnitt durch eine Antriebseinheit für das erfindungsgemäße Verfahren in der zweiten Ausführungsform mit geschlossener Bremse,
4 einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Antriebseinheit für ein erfindungsgemäße Verfahren in einer dritten Ausführungsform mit geschlossener Bremse,
5a Verläufe eines Stroms an einem Elektromagneten einer Bremse bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik,
5b Verläufe des Statorstroms bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit, und
6 Verläufe des Statorstroms und der Winkelposition der Antriebswelle bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen eines Öffnungsstroms.

Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the figures. while showing

1 a cross section through a drive unit according to the prior art,
2 a cross section through a drive unit for a method according to the invention in a first embodiment with the brake open,
3a a section of a cross section through a drive unit for a method according to the invention in a second embodiment with the brake open,
3b a 3a corresponding detail from the cross section through a drive unit for the method according to the invention in the second embodiment with the brake closed,
4 a section of a cross section through a drive unit for a method according to the invention in a third embodiment with the brake closed,
5a Courses of a current on an electromagnet of a brake in a method according to the prior art,
5b Courses of the stator current in a method according to the invention for operating a drive unit, and
6 Courses of the stator current and the angular position of the drive shaft in a method according to the invention for measuring an opening current.

1 zeigt eine Antriebseinheit 100 in einer Schnittansicht mit einem diese nach außen begrenzenden Gehäuse 2. Dabei ist lediglich eine obere Seite der Schnittansicht dargestellt und auf die Darstellung der dazu symmetrisch ausgebildeten unteren Seite verzichtet. Alle Bauteile sind rotationssymmetrisch um eine Achse AX ausgebildet. Innerhalb des Gehäuses 2 ist mittels zwei Kugellagern 3 eine Antriebswelle 4 gelagert, die von einem Elektromotor 5 antreibbar ist. Der Elektromotor 5 ist durch einen in radialer Richtung R innenliegenden Rotor 5.1, der auf der Antriebswelle 4 aufgepresst ist, und einen in radialer Richtung R außenliegenden Stator 5.2 gebildet, wobei der Stator 5.2 in einem Motorgehäuse 5.3 eingepresst ist, dass seinerseits in dem Gehäuse 2 eingepresst ist. Der Rotor 5.1 ist demnach drehfest mit der Antriebswelle 4 und der Stator 5.2 drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden. 1 shows a drive unit 100 in a sectional view with a housing 2 delimiting it on the outside. Only an upper side of the sectional view is shown and the lower side, which is designed symmetrically thereto, is not shown. All components are rotationally symmetrical about an axis AX. A drive shaft 4 , which can be driven by an electric motor 5 , is mounted inside the housing 2 by means of two ball bearings 3 . The electric motor 5 is formed by a rotor 5.1 on the inside in the radial direction R, which is pressed onto the drive shaft 4, and a stator 5.2 on the outside in the radial direction R, with the stator 5.2 being pressed into a motor housing 5.3, which in turn is in the housing 2 is pressed in. The rotor 5.1 is therefore non-rotatably connected to the drive shaft 4 and the stator 5.2 is non-rotatably connected to the housing 2.

Weiterhin ist auf der Antriebswelle 4 ein als Spannungswellengetriebe ausgebildetes Getriebe 6 angeordnet, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle 4 in eine langsamere Drehbewegung einer nicht dargestellten Ausgangswelle wandelt. Das Getriebe 6 weist einen Wellenerzeuger 6.1, einen gegenüber dem Wellenerzeuger 6.1 mittels eines Kugellagers 6.2 gelagerten flexiblen Ring 6.3 und einen Zahnring 6.4 auf. Der Wellenerzeuger 6.1 ist unmittelbar an der Antriebswelle 4 ausgebildet, während der Zahnring 6.4 den Abtrieb des Getriebe 6 bildet und mit einer nicht dargestellten Ausgangswelle verbunden bzw. verbindbar ist. Der Zahnring 6.4 ist gegenüber einem gehäusefesten Bauteil 2.1 mittels einem nur schematisch dargestellten Wälzlager 7 beweglich gelagert. Der flexible Ring 6.3 weist einen Kragen 6.5 auf, mittels dem er an dem Gehäuse 2 festgelegt ist.Furthermore, a gear 6 designed as a tension shaft gear is arranged on the drive shaft 4, that a rotational movement of the drive shaft 4 converts to a slower rotational movement of an output shaft, not shown. The transmission 6 has a wave generator 6.1, a flexible ring 6.3 mounted in relation to the wave generator 6.1 by means of a ball bearing 6.2, and a toothed ring 6.4. The wave generator 6.1 is formed directly on the drive shaft 4, while the toothed ring 6.4 forms the output of the transmission 6 and is connected or can be connected to an output shaft (not shown). The toothed ring 6.4 is movably mounted relative to a component 2.1 fixed to the housing by means of a roller bearing 7, shown only schematically. The flexible ring 6.3 has a collar 6.5 by means of which it is fixed to the housing 2.

Auf der dem Getriebe 6 gegenüberliegenden Seite des Elektromotors 5 ist in einer axialen Richtung A benachbart zu dem Elektromotor 5 eine Lagerwand 8 angeordnet, die eines der Kugellager 3 hält. In der axialen Richtung A zu der Lagerwand 8 benachbart ist ein Sensor 9 angeordnet, der von einem Staubschutz 9.1 umgeben ist. Der Sensor 9 ist beispielsweise als Drehgeber ausgebildet, wobei an dem Staubschutz 9.1 ein Teil des Sensors 9 ausgebildet sein kann. Darauf in axialer Richtung A folgend und an der Lagerwand 8 gehalten ist eine Bremse 10 angeordnet. Die Bremse 10 weist einen Bremskörper 10.1 auf, der mit einer an der Antriebswelle 4 gehaltenen Bremsscheibe 10.2 zum Festlegen der Antriebswelle 4 gegenüber dem Gehäuse 2 zusammenwirken kann. Der Bremskörper 10.1 ist durch ein Federelement 10.3 in Richtung der Bremsscheibe 10.2 kraftbeaufschlagt und wird in einer geschlossenen Stellung der Bremse 10 durch das Federelement 10.3 an die Bremsscheibe 10.2 herangedrückt, so dass zwischen Bremskörper 10.1 und Bremsscheibe 10.2 ein Kraftschluss und damit eine drehfeste Verbindung besteht. Der Bremskörper 10.1 ist weiterhin durch einen Elektromagneten 10.4 bei dessen Bestromung von der Bremsscheibe 10.2 weg kraftbeaufschlagt. In einer geöffneten Stellung der Bremse 10 wird der Elektromagnet 10.4 bestromt, so dass die durch ihn auf den Bremskörper 10.1 wirkende Magnetkraft die Federkraft des Federelements 10.3 übersteigt und der Bremskörper 10.1 von der Bremsscheibe 10.2 beabstandet wird bzw. ist. Der Bremskörper 10.1 schlägt in der geöffneten Stellung an einen vorderen Anschlag 10.5 an. In einer geschlossenen Stellung der Bremse 10 drückt der Bremskörper 10.1 die Bremsscheibe 10.2 gegen einen hinteren Anschlag 10.6, so dass Bremskörper 10.1 und Bremsscheibe 10.2 dort gemeinsam anliegen. Zur Bestromung des Elektromagneten 10.4 ist eine Zuleitung 10.7 aus der Antriebseinheit 100 herausgeführt. In axialer Richtung A abseits der Bremse 10 sind an der Antriebseinheit 100 weiterhin Steuereinrichtungen 11.1, 11.2 vorgesehen.A bearing wall 8 , which holds one of the ball bearings 3 , is arranged in an axial direction A adjacent to the electric motor 5 on the side of the electric motor 5 opposite the transmission 6 . A sensor 9 is arranged adjacent to the bearing wall 8 in the axial direction A and is surrounded by a dust protection 9.1. The sensor 9 is embodied, for example, as a rotary encoder, and part of the sensor 9 can be embodied on the dust protection 9.1. A brake 10 is arranged following this in the axial direction A and held on the bearing wall 8 . The brake 10 has a brake body 10.1, which can interact with a brake disk 10.2 held on the drive shaft 4 in order to fix the drive shaft 4 relative to the housing 2. The brake body 10.1 is subjected to a force by a spring element 10.3 in the direction of the brake disk 10.2 and is pressed against the brake disk 10.2 by the spring element 10.3 when the brake 10 is in a closed position, so that there is a frictional connection between the brake body 10.1 and the brake disk 10.2 and thus a non-rotatable connection. The brake body 10.1 is further acted upon by a force away from the brake disk 10.2 by an electromagnet 10.4 when it is energized. In an open position of the brake 10, the electromagnet 10.4 is energized so that the magnetic force acting through it on the brake body 10.1 exceeds the spring force of the spring element 10.3 and the brake body 10.1 is or is spaced apart from the brake disk 10.2. The brake body 10.1 strikes a front stop 10.5 in the open position. In a closed position of the brake 10, the brake body 10.1 presses the brake disc 10.2 against a rear stop 10.6, so that the brake body 10.1 and the brake disc 10.2 rest there together. A supply line 10.7 is routed out of the drive unit 100 to energize the electromagnet 10.4. In the axial direction A away from the brake 10, control devices 11.1, 11.2 are also provided on the drive unit 100.

2 zeigt eine Antriebseinheit 200 für ein erfindungsgemäßes Verfahren, die der Antriebseinheit 100 in weiten Teilen gleicht. Im Folgenden werden die Unterschiede der Antriebseinheit 200 zur Antriebseinheit 100 beschrieben. Die Antriebseinheit 100 weist einen Scheibenläufermotor 15 auf, der einen mit der Antriebswelle 4 drehfestverbundenen Rotor 16 aufweist. Der Rotor 16 ist aus einer auf der Antriebswelle 4 aufgepressten Hülse 16.1 und einer sich von der Hülse 16.1 radial nach außen erstreckenden Rotorscheibe 16.2 mit daran angeordneten, jedoch nicht dargestellten, Wicklungen gebildet. Der Scheibenläufermotor 15 weist weiterhin einen ersten Stator 17 und einen zweiten Stator 18 auf, die jeweils einen Magnetkern 17.1, 18.1 und darauf angeordnete, jedoch nicht dargestellte, Wicklungen aufweisen. Die Statoren 17, 18 sind in axialer Richtung A vor und hinter der Rotorscheibe 16.2 angeordnet und mittels Halteringen 17.2, 18.2 in einem Motorgehäuse 15.1 gehalten, das seinerseits in dem Gehäuse 2 eingepresst ist. 2 shows a drive unit 200 for a method according to the invention, which is similar to the drive unit 100 in many parts. The differences between drive unit 200 and drive unit 100 are described below. The drive unit 100 has a pancake motor 15 which has a rotor 16 which is non-rotatably connected to the drive shaft 4 . The rotor 16 is formed from a sleeve 16.1 pressed onto the drive shaft 4 and a rotor disk 16.2 which extends radially outwards from the sleeve 16.1 and has windings which are arranged on it but are not shown. The pancake motor 15 also has a first stator 17 and a second stator 18, each of which has a magnetic core 17.1, 18.1 and windings arranged thereon, but not shown. The stators 17, 18 are arranged in front of and behind the rotor disk 16.2 in the axial direction A and are held in a motor housing 15.1 by means of retaining rings 17.2, 18.2, which in turn is pressed into the housing 2.

In axialer Richtung A unmittelbar benachbart zu dem ersten Stator 17 ist eine Bremse 20 angeordnet. Die Bremse 20 weist einen Bremskörper 20.1 auf, der in einem außenliegenden ersten Teil seiner radialen Erstreckung durch eine Zwischenwand 2.2 des Gehäuses von dem Stator 17 beabstandet ist. In einem innenliegenden zweiten Teil seiner radialen Erstreckung ist der Bremskörper 20.1 unmittelbar benachbart zu dem Stator 17 ausgebildet. Die Bremse 20 weist weiterhin eine drehfest mit der Antriebswelle 4 verbundene Bremsscheibe 20.2 sowie ein an der Zwischenwand 2.2 gehaltenes Federelement 20.3 auf. Das Federelement 20.3 übt eine Federkraft auf den Bremskörper 20.1 hin zu der Bremsscheibe 20.2 aus und drückt den Bremskörper 20.1 in einer geschlossenen Stellung der Bremse 20 an die Bremsscheibe 20.2 heran. Der Bremskörper 20.1 und die Bremsscheibe 20.2 werden dabei gemeinsam gegen einen hinteren Anschlag 20.5 gedrückt, der an einem Arm der Zwischenwand 2.2 ausgebildet ist und die Bremsscheibe 20.2 hintergreift. In einer geöffneten Stellung der Bremse 20 ist der Stator 17 bzw. dessen Wicklungen bestromt und erzeugt so ein Magnetfeld, das auf dem Bremskörper 20.1, insbesondere auf den zweiten Teil der radialen Erstreckung des Bremskörpers 20.1 wirkt und eine Magnetkraft erzeugt, die den Bremskörper 20.1 gegen die Federkraft des Federelements 20.3 von der Bremsscheibe 20.2 wegzieht. In der geöffneten Stellung der Bremse 20 liegt der Bremskörper 20.1 an einem an der Zwischenwand 2.2 ausgebildeten vorderen Anschlag 20.5 an.A brake 20 is arranged immediately adjacent to the first stator 17 in the axial direction A. The brake 20 has a brake body 20.1, which is spaced apart from the stator 17 in an external first part of its radial extent by an intermediate wall 2.2 of the housing. In an inner second part of its radial extension, the brake body 20.1 is formed directly adjacent to the stator 17. The brake 20 also has a brake disk 20.2 connected in a torque-proof manner to the drive shaft 4 and a spring element 20.3 held on the intermediate wall 2.2. The spring element 20.3 exerts a spring force on the brake body 20.1 towards the brake disk 20.2 and presses the brake body 20.1 towards the brake disk 20.2 when the brake 20 is in a closed position. The brake body 20.1 and the brake disk 20.2 are pressed together against a rear stop 20.5, which is formed on an arm of the intermediate wall 2.2 and engages behind the brake disk 20.2. When the brake 20 is in an open position, the stator 17 or its windings are energized and thus generate a magnetic field which acts on the brake body 20.1, in particular on the second part of the radial extent of the brake body 20.1, and generates a magnetic force which counteracts the brake body 20.1 pulls the spring force of the spring element 20.3 away from the brake disc 20.2. In the open position of the brake 20, the brake body 20.1 rests against a front stop 20.5 formed on the intermediate wall 2.2.

In axialer Richtung A benachbart zu der Bremse 20 ist eine Lagerwand 8 angeordnet. Darauf in der axialen Richtung A folgend und somit abseits des Scheibenläufermotors 15 ist ein Sensor 9 zum Detektieren der Winkelposition der Antriebswelle 4 mit einem Staubschutz 9.1 vorgesehen. Endseitig in der Antriebseinheit 200 sind die Steuereinrichtungen 11.1, 11.2 vorgesehen. Im Gegensatz zu der Antriebseinheit 100 weist die Antriebseinheit 200 keinen separaten Elektromagneten 10.4 und keine Zuleitung 10.7 in der Bremse 20 auf.A bearing wall 8 is arranged adjacent to the brake 20 in the axial direction A. Following this in the axial direction A and thus away from the pancake motor 15 is a sensor 9 for detecting the angular position of the drive shaft 4 provided with a dust protection 9.1. The control devices 11.1, 11.2 are provided at the ends in the drive unit 200. In contrast to the drive unit 100, the drive unit 200 has no separate electromagnet 10.4 and no feed line 10.7 in the brake 20.

Die 3a und 3 zeigen eine alternative Ausführungsform der Bremse 20, einmal in geöffneter Stellung (3a) und einmal in geschlossener Stellung (3b). Dabei erstreckt sich die Zwischenwand 2.2 über die gesamte radiale Erstreckung des Bremskörpers 20.1 bis heran an die Antriebswelle 4. Der Bremskörper 20.1 ist als Scheibe auf der dem Stator 17 abgewandten Seite der Zwischenwand 2.2 angeordnet und durch die Zwischenwand 2.2 von dem Stator 17 beabstandet. Die Magnetkraft wirkt dann durch die Zwischenwand 2.2 hindurch. Dabei hält die Zwischenwand 2.2 das Federelement 20.3 und bildet den vorderen Anschlag 20.4, an dem der Bremskörper 20.1 in der geöffneten Stellung der Bremse 20 anliegt. Weiterhin ist an der Zwischenwand 2.2 ein sich in axialer Richtung A erstreckender Arm mit daran ausgebildetem hinterem Anschlag 20.5 angeordnet, der die Bremsscheibe 20.2 hintergreift. In der geschlossenen Stellung der Bremse 20 drückt das Federelement 20.3 den Bremskörper 20.1 gegen die Bremsscheibe 20.2 und diese gemeinsam gegen den hinteren Anschlag 20.5, so dass die Bremsscheibe 20.2 zwischen Bremskörper 20.1 und hinterem Anschlag 20.5 eingeschlossen ist. Der hintere Anschlag 20.5 kann dabei gemeinsam mit dem Bremskörper 20.1 eine Bremskraft auf die Bremsscheibe 20.2 ausüben, etwa indem er Reibflächen oder Reibbeläge aufweist.The 3a and 3 show an alternative embodiment of the brake 20, once in the open position ( 3a) and once in the closed position ( 3b) . The intermediate wall 2.2 extends over the entire radial extent of the brake body 20.1 up to the drive shaft 4. The brake body 20.1 is arranged as a disk on the side of the intermediate wall 2.2 facing away from the stator 17 and is spaced from the stator 17 by the intermediate wall 2.2. The magnetic force then acts through the intermediate wall 2.2. The intermediate wall 2.2 holds the spring element 20.3 and forms the front stop 20.4 against which the brake body 20.1 rests when the brake 20 is in the open position. Furthermore, an arm extending in the axial direction A with a rear stop 20.5 formed thereon, which engages behind the brake disk 20.2, is arranged on the intermediate wall 2.2. In the closed position of the brake 20, the spring element 20.3 presses the brake body 20.1 against the brake disc 20.2 and these together against the rear stop 20.5, so that the brake disc 20.2 is enclosed between the brake body 20.1 and the rear stop 20.5. The rear stop 20.5 can exert a braking force on the brake disc 20.2 together with the brake body 20.1, for example by having friction surfaces or friction linings.

Die 4 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Bremse 20 ohne Zwischenwand 2.2 in einer geschlossenen Stellung. Dabei ist das Federelement 20.3 direkt an dem Magnetkern 17.1 des Stators 17 gehalten. Ebenso sind an dem Magnetkern 17.1 ein vorderer Anschlag 20.4 und ein Arm mit dem hinteren Anschlag 20.5 gehalten. In der Ausführungsform der 4 ist die Bremse 20 mit besonders wenigen Bauteilen und somit besonders einfach ausgebildet.The 4 shows a further alternative embodiment of the brake 20 without an intermediate wall 2.2 in a closed position. The spring element 20.3 is held directly on the magnet core 17.1 of the stator 17. Likewise, a front stop 20.4 and an arm with the rear stop 20.5 are held on the magnetic core 17.1. In the embodiment of 4 the brake 20 is designed with particularly few components and is therefore particularly simple.

5a zeigt mehrere aus dem Stand der Technik bekannte Verläufe eines Statorstroms beim Öffnen der Bremse 10 bei einer Antriebseinheit 100 gemäß 1. Dabei ist auf der y-Achse die Stromstärke über der Zeit auf der x-Achse aufgetragen. Als ein erster Grenzwert ist ein Öffnungsstrom 21 der Bremse 10 abgetragen, der an dem Elektromagnet 10.4 erreicht werden muss, um den Bremskörper 10.1 von der Bremsscheibe 10.2 zu beabstanden. Als ein zweiter Grenzwert ein Haltestrom 22 der Bremse 10 abgetragen, der an dem Elektromagneten 10.4 anliegend noch ausreichend ist, um den Bremskörper 10.1 bei geöffneter Bremse 10 von der Bremsscheibe 10.2 entfernt bzw. an dem vorderen Anschlag 10.5 anliegend zu halten. Ein erster Verlauf 23.1 zeigt den Magnetstrom in dem Elektromagneten 10.4 bei einem ersten Verfahren, bei dem über eine schlagartige Entladung beispielsweise eines Kondensators sehr schnell ein hoher Magnetstrom erzeugt wird, so dass ein kurze Zeitraum t1 bis zum Erreichen des Öffnungsstroms 21 eingestellt werden kann. Nachteilig steigt der Magnetstrom dabei jedoch stark über den Öffnungsstrom 21 hinaus und erzeugt so ein Rauschen, das dem Bereich unterhalt des Verlaufs 23.1 und oberhalb des Öffnungsstroms 21 entspricht. Anschließend wird der Verlauf 23.1 auf den Haltestrom 22 eingeregelt, so dass das Rauschen nur kurzzeitig besteht. In einem weiteren bekannten Verfahren mit dem Verlauf 23.2 wird der Magnetstrom auf einem gegebenen Wert gehalten, sobald eine geöffnete Bremse 10 detektiert wird, etwa weil ein Haltestrom 22 unbekannt ist. In diesem Fall besteht das Rauschen auch nach dem Öffnen der Bremse 10 fort. 5a FIG. 12 shows several profiles of a stator current known from the prior art when brake 10 is released in a drive unit 100 according to FIG 1 . The current intensity is plotted on the y-axis over time on the x-axis. An opening current 21 of the brake 10, which has to be reached at the electromagnet 10.4 in order to space the brake body 10.1 from the brake disc 10.2, is drawn off as a first limit value. A holding current 22 of the brake 10 is removed as a second limit value, which is still sufficient when applied to the electromagnet 10.4 to keep the brake body 10.1 away from the brake disc 10.2 when the brake 10 is open or to keep it in contact with the front stop 10.5. A first curve 23.1 shows the magnetic current in the electromagnet 10.4 in a first method, in which a high magnetic current is generated very quickly via a sudden discharge, for example of a capacitor, so that a short period of time t1 can be set until the opening current 21 is reached. Disadvantageously, however, the magnet current rises sharply above the opening current 21 and thus generates a noise that corresponds to the area below the curve 23.1 and above the opening current 21. The course 23.1 is then adjusted to the holding current 22, so that the noise is only present for a short time. In another known method with the curve 23.2, the magnet current is kept at a given value as soon as an opened brake 10 is detected, for example because a holding current 22 is unknown. In this case, the noise continues even after the brake 10 is released.

5b zeigt entsprechende Verläufe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, etwa bei der Antriebseinheit 200, wobei in einem ersten Verlauf 24.1 zuerst ein Statorstrom, also der Strom an der Wicklung des Stators 17, auf den Öffnungsstrom 21 eingeregelt wird, der nach einem Zeitraum t2 erreicht wird. Dabei ist der Zeitraum t2 zwar länger als der Zeitraum t1, jedoch immer noch ausreichend kurz zum Erreichen eines schnellen Ansprechverhaltens der Antriebseinheit 200. Der Zeitraum t2 beträgt beispielsweise 0,2, 0,3, 0, 4 oder 0, 5 Sekunden. Nach dem Zeitraum t2 ist die Bremse 20 geöffnet und der Statorstrom kann weiter gesteigert werden, um den Rotor 16 und damit die Antriebswelle 4 anzutreiben. Dabei entsteht kein Rauschen, da im Zeitraum t2 das Magnetfeld des Stators 17 durch den Bremskörper 20.1 und anschließend durch den Rotor 16 abgegriffen wird. Dabei kann Statorstrom nach dem Öffnen der Bremse 20 einen beliebigen Verlauf 24.1, 24.2, 24.3 nehmen, der dann jeweils mit verschiedenen Antriebsverläufen des Rotors 16 einhergeht und rauschfrei bleibt. In einem zweiten Verlauf 24.2 wird die Steigung nach dem Öffnen der Bremse 20 steiler gewählt als bei dem ersten Verlauf 24.1. Bei einem dritten Verlauf 24.3 wird der Statorstrom auf den Haltstrom 21 eingeregelt, um so bei geöffneter Bremse 20 einen rauschfreien Stillstand der Antriebswelle 4 zu erreichen, wobei insbesondere eine Bestromung des Rotors 16 unterbleibt. 5b shows corresponding curves according to the method according to the invention, for example in drive unit 200, wherein in a first curve 24.1 a stator current, i.e. the current at the winding of stator 17, is first adjusted to opening current 21, which is reached after a period of time t2. Although the time period t2 is longer than the time period t1, it is still sufficiently short to achieve a rapid response behavior of the drive unit 200. The time period t2 is, for example, 0.2, 0.3, 0.4 or 0.5 seconds. After the period t2, the brake 20 is opened and the stator current can be further increased in order to drive the rotor 16 and thus the drive shaft 4. There is no noise, since the magnetic field of the stator 17 is picked up by the brake body 20.1 and then by the rotor 16 in the time period t2. After the opening of the brake 20, the stator current can take any course 24.1, 24.2, 24.3, which is then associated with different drive courses of the rotor 16 and remains noise-free. In a second course 24.2, the gradient after opening the brake 20 is selected to be steeper than in the first course 24.1. In a third curve 24.3, the stator current is adjusted to the holding current 21 in order to achieve a noise-free standstill of the drive shaft 4 when the brake 20 is open, with the rotor 16 not being energized in particular.

6 zeigt einen Verlauf 25 des Statorstroms bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen des Öffnungsstroms 22, wobei auf einer linken y-Achse die Stromstärke für den Verlauf 25 abgetragen ist. Weiterhin zeigt ein erster Verlauf 26.1 die auf der rechten y-Achse abgetragene Winkelposition der Antriebswelle 4 bei einer nicht verschlissenen Bremse 20 und ein zweiter Verlauf 26.2 die Winkelposition der Antriebswelle 4 bei einer verschlissenen Bremse 20. Die Winkelposition wird beispielsweise mit dem Sensor 9 erfasst. Dabei wird der Statorstrom linear gesteigert und dabei die Winkelposition der Antriebswelle 4 erfasst. Bei geringem Statorstrom unterhalb des Öffnungsstroms 21 wird der Bremskörper 20.1 von der Bremsscheibe 20.2 weg durch das Magnetfeld des Stators 17 kraftbeaufschlagt, so dass sich die Bremse 20 in einem schlupfenden Bereich befindet. Da der so bestromte Stator 17 an dem Rotor 16 bereits ein Drehmoment erzeugt, wird die Antriebswelle 4 gegen die schlupfende Bremse 20 verdreht, so dass die Winkelposition ansteigt. Sobald der Bremskörper 20.1 den Kontakt zu der Bremsscheibe 20.2 verliert, kann die Antriebswelle 4 frei drehen und wird schlagartig durch das am Rotor 16 anliegende Drehmoment deutlich beschleunigt. Es ergibt sich dann ein Knick im Verlauf 26.1, 26.2 der Winkelposition. Der zu diesem Zeitpunkt vorliegende Statorstrom wird als Öffnungsstrom 21 gemessen, die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Winkelposition als Öffnungs-Winkelposition. Der Verlauf 26.2 der Winkelposition einer verschlissenen Bremse 20 zeichnet sich dabei durch eine deutlich schnellere Drehung der Antriebswelle 4 im schlupfenden Bereich aus, so dass beim Öffnungsstrom 21 eine deutlich größere Öffnungs-Winkelposition vorliegt. Mit dem Vergleich der Öffnungs-Winkelpositionen kann insofern ein Verschleiß der Bremse 20 qualitativ und quantitativ erkannt werden. 6 shows a profile 25 of the stator current in a method according to the invention for measuring the opening current 22, the current intensity for the profile 25 being plotted on a left-hand y-axis. Furthermore, a first curve 26.1 shows the angular position of the drive shaft 4 plotted on the right y-axis for a brake 20 that is not worn, and a second curve 26.2 the angular position of the drive shaft 4 when the brake 20 is worn. The angular position is detected by the sensor 9, for example. The stator current is increased linearly and the angular position of the drive shaft 4 is recorded. When the stator current is low below the opening current 21, the brake body 20.1 is subjected to a force away from the brake disk 20.2 by the magnetic field of the stator 17, so that the brake 20 is in a slipping range. Since the stator 17 supplied with current in this way already generates a torque on the rotor 16, the drive shaft 4 is rotated against the slipping brake 20, so that the angular position increases. As soon as the brake body 20.1 loses contact with the brake disc 20.2, the drive shaft 4 can rotate freely and is abruptly and significantly accelerated by the torque applied to the rotor 16. There is then a kink in the course 26.1, 26.2 of the angular position. The stator current present at this point in time is measured as the opening current 21, and the angular position present at this point in time is measured as the opening angular position. The curve 26.2 of the angular position of a worn brake 20 is characterized by a significantly faster rotation of the drive shaft 4 in the slipping area, so that the opening current 21 has a significantly larger opening angular position. With the comparison of the opening angle positions, wear on the brake 20 can be recognized qualitatively and quantitatively.

BezugszeichenlisteReference List

22: GehäuseHousing
2.12.1: gehäusefestes Bauteilhousing-fixed component
2.22.2: Zwischenwandpartition
33: Kugellagerball-bearing
44: Antriebswelledrive shaft
55: Elektromotorelectric motor
5.15.1: Rotorrotor
5.25.2: Statorstator
5.35.3: Motorgehäusemotor housing
66: Getriebetransmission
6.16.1: Wellenerzeugerwave generator
6.26.2: Kugellagerball-bearing
6.36.3: flexibler Ringflexible ring
6.46.4: Zahnringgear ring
6.56.5: Kragencollar
77: Wälzlagerroller bearing
88th: Lagerwandstorage wall
99: Sensorsensor
9.19.1: Staubschutzdust cover
1010: Bremsebrake
10.110.1: Bremskörperbrake body
10.210.2: Bremsscheibebrake disc
10.310.3: Federelementspring element
10.410.4: Elektromagnetelectromagnet
10.510.5: vorderer Anschlagfront stop
10.610.6: hinterer Anschlagback stop
10.710.7: Zuleitungsupply line
11.111.1: Steuereinrichtungcontrol device
11.211.2: Steuereinrichtungcontrol device
1515: Scheibenläufermotordisk motor
15.115.1: Motorgehäusemotor housing
1616: Rotorrotor
16.116.1: Hülse des Rotorssleeve of the rotor
16.216.2: Rotorscheiberotor disc
1717: erster Statorfirst stator
17.117.1: Magnetkernmagnetic core
17.217.2: Halteringretaining ring
1818: zweiter Statorsecond stator
18.118.1: Magnetkernmagnetic core
18.218.2: Halteringretaining ring
2020: Bremsebrake
20.120.1: Bremskörperbrake body
20.220.2: Bremsscheibebrake disc
20.320.3: Federelementspring element
20.420.4: vorderer Anschlagfront stop
20.520.5: hinterer Anschlagback stop
2121: Öffnungsstromopening current
2222: Haltestromholding current
23.123.1: erster Verlauffirst course
23.223.2: zweiter Verlaufsecond course
24.124.1: erster Verlauffirst course
24.224.2: zweiter Verlaufsecond course
24.324.3: dritter Verlaufthird course
2525: VerlaufCourse
26.126.1: erster Verlauffirst course
26.226.2: zweiter Verlaufsecond course
100100: Antriebseinheitdrive unit
200200: Antriebseinheitdrive unit
AA: axiale Richtungaxial direction
AXAX: Achseaxis
RR: radiale Richtungradial direction
t1t1: erster Zeitraumfirst period
t2t2: zweiter Zeitraumsecond period

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

KR 102061693 B1 [0002]
JP 2018113738 A [0003]

Claims

Method for operating a drive unit (200) with a housing (2), a drive shaft (4) mounted in the housing (2), a pancake motor (15) for driving the drive shaft (4), a gear (6) for translating the drive shaft (4) on an output shaft and a brake (20) for selectively fixing the drive shaft (4) relative to the housing (2), the pancake motor (15) having a rotor (16) and at least one stator (17, 18) designed as an electromagnet and wherein the brake (20) has a brake disc (20.2) non-rotatably connected to the drive shaft (4) and a brake body (20.1) non-rotatably connected to the housing (2), and the brake body (20.1) is connected by a spring element (20.3) in force is applied in the axial direction (A) towards the brake disk (20.2), characterized in that the stator (17) when driving the drive shaft (4) to form a force acting in the axial direction (A) and extending up to the brake body (20.1) extending magnetic field is energized, whereby the rotor (16) is subjected to a torque by the magnetic field and the brake body (20.1) is pulled away from the brake disc (20.2) and that when the drive shaft (4) is braked, the magnetic field is canceled and the brake body (20.1) is pressed against the brake disc (20.2) by means of the spring element (20.3).

procedure after claim 1 , characterized in that the control of the stator (17) is based on the stator current as a controlled variable.

procedure after claim 2 , characterized in that the stator current is a motor current or is proportional to a motor current.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that when the disc motor (15) is started up, the stator current is increased more steeply than after up to an opening current (21) at which the brake body (20.1) is removed from the brake disc (20.2). removing the brake body (20.1) from the brake disc (20.2).

procedure after claim 4 , characterized in that the stator current increases to the opening current (21) in less than 0.5 seconds.

procedure after claim 4 or 5 , characterized in that the stator current after reaching the opening current (21) is set to a holding current (22) at which the brake body (20.1) is held away from the brake disc (20.2).

Method for measuring an opening current in a drive unit (200) with a housing (2), a drive shaft (4) mounted in the housing (2), a pancake motor (15) for driving the drive shaft (4), a gear (6) for Transmission of the drive shaft (4) to an output shaft, a brake (20) for selectively fixing the drive shaft (4) in relation to the housing (2) and a sensor (9) for detecting the angular position of the drive shaft (4), the pancake motor (15 ) has a rotor (16) and at least one stator (17, 18) designed as an electromagnet, and wherein the brake (20) has a brake disc (20.2) non-rotatably connected to the drive shaft (4) and one non-rotatably connected to the housing (2). brake body (20.1) and the brake body (20.1) is subjected to a force in the axial direction (A) towards the brake disc (20.2) by means of a spring element (20.3), characterized in that the stator current is linearly increased when the brake (20) is closed and in the process the angular position of the drive shaft (4) is detected by means of the sensor (9), an opening current (21) being detected when the change in the angular position of the drive shaft (4) increases.

procedure after claim 7 , characterized in that the method is carried out at regular intervals, an opening angle position being detected when the change in the angular position of the drive shaft (4) increases, the opening angle position being compared with a last detected opening angle position in order to Wear condition of the brake (20) to recognize.

Drive unit (200) for carrying out a method according to any one of the preceding claims.

Robot with a drive unit (200). claim 9 .