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Die
Erfindung betrifft ein Meßverfahren
an einem Elektromotor mit Rotor und Stator zur Ermittlung von Abhebehöhe und/oder
axialem Spiel, wobei der Rotor an dem Stator gelagert und insbesondere
fluidgelagert ist, bei dem der Elektromotor mit einer definierten
Meßdrehzahl
betrieben wird, bei welcher der Rotor sich relativ zum Stator in
einer bestimmten axialen Position befindet, wobei diese relative
axiale Position bestimmt wird.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Meßvorrichtung für einen
Elektromotor, mittels der eine axiale Position eines an einem Stator
gelagerten und insbesondere fluidgelagerten Rotors ermittelbar ist.
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Fluidlager
oder hydrodynamische Lager werden beispielsweise für die Drehlagerung
bei Spindelmotoren für
Festplattenlaufwerke eingesetzt. Solche Elektromotoren weisen bei
großer
Robustheit und Schockresistenz eine hohe Laufruhe und Laufgenauigkeit
auf. Es ist jedoch bei der Herstellung eines Fluidlagers wichtig,
daß für den Lagerspalt
zwischen Welle und Lageraufnahme sehr enge Toleranzen eingehalten
werden. Wenn der Motor beispielsweise mit seiner Nenndrehzahl betrieben
wird, dann befindet sich der Rotor in einer bestimmten relativen
axialen Position (Abhebeposition oder Flugposition) zu dem Stator.
Die zugehörige
Flughöhe
oder Abhebehöhe charakterisiert
neben dem axialen Spiel den Elektromotor und ist insbesondere ein
Maß für die Qualität des Elektromotors.
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Ein
axiales Spiel gibt es auch bei Kugellagern.
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Aus
der
US 6,173,234 B1 ist
ein Verfahren zur Ermittlung, ob ausreichend Schmiermittel in einem
Motor mit einem hydrodynamischen Lager vorhanden ist, bekannt. Es
wird dazu die Abhebehöhe eines
Rotors bestimmt, wobei die Abhebehöhe dadurch ermittelt wird,
daß ein
erstes Verschiebungssignal des Rotors erzeugt wird, wenn der Rotor
bei einer maximalen Abhebehöhe
rotiert und ein zweites Verschiebungssignal erzeugt wird, wenn der
Rotor aufgehört
hat zu fliegen.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren
und eine Meßvorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der sich die axiale
Position des Rotors relativ zum Stator mit hoher Genauigkeit und
hoher Reproduzierbarkeit bestimmen läßt.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Meßverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor
bei Motorstillstand definiert in eine erste Anschlagstellung relativ
zum Stator gebracht wird, daß der
Rotor bei Motorstillstand definiert in eine der ersten Anschlagstellung
gegenüberliegende
zweite Anschlagstellung relativ zum Stator gebracht wird, und daß in den
beiden Anschlagstellungen jeweils die relative axiale Position zwischen Rotor
und Stator gemessen wird, wobei die Abhebehöhe des Rotors über die
relative axiale Position zum Stator bezogen auf die erste Anschlagstellung
oder zweite Anschlagstellung ermittelt wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
lassen sich subjektive Einflüsse
bei der Herstellung der Anschlagstellungen ausschalten, da diese definiert
hergestellt werden. Wenn die Anschlagstellungen bekannt sind, dann
läßt sich wiederum
die Flughöhe
mit hoher Genauigkeit ermitteln. Über das erfindungsgemäße Meßverfahren
läßt sich
die Flughöhe
und gleichzeitig auch das axiale Spiel mit hoher Genauigkeit bei
hoher Reproduzierbarkeit bestimmen. Innerhalb kurzer Meßzyklen
lassen sich die relevanten Größen ermitteln.
Insbesondere läßt sich die
Messung automatisieren.
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Vorteilhafterweise
entspricht die Meßdrehzahl
im wesentlichen der Nenndrehzahl des Elektromotors. Die Nenndrehzahl
des Elektromotors ist diejenige Drehzahl, für welche der Elektromotor optimiert
ist. Wenn die Meßdrehzahl
der Nenndrehzahl entspricht, dann läßt sich durch das erfindungsgemäße Meßverfahren
die Abhebehöhe
und das axiale Spiel eben für
die Nenndrehzahl ermitteln.
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Die
Positionsmessung läßt sich
auf einfache Weise mittels eines Abstandssensors durchführen. Es
kann sich dabei beispielsweise um einen kapazitiven Sensor handeln.
Es können
auch andere berührungslose
Sensoren wie induktive Sensoren, optische Sensoren oder gegebenenfalls
magnetische Sensoren oder Ultraschallsensoren verwendet werden.
Insbesondere wird dabei der Stator ortsfest gehalten und die relative
axiale Position zwischen Stator und Rotor gemessen. Es ist dazu
insbesondere ein ortsfester Abstandssensor vorgesehen. Änderungen
der Relativposition zwischen Stator und Rotor lassen sich dann über den
Abstandssensor erfassen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn zur Einstellung der entsprechenden Anschlagstellung
der Rotor gegen den Stator gedrückt
wird. Durch Bestimmung dieser Anschlagstellung läßt sich dann über das
Signal des entsprechenden Abstandssensors die Flughöhe und das
axiale Spiel bestimmen.
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Die
entsprechende Anschlagstellung läßt sich
definiert erreichen, wenn das Andrücken des Rotors gegen den Stator
mittels Druckluft erfolgt. Dadurch läßt sich der Anpreßvorgang
steuern und so die entsprechende Anschlagstellung definiert erreichen.
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Insbesondere
kann es vorgesehen sein, daß Druckluft-Pulse
zum Andrücken
des Rotors gegen den Stator eingesetzt werden. Es hat sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn weniger als zehn Pulse pro Minute verwendet werden,
um die entsprechende Anschlagstellung einzustellen.
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Zur
Einstellung der weiteren Anschlagstellung ist es vorteilhaft, wenn
der Rotor vom Stator weggezogen wird. Dies erfolgt beispielsweise über Unterdruckbeaufschlagung.
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Dazu
kann eine Druckglocke vorgesehen werden, über welche auf den Rotor ein
entsprechender Unterdruck ausübbar
ist, um diesen vom Stator wegzuziehen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Druckglocke kardanisch
aufgehängt
wird, um deren Einfluß auf
das Meßergebnis
zu minimieren.
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Eine
hohe Präzision
in der Bestimmung der Abhebehöhe
und des axialen Spiels läßt sich
erreichen, wenn die Verformung eines in den Anschlagstellungen kraftbeaufschlagten
Teils des Elektromotors gemessen wird. In den Anschlagstellungen
liegen Teile kraftbeaufschlagt aneinander an, so daß diese
eine Kraft aufeinander ausüben.
Diese Kraft äußert sich
in einer Verformung, die durch den Abstandssensor mitgemessen wird
oder durch einen weiteren Sensor ermittelt wird. Die von dem Abstandssensor
gelieferten Werte müssen
um die Verformung korrigiert werden, da bei Betrieb des Elektromotors,
wenn der Rotor über
dem Stator in seiner Flughöhe
liegt, eben keine solche Verformung vorliegt. Über die Messung der Verformung
läßt sich eine
solche Korrektur durchführen.
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Insbesondere
ist dabei ein Abstandssensor zur Verformungsmessung vorgesehen.
Dieser Abstandssensor ist dabei auf den Stator ausgerichtet, um
entsprechende Verformungen messen zu können.
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Vorteilhafterweise
ist der Verformungs-Abstandssensor zu einer zentralen Achse einer
Welle des Elektromotors koaxial ausgerichtet oder in einem solchen
Abstand zu dieser angeordnet, daß sein Gesichtsfeld in einer
Projektion der Anschlagfläche
in einer Lageraufnahme für
die Welle liegt. Dadurch läßt sich
die Verformung auf einfache Weise bestimmen, nämlich über eine Abstandsänderung
zwischen dem Stator und dem Abstandssensor.
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Insbesondere
ist dabei der Verformungs-Abstandssensor auf eine Grundplatte des
Stators ausgerichtet.
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Ein
Gesichtsfeld des Verformungs-Abstandssensors liegt dabei in Gegenrichtung
zu einem Gesichtsfeld eines Abstandssensors zur Ermittlung der relativen
Position zwischen Rotor und Stator. Der Abstandssensor zur Ermittlung
der relativen Position zwischen Rotor und Stator mißt (auf
relative Weise) die Abhebehöhe
des Rotors relativ zum Stator. Der Verformungs-Abstandssensor mißt die Verformung insbesondere
einer Grundplatte des Elektromotors.
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Bei
der Bestimmung der Abhebehöhe und/oder
des axialen Spiels des Rotors über
die Anschlagstellung oder Anschlagstellungen wird dann die Verformung
der Anschlagflächen
aufgrund einer Kraftausübung
berücksichtigt.
Dadurch läßt sich
die Abhebehöhe
und die Flughöhe
des Rotors relativ zum Stator mit hoher Genauigkeit und hoher Reproduzierbarkeit
auch bei Größenordnungen
von 10 μm und
kleiner ermitteln.
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Insbesondere
ist es vorgesehen, daß zuerst der
Elektromotor mit einer bestimmten Meßdrehzahl betrieben wird, dann
bei Motorstillstand der Rotor vom Stator zur Einstellung der ersten
Anschlagstellung weggezogen wird und anschließend zur Einstellung der zweiten
Anschlagstellung der Rotor gegen den Stator gedrückt wird oder zuerst der Rotor
gegen den Stator gedrückt
wird und dann der Rotor vom Stator weggezogen wird. Bei einem solchen
erfindungsgemäßen Meßverfahren
läßt sich
mit hoher Reproduzierbarkeit, kleinen Taktzeiten und hoher Genauigkeit
die Abhebehöhe
und das axiale Spiel ermitteln. Insbesondere läßt sich ein solches Meßverfahren
automatisch durchführen.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Meßvorrichtung
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine
Druck- und Zugvorrichtung vorgesehen ist, mittels der der Rotor
und der Stator relativ zueinander definiert in eine erste axiale
Stellung bringbar sind, in welcher der Rotor in einer ersten Anschlagstellung
relativ zum Stator anliegt, und in eine zweite Anschlagstellung
bringbar sind, in welcher der Rotor in einer gegenüberliegenden
zweiten Anschlagstellung relativ zum Stator liegt.
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Über die
Druck- und Zugvorrichtung lassen sich in einer Meßvorrichtung
beide Anschlagstellungen definiert einstellen. Es lassen sich dann
Abhebehöhe
(Flughöhe)
und axiales Spiel des Rotors relativ zum Stator mit hoher Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit ermitteln.
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Insbesondere
ist dabei die Druck- und Zugvorrichtung gepulst betreibbar, um ein
gesteuertes, definiertes Erreichen der Anschlagstellungen gewährleisten
zu können.
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Insbesondere
ist der Elektromotor über
die Druck- und Zugvorrichtung mittels Druckluft beaufschlagbar und
mit Unterdruck beaufschlagbar, um so einen Anpreßdruck und eine Zugkraft erzeugen
zu können.
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Beispielsweise
umfaßt
die Druck- und Zugvorrichtung eine Druckglocke zum Wegziehen des Rotors
vom Stator. Ferner kann ein Druckzylinder zur Herstellung einer
Anpreßkraft
des Rotors gegen den Stator vorgesehen sein.
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Insbesondere
ist die Druck- und Zugvorrichtung kardanisch aufgehängt, um
deren Einfluß auf das
Meßergebnis
zu minimieren.
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Weiterhin
ist es vorgesehen, daß ein
Abstandssensor zur Ermittlung der relativen axialen Position zwischen
Stator und Rotor vorgesehen ist, da sich dann die relative axiale
Position als Abstandsinformation auf einfache Weise ermitteln läßt. Insbesondere
ist dabei der Abstandssensor ortsfest positioniert, um so eine Abstandsinformation
zu erhalten.
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Weiterhin
ist es günstig,
wenn ein Verformungssensor zur Ermittlung der Verformung eines über die
Druck- und Zugvorrichtung kraftbeaufschlagten Bereichs des Elektromotors
vorgesehen ist, wobei der Verformungssensor insbesondere einen Abstandssensor
umfaßt
oder durch einen solchen Abstandssensor gebildet ist.
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Auch
der Verformungssensor ist vorzugsweise ortsfest positioniert, um
so Verformungen als Abstandsinformation genau erfassen zu können.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung wurden im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren
erläutert.
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Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit
der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Elektromotors
(Spindelmotor) mit einem fluidgelagerten Rotor;
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,
mit der die Abhebehöhe
des Rotors relativ zum Stator bestimmbar ist und
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3 ein
Beispiel für
Meßsignale,
aus denen die Abhebehöhe
(fly height) und das axiale Spiel bestimmbar sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Elektromotors, welcher eine fluidgelagerte Welle aufweist,
ist in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet.
Dieser Elektromotor 10 weist einen Stator 12 und
einen Rotor 14 auf. Der Rotor 14 ist bezüglich des
Stators 12 um eine Achse 16 drehbar gelagert.
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Zur
Lagerung des Rotors 14 an dem Stator 12 ist ein
Fluidlager 18 (hydrodynamisches Lager) vorgesehen. Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt das Fluidlager 18 eine
Welle 20, welche drehfest an dem Stator 12 sitzt.
Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Welle drehfest an dem
Rotor 14 sitzt (in der Zeichnung nicht gezeigt). Die Welle 20 ist
in einer Lageraufnahme 22 (Lagerhülse) des Rotors 14 aufgenommen.
Zwischen der Lageraufnahme 22 und der Welle 20 ist
ein Lagerspalt 24 gebildet, welcher mit einem Schmiermittel
befüllt
ist, um eine hydrodynamische Schmierung zu erzielen.
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Die
Welle 20 weist eine Struktur 26 zur Verwirbelung
des Schmiermittels bei Rotation des Rotors 14 um die Drehachse 16 auf.
Eine entsprechende Struktur kann alternativ oder zusätzlich an
der Lageraufnahme 22 der Welle 20 zugewandt gebildet sein.
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Die
Welle 20 umfaßt
eine Druckscheibe 28 (thrust plate), welche an dem dem
Stator 12 abgewandten Ende der Welle 20 sitzt.
Diese Druckscheibe 28 weist bezogen auf die Drehachse 16,
welche mit einer zentralen Achse der Welle 20 zusammenfällt, einen
größeren Querschnitt
auf als die Welle 20 unterhalb dieser Druckscheibe 28.
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Die
Lageraufnahme 22 ist der Druckscheibe 28 zugewandt
durch ein Widerlager 30 (counter plate) begrenzt, wobei
dieses Widerlager 30 insbesondere scheibenförmig ausgebildet
ist. Die Lageraufnahme 22 umfaßt einen ersten Bereich 32,
in welchem die Druckscheibe 28 geführt ist, und einen auf den
ersten Bereich 32 folgenden zweiten Bereich 34, in
welchem der Abschnitt der Welle 20 unterhalb der Druckscheibe 28 geführt ist.
Der erste Bereich 32 weist einen größeren Querschnitt auf als der
zweite Bereich 34 der Lageraufnahme 22. Die Höhe des zweiten
Bereichs 34 parallel zur Achse 16 ist größer als
die entsprechende Höhe
des ersten Bereichs 32. Der erste Bereich 32 hat
die Form einer Hohlscheibe, während
der zweite Bereich 34 die Form eines Hohlzylinders hat.
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An
dem Rotor 14 ist ein Magnet 36 oder sind mehrere
entsprechende Magnete gehalten, welche einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 38 des
Stators 12 zugewandt sind. Diese Magnetfelderzeugungseinrichtung 38 umfaßt Wicklungen 40.
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Der
Stator 12 selber weist eine Grundplatte 42 (base
plate) auf.
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Der
erste Bereich 32 der Lageraufnahme 22, in welchem
die Druckscheibe 28 gelagert ist, hat eine Höhe H, welche
größer ist
als die entsprechende Höhe
der Druckscheibe 28. Dadurch ist eine erste Anschlagstellung 44 definiert,
bei welcher die dem Stator 12 zugewandte Seite der Druckscheibe 28 in ihrem
ringförmigen
Bereich an der dem Widerlager 30 zugewandten Begrenzungswand
des ersten Bereichs 32 anschlägt, wobei dieser Begrenzungsbereich
ebenfalls ringförmig
ist.
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Eine
zweite Anschlagstellung 46 ist dadurch definiert, daß die dem
Widerlager 30 zugewandte Oberfläche der Druckscheibe 28,
welche kreisförmig ist,
an das Widerlager 30 anschlägt.
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Die
Höhendifferenz
zwischen der ersten Anschlagstellung 44 und der zweiten
Anschlagstellung 46 wird auch als axiales Spiel (axial
play) des Elektromotors bezeichnet. Bei Spindelmotoren, die in Festplattenlaufwerken
eingesetzt werden, liegt der Wert des axialen Spiels in der Größenordnung
von 10 μm.
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Wenn
der Rotor 14 um die Drehachse 16 rotiert, dann
hebt er vom Stator 12 ab, d. h. die Druckscheibe 28 befindet
sich in einer Stellung zwischen der ersten Anschlagstellung 44 und
der zweiten Anschlagstellung 46. Der Rotor 14 verschiebt
sich dabei relativ zu dem Stator 12 (bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 dann
auch relativ zu der Welle 20) in einer axialen Höhe parallel
zur Achse 16 bzw. es tritt eine Relativverschiebung zwischen
Rotor 14 und Stator 12 auf und damit eine Relativverschiebung
der Welle 20 in der Lageraufnahme 22. Diese Position des
Rotors 14 über
dem Stator 12 wird auch als Flughöhe (fly height) oder Abhebehöhe bezeichnet.
Diese Flughöhe
bei der Nenndrehzahl des Elektromotors ist ein charakteristisches
Maß für den Elektromotor 10 und
charakterisiert insbesondere die Qualität des Elektromotors.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitgestellt, um diese Flughöhe
zu messen:
Ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung
zur Bestimmung der axialen Position zwischen Stator 12 und
Rotor 14 bei Motordrehung, welche in 2 gezeigt
und dort als Ganzes mit 48 bezeichnet ist, umfaßt eine
Haltevorrichtung 50, an welcher der Stator 12 fixierbar
ist. Die Haltevorrichtung 50 ist dabei so ausgebildet,
daß sie
einen Bereich 52 unterhalb der Grundplatte 42 freiläßt, welcher
koaxial zu der Drehachse 16 liegt. In diesem Bereich 52 ist
ein Verformungssensor 54 angeordnet, über welchen sich die Verformung
der Grundplatte 42 im Bereich einer Projektion 56 der
Welle 20 auf die Grundplatte 42 bestimmen läßt. Über diesen
Verformungssensor 54 lassen sich, wie unten noch näher beschrieben
wird, Korrekturen bezüglich
der Bestimmung der Flughöhe
und des axialen Spiels des Rotors 14 aufgrund einer Verformung
der Grundplatte 42 durchführen.
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Bei
dem Verformungssensor 54 handelt es sich insbesondere um
einen Abstandssensor wie beispielsweise einen kapazitiven Sensor,
welcher ortsfest bezüglich
der Haltevorrichtung 50 angeordnet ist und mit seinem Gesichtsfeld
auf die Projektion 56 ausgerichtet ist.
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Der
Rotor 14 wird zur Bestimmung des axialen Spiels definiert
in die erste Anschlagstellung 44 und in die zweite Anschlagstellung 46 gebracht.
Dies erfolgt vorzugsweise gesteuert über Unterdruckbeaufschlagung
und Druckluftbeaufschlagung durch eine Druck- und Zugvorrichtung 59.
Dazu ist eine kardanisch aufgehängte
Druckglocke 58 vorgesehen, über die auf den Rotor 14 mittels
Druckluft aus einem Druckzylinder ein Druck ausübbar ist, um diesen gegen den
Stator 12 zu drücken
und damit die zweite Anschlagstellung 46 des Rotors 14 relativ
zum Stator 12 zu erreichen. Ferner kann über die
Druckglocke 58 eine Unterdruckbeaufschlagung des Rotors 14 erzielt
werden, um diesen von dem Stator 12 wegzuziehen und damit
die erste Anschlagstellung 44 zu erreichen.
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Die
Druckglocke 58 umfaßt
eine ringförmige Kammer 60,
welche mit einem vorderen Ende an dem Rotor 14 positionierbar
ist, um so eben auf diesen relativ zu dem Stator 12 eine
Kraft ausüben
zu können.
Diese Kammer 60 ist mit Anschlüssen 62 versehen, über die
Druckluft in die Kammer 60 einkoppelbar ist bzw. eine Unterdruckbeaufschlagung der
Kammer 60 erreichbar ist.
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Um
die axiale Position des Rotors 14 relativ zum Stator 12 und
damit die axiale Position der Welle 20 in der Lageraufnahme 22 messen
zu können,
ist ein Abstandssensor 64 vorgesehen, welcher ortsfest bezüglich der
Haltevorrichtung 50 positioniert ist und dessen Gesichtsfeld
auf eine Oberfläche
des Rotors 14 ausgerichtet ist. Eine axiale Verschiebung
des Rotors 14 relativ zu dem Stator 12 äußert sich
dann in einer relativen axialen Verschiebung des Rotors 14 zu
dem Abstandssensor 64, so daß diese Verschiebung meßbar ist.
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Erfindungsgemäß wird nun
wie folgt vorgegangen:
Der Elektromotor 10 wird ohne
externe Kraftausübung
mit einer Meßdrehzahl,
welche vorzugsweise seiner Nenndrehzahl entspricht, betrieben. Es
stellt sich dann eine bestimmte Abhebeposition des Rotors 14 relativ
zum Stator 12 ein, welche den Elektromotor 10 charakterisiert.
Der Abstandssensor 64 mißt ein Signal 66 (3),
welches ein Maß für diese
Flughöhe
oder Abhebehöhe
ist.
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Anschließend wird
der Rotor 14 in die erste Anschlagstellung 44 gezogen,
d. h. der Rotor 14 wird so positioniert, daß die Druckscheibe 28 an
einer Begrenzungswand des ersten Bereichs 32 der Lageraufnahme 22 anliegt.
Bei der Herstellung dieser ersten Anschlagstellung 44 rotiert
der Rotor 14 nicht, d. h. der Elektromotor 10 ist
in einem Nicht-Betriebszustand. Die Überführung in die erste Anschlagstellung 44 erfolgt
auf definierte Weise.
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Durch
Unterdruckbeaufschlagung wird der Rotor 14 definiert von
dem Stator 12 abgehoben, und der Rotor 14 in die
erste Anschlagstellung 44 gezogen. Dieser Übergang
wird bei Stillstand des Elektromotors 10 durchgeführt. Es
kann vorgesehen sein, daß die
Unterdruckbeaufschlagung gepulst erfolgt.
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Der
Abstandssensor 64 liefert dann ein Signal 68,
welches durch die erste Anschlagstellung 44 charakterisiert
ist.
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Anschließend wird – gegebenenfalls
nach Entlüftung
der Kammer 60 – gepulst
Druckluft in die Kammer 60 eingebracht. Es hat sich als
vorteilhaft erwiesen, wenn pro Minute sechs bis sieben Luftstöße verwendet
werden, um die zweite Anschlagstellung 46 zu erreichen.
Der Abstandssensor 64 liefert ein Signal 70, welches
die zweite Anschlagstellung 46 charakterisiert.
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Die
Reihenfolge der Überführung in
die erste Anschlagstellung 44 und zweite Anschlagstellung 46 kann
auch vertauscht sein.
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Aus
der Differenz zwischen den Signalen 68 und 70,
die Abstandssignale sind, läßt sich
das axiale Spiel ermitteln. Die Signale 68 und 70,
welche bei Stillstand des Elektromotors 10 gemessen werden, charakterisieren
die beiden Grenzfälle
der axialen Position des Rotors 14 relativ zum Stator 12.
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Bezogen
auf die Signale 68 bzw. 70 läßt sich dann aus dem Signal 66 die
Flughöhe
des Rotors 14 relativ zum Stator 12 ermitteln,
um so den Elektromotor 10 zu charakterisieren.
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Wenn
die Welle 20 über
den Rotor 14 kraftbeaufschlagt ist, dann äußert sich
dies in einer elastischen Verformung der Welle 20 bzw.
der Grundplatte 42. Diese elastische Verformung ist in
den Signalen 66, 68, 70 des Abstandssensors 64 enthalten, wobei
sie jedoch keinen Beitrag zum axialen Spiel und zu der Flughöhe liefert.
Die Meßergebnisse
müssen
deshalb um die Verformung korrigiert werden; der Verformungssensor 54 stellt
Signale bereit, welche Informationen über die Verformung enthalten und
dadurch einer derartigen Korrektur dienen können.
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In
der ersten Anschlagstellung 44 wird durch Hochziehen des
Rotors 14 relativ zum Stator 12 auf die Welle 20 eine
Kraft in Richtung der Hochziehrichtung ausgeübt. Dadurch wird die Grundplatte 42 in der
gleichen Richtung verformt, so daß der Abstand zwischen dem
Verformungssensor 54 und der Grundplatte 42 mindestens
im Bereich der Projektion 56 erhöht wird. Der Verformungssensor 54 liefert
also ein Signal 72 mit einem Signalabstand zu einer Normallinie 74;
die Differenz zur Normallinie 74 zeigt eine Vergrößerung des
Abstands zwischen Verformungssensor 54 und Grundplatte 42 an.
Das Signal 68 muß entsprechend
korrigiert werden, um die erste Anschlagstellung 44 mit
hoher Genauigkeit zu erhalten.
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Wird
umgekehrt die zweite Anschlagstellung 46 gehalten, indem
der Rotor 14 gegen den Stator 12 gedrückt wird,
dann wird auf die Welle 20 eine Kraft in der Druckrichtung
ausgeübt.
Dies äußert sich
in einer Verformung der Grundplatte 42 in dieser Richtung.
Dadurch wiederum wird der Abstand zwischen der Grundplatte 42 mindestens
im Bereich der Projektion 56 und dem Verformungssensor 54 verringert, was
sich in einem entsprechenden Signal 76 äußert, das einen Abstand zu
einer Normallinie 78 aufweist. Durch Korrektur des zweiten
Signals 70 um den Abstand des Signals 76 zu der
Normallinie 78 läßt sich dann
die zweite Anschlagstellung 46 hochpräzise bestimmen.
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Über die
Korrektur mittels der Signale 72, 76 des Verformungssensors 54 läßt sich
dadurch hochpräzise
die erste Anschlagstellung 44 und die zweite Anschlagstellung 46 bestimmen,
um so wiederum die Flughöhe
und das axiale Spiel bestimmen zu können.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hochpräzise und
definiert die Flughöhe
der Welle 20 in der Lageraufnahme 22 ermitteln,
wobei sich auch Flughöhen
in der Größenordnung
von 10 μm
und kleiner ermitteln lassen. Über
die Meßvorrichtung 48 läßt sich
sowohl die Flughöhe
als auch das axiale Spiel ermitteln; die Messungen weisen eine hohe
Reproduzierbarkeit mit hoher Genauigkeit und kurzen Meßtaktzeiten
auf.
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Oben
wurde das erfindungsgemäße Meßverfahren
im Zusammenhang mit einem fluidgelagerten Rotor beschrieben. Es
läßt sich
für kugelgelagerte
Rotoren einsetzen.
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Achse
- 18
- Fluidlager
- 20
- Welle
- 22
- Lageraufnahme
- 24
- Lagerspalt
- 26
- Struktur
- 28
- Druckscheibe
- 30
- Widerlager
- 32
- erster
Bereich
- 34
- zweiter
Bereich
- 36
- Magnet
- 38
- Magnetfelderzeugungseinrichtung
- 40
- Wicklung
- 42
- Grundplatte
- 44
- erste
Anschlagstellung
- 46
- zweite
Anschlagstellung
- 48
- Meßvorrichtung
- 50
- Haltevorrichtung
- 52
- Bereich
- 54
- Verformungssensor
- 56
- Projektion
- 58
- Druckglocke
- 59
- Druck-
und Zugvorrichtung
- 60
- Kammer
- 62
- Anschluß
- 64
- Abstandssensor
- 66
- Signal
- 68
- Signal
- 70
- Signal
- 72
- Signal
- 74
- Normallinie
- 76
- Signal
- 78
- Normallinie