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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Winkelmesseinheit für
Schwenk- und Drehantriebe und insbesondere auf eine Winkelmesseinheit für
Schwenk- und Drehantriebe zur Schwenkung und Drehung schwerer Lasten
und insbesondere auf eine Absolutwinkelmesseinheit für
Schwenk- und Drehantriebe und insbesondere zur azimuthalen und elevatalen
Nachführung von Sonnenanlagen.
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Aus
dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Schwenk- und Drehantrieben
bekannt, die jeweils im Wesentlichen einen Motor, ein Zwischengetriebe
mit einem festem und meist hohem Übersetzungsverhältnis,
einen Inkrementalgeber, eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle
umfassen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines derartigen herkömmlichen
Drehantriebs 1 am Beispiel der azimuthalen Nachführung
einer der Sonne nachgeführten Solaranlage mit der Antriebswelle 11,
der Abtriebswelle 12, die eine Solarfläche 10 trägt,
dem Motor 13, dem Zwischengetriebe 13' und der
Steuerung 16.
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Zur
genauen Positionierung und Ansteuerung einer Solarfläche 10 mit
dem Ziel, dass Sonnenlicht senkrecht auf die Solarfläche 10 auftrifft,
ist es wünschenswert die Positionierung der Abtriebswelle 12 und
damit die azimuthale Positionierung der Solarfläche 10 sehr
genau zu bestimmen, weshalb an der Motorwelle ein Inkrementalgeber 14 angeordnet ist,
der die Motorumdrehungen zählt und hierüber die Position
der Abtriebswelle 12 und damit des Solarfläche 10 inkremental
detektiert und mit der Steuerung 16 zusammenwirkt.
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Hierbei
erfolgt bei etwaigen auftretenden Störgrößen
wie etwa Schlupf ausgelöst durch beispielsweise Wind, Verluste
von Inkrementalimpulsen aufgrund hoher Übersetzungsverhältnisse
oder aufgrund mangelnder Selbsthemmung kein Soll/Ist-Wertvergleich
des von der Steuerung 16 vorgegebenen Sollwerts, wonach
keine Korrektur durchgeführt und kein vorgegebener Drehwinkel
eingestellt werden kann.
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Der
Inkrementalgeber 14 ist dabei an der Motorwelle 13 angeordnet,
nachdem es wünschenswert ist, die Achse der Abtriebswelle 12 frei
zu halten. Um die Drehung der Abtriebsachse 12 einzuschränken
und/oder aus Sicherheitsgründen sind bei herkömmlichen
Schwenk- und Drehantrieben für Sonnennachführungen
außerdem an der Abtriebswelle 12 Endschalter 15 vorgesehen,
die ebenfalls mit der Steuerung 16 zusammenwirken.
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Zur
Bestimmung der Position der Abtriebswelle 12 muss der relative
Inkrementalgeber 14 über eine Referenzfahrt mit
einer Drehung der Abtriebswelle 12 über ihren
gesamten Arbeitsbereich, was meist einem Winkel von etwa 270° entspricht,
angelernt werden, was aufwendig und dementsprechend teuer ist.
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Die
vorstehend beschriebene indirekte und relative Messung verursacht
insbesondere deshalb hohe Kosten, da nach jedem Spannungsausfall
der Steuerung 16 bzw. Ausfall des Messsystems eine erneute
Referenzfahrt durchgeführt werden muss. Außerdem
ist ein mit der Motorwelle, dem Zwischengetriebe oder der Antriebswelle
gekoppelten inkremental arbeitender Inkrementalgeber 14 auch
für die rauhen Umgebungsbedingungen seines Einsatzortes nicht
geeignet, da er durch Schutzart und die Lagerung der Wellen nicht
für die Einsatzbedingungen an der Sonnennachführung
aufwendig und teuer optimiert ist. Dies gilt auch für die
mit der Abtriebswelle 12 zusammenwirkenden Endschalter 15 und
etwaige ebenfalls mit der Abtriebswelle 12 zusammenwirkenden
Referenzschalter.
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Ein
vorstehender Drehantrieb für ein Nachführsystem
für Solaranlagen mit einem azimuthalen Drehantrieb ist
beispielsweise in der
DE
10 2005 042 478 A1 offenbart.
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Es
ist daher wünschenswert, eine kostengünstige Winkelmesseinrichtung
für Schwenk- und Drehantriebe bereitzustellen, die nach
einmaligem Anlernen keine erneute Justage benötigt und
die zuverlässig, sicher und störungsfrei arbeitet
und die die Steuerung von Schwenk- und Drehantrieben vereinfacht.
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Hierbei
ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine technisch
und preislich verbesserte Winkelmesseinrichtung für azimuthale
und elevatale Schwenk- und Drehantriebe von Nachführsystemen
von Solaranlagen bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind
in der folgenden Beschreibung erwähnt, die von schematischen
Zeichnungen begleitet ist. Hierzu zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines bekannten Schwenk- und Drehantriebs
für ein Nachführsystem für Solaranlagen;
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2a eine
schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Winkelmesseinheit;
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2b die
Winkelmesseinheit von 2a aus einer anderen Perspektive;
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3 die
Winkelmesseinheit von 2a und 2b mit
ihrer Halterung;
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4a und 4b die
Winkelmesseinheit von 2 in ihrem Gehäuse;
und
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5 eine
schematische Darstellung einer an einem Drehantrieb montierten erfindungsgemäßen
Winkelmesseinheit.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Winkelmesseinheit
für Schwenk- und Drehantriebe und insbesondere für
große Drehantriebe zur langsamen Drehung schwerer Lasten
mit einer ersten Antriebswelle und einer ersten Abtriebswelle mit
einem vorbestimmten ersten Übertragungsverhältnis,
wobei die Winkelmesseinheit eine zweite Antriebswelle und eine zweite
Abtriebswelle mit einem vorbestimmten zweiten Übertragungsverhältnis
umfasst, und wobei die zweite Antriebswelle und die zweite Abtriebswelle
sehr viel kleiner ausgebildet sind als die erste Antriebswelle und
die erste Abtriebswelle.
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Hierbei
ist insbesondere die zweite Antriebswelle zur axialen Kopplung mit
der ersten Antriebswelle ausgebildet, so dass sie eine direkte Verlängerung
der ersten Antriebswelle darstellt und die Drehung der ersten Antriebswelle
auf die zweite Abtriebswelle überträgt, die vorteilhaft
eine Messachse antreibt, an der erfindungsgemäß ein
Absolutwinkelsensor angeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass
er den Drehwinkel der Drehung der Messachse absolut bestimmt, wobei
das erste vorbestimmte Übertragungsverhältnis
in bekannter Relation zu dem zweiten vorbestimmten Übertragungsverhältnis steht.
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Mit
der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Winkelmesseinheit wird der Drehantrieb mit der ersten Antriebswelle
und der ersten Abtriebswelle vorteilhaft verkleinert nachgebildet,
und die erfindungsgemäße Winkelmesseinheit derart
mit dem Drehantrieb gekoppelt, dass es möglich ist an der
zweiten Abtriebswelle, die mit der ersten Abtriebswelle korrespondiert,
eine Absolutwinkelmessung vorzusehen. Hierdurch ist es vorteilhaft
möglich, dass nach einmaliger Montage und Justage der Winkelmesseinheit
keine erneute Justage auch nach Stromausfall, etc. nötig
ist, was zeit- und kostensparend ist.
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Für
eine besonders einfache Kalibrierung einer erfindungsgemäßen
Winkelmesseinheit ist es vorteilhaft die Relation der Geometrie
der zweiten Antriebswelle und der zweiten Abtriebswelle zu der ersten
Antriebswelle und der ersten Abtriebswelle geeignet auszuwählen
und außerdem das erste und das zweite vorbestimmte Übertragungsverhältnis derart
auszuwählen, dass die Drehung der ersten Abtriebswelle
in einem festen Verhältnis z. B. eins zu eins auf die zweite
Abtriebswelle übertragen wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der vorliegenden
Erfindung ist der Absolutwinkelsensor an einem ersten Ende der Messachse
angeordnet, und an einem zweiten Ende der Messachse ist wenigstens
eine Nocke angeordnet die mit wenigstens einem elektrischen Schalter
zusammenwirkt, so dass ein Endschalter und/oder Referenzschalter
bereitgestellt ist.
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Die
Vorsehung von Endschaltern und/oder Referenzschaltern an der erfindungsgemäßen
Winkelmesseinheit gestattet es vorteilhaft auf die korrespondierenden
Endschalter und/oder Referenzschalter an der ersten Abtriebseinheit
zu verzichten. Hierdurch wird die Montage der Endschalter und/oder Referenzschalter
erheblich vereinfacht, wobei die Winkelmesseinheit zusammen mit
den Schaltern vormontiert als ein Bauteil bereitgestellt werden
kann, und wobei die Schalter wie auch der Absolutwinkelsensor außerdem
vorteilhaft durch ein Gehäuse der Winkelmesseinheit geschützt
sind.
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Hierbei
können die zweite Antriebswelle und die Messachse geeigneter
Weise von einer Halterung gehalten werden, die derart ausgebildet
ist, dass die zweite Abtriebswelle innerhalb der Halterung läuft
während der Absolutwinkelsensor, die Nocken und elektrischen
Schalter jeweils außerhalb der Halterung angeordnet sind,
und die Winkelmesseinheit in einem abgesichert ausgebildeten Gehäuse angeordnet
ist.
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Durch
die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Winkelmesseinheit
in einem abgesicherten kompakt ausgebildeten Gehäuse kann
sie außerdem auf einfache Weise montiert und ausgetauscht
werden.
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Ein
für eine erfindungsgemäße Winkelmesseinheit
geeigneter Absolutwinkelsensor kann beispielsweise ein Potentiometer-
oder optischer Sensor sein und insbesondere vorteilhaft ein Halleffekt-Absolutwert-Sensor
sein.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der vorliegenden
Erfindung ist die zweite Antriebswelle der Winkelmesseinheit als
Schneckenwellenachse ausgebildet und die zweite Abtriebswelle der
Winkelmesseinheit als Schneckenrad ausgebildet, so dass ein Schneckengetriebe
bereitgestellt ist, das besonders vorteilhaft mit einem als Schneckengetriebe
ausgebildeten Drehantrieb mit der ersten Antriebswelle und der zweiten
Antriebswelle zusammenwirkt, da dies eine einfache Konstruktion, Justage
und Montage ermöglicht. Es ist klar, dass eine erfindungsgemäße
Winkelmesseinheit jedoch auch für andere Schwenk- und Drehantriebe,
wie beispielsweise ein Kegelradgetriebe geeignet ist.
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Eine
erfindungsgemäße Winkelmesseinheit ist besonders
vorteilhaft für Schwenk- und Drehantriebe für
eine Sonnennachführung einer Solaranlage, insbesondere
nachdem die erfindungsgemäße Winkelmesseinheit
eine hochpräzise Winkelpositionierung insbesondere nach
etwaigen auftretenden Störgrößen gestattet.
Hierbei wird wie Eingangs beschrieben wie beim Stand der Technik
ebenfalls ein Soll-/Ist-Vergleich mit von einer Steuerung vorgegebenen
Größen durchgeführt.
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Es
ist klar, dass eine erfindungsgemäße Winkelmesseinheit
jedoch auch für andere Anwendungen, wie zum Beispiel Drehbühnen,
Krananlagen, etc. angewendet werden kann.
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Eine
erfindungsgemäße Winkelmesseinheit kann insbesondere
vorteilhaft eine absolute Winkelbestimmung der Drehstellung durchführen
wobei der Durchlass der ersten Abtriebswelle des Drehantriebs vorteilhaft
frei gehalten ist.
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Mittels
einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Winkelmesseinheit können außerdem vorteilhaft
nach der Montage Montagetoleranzen durch die Absolutmessung korrigiert
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Winkelmesseinheit kann außerdem
vorteilhaft in Kombination mit einem bereits vorhandenen Inkrementalwinkelgeber
eingesetzt werden, wobei eine elektronische Kalibrierungsmöglichkeit
bereitgestellt ist.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wird nachfolgend anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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2a zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung einer Winkelmesseinheit 2 nach
einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung und 2b zeigt
die Winkelmesseinheit von 2a aus
einer anderen Perspektive.
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Die
Winkelmesseinheit 2 von 2a und
b umfasst eine Antriebswelle 21 mit einer Schnecke 211,
die mit einem Schneckenrad einer Abtriebswelle 22 zusammenwirkt.
Die Antriebswelle 21 ist als Schneckenwellenachse ausgebildet
an deren einem Ende die Schnecke 211 angeordnet ist und
an deren anderem Ende ein Mittel zur Befestigung der Antriebswelle 21 an
einer Antriebswelle 1 Drehantriebs 1 angeordnet
ist, das beispielhaft als Schlitz 212 in der Antriebswelle 21 ausgebildet
sein kann. Bei dieser Ausführung der vorliegenden Erfindung
ist somit die Antriebswelle 21 als Schneckenwellenachse
ausgebildet, die mit dem Schneckenrad der Abtriebswelle 22 zusammenwirkt,
so dass ein Schneckengetriebe bereitgestellt ist.
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Die
Abtriebswelle 22 der beschriebenen Ausführung
der vorliegenden Erfindung treibt eine Messachse 22' an,
auf derem einen Ende ein Absolutwinkelsensor 23 und auf
derem anderen Ende wenigstens eine Nocke 25 angeordnet
ist, die mit wenigstens einem elektrischen Schalter 26 zusammenwirkt.
Durch die vorstehend beschriebene vorteilhafte Anordnung ergibt
sich eine besonders kompakte Anordnung von Absolutwinkelsensor 23 und
Endschaltern bzw. Referenzschaltern mittels den Nocken 25 und
den elektrischen Schaltern 26.
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3 zeigt
die Winkelmesseinheit 2 von 2 erneut
aus einer anderen Perspektive zusammen mit einer Halterung 24,
innerhalb der die Schnecke 211 und das Schneckenrad angeordnet
sind, wobei außerhalb der Halterung 24 der Absolutwinkelsensor 23 und
die Nocken 25 und die elektrischen Schalter 26 angeordnet
sind. Mit dieser vorteilhaften Anordnung wird eine besonders kompakte
Bauform und eine vorteilhafte räumliche Trennung der Antriebs-
und Abtriebswelle 21 und 22 von den Messelementen
und Schaltelementen 23 und 25, 26 bereitgestellt.
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4a und
b zeigt die Winkelmesseinheit 2 von 2 und 3 in
einem vorteilhaften kompakten und dichten Gehäuse, das
mittels einem Gehäuseboden 28' und einer Gehäuseabdeckung 28 bereitgestellt
ist, wobei in dem Gehäuse geeigneterweise außerdem
eine Klemmleiste 27 für elektrische Anschlüsse
angeordnet ist, und wobei das Gehäuse außerdem
geeignete Öffnungen 29 zur Kabeldurchführung
umfasst.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer an einer Antriebswelle 11 eines
Drehantriebs 1 montierten erfindungsgemäßen
Winkelmesseinheit 2, wobei gleiche Referenzzeichen wie
bei den vorstehend beschriebenen Zeichnungen verwendet sind und
der Einfachheit halber auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet
wird und stattdessen auf das vorstehend Gesagte verwiesen wird.
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- 1
- Schwenk/Drehantrieb
- 10
- Solarfläche
- 11
- Antriebswelle
- 12
- Abtriebswelle
- 13
- Motor
- 13'
- Zwischengetriebe
- 14
- Inkrementalgeber
- 15
- Endschalter
- 16
- Steuerung
- 2
- Winkelmesseinheit
- 21
- Antriebswelle
- 211
- Schnecke
- 212
- Mittel
zur Befestigung
- 22
- Abtriebswelle
- 22'
- Messachse
- 23
- Absolutwinkelsensor
- 24
- Halterung
- 25
- Nocke
- 26
- Elektrischer
Schalter
- 27
- Klemmleiste
- 28
- Gehäuseabdeckung
- 28'
- Gehäuseboden
- 29
- Öffnungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005042478
A1 [0009]