EP4281231B1 - Haspel zum aufwickeln oder abwickeln von bandförmigen material und verfahren - Google Patents

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EP4281231B1
EP4281231B1 EP21839037.5A EP21839037A EP4281231B1 EP 4281231 B1 EP4281231 B1 EP 4281231B1 EP 21839037 A EP21839037 A EP 21839037A EP 4281231 B1 EP4281231 B1 EP 4281231B1
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EP
European Patent Office
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reel
rotor
electric motor
coil
shaft
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EP21839037.5A
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English (en)
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EP4281231A2 (de
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André BARTEN
Christian Schneider
Felix MENN
Harald Schlag
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Achenbach Buschhetten GmbH and Co KG
Original Assignee
Achenbach Buschhetten GmbH and Co KG
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Publication date
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    • B65H2701/173—Metal

Definitions

  • the invention relates to a reel for winding or unwinding strip-shaped material, in particular metal strip or the like, and to a method for tensioning a coil
  • the reel comprises a frame, at least one reel head for arranging a coil for winding or unwinding material, a drive arrangement with at least one electric motor and a shaft connecting the electric motor to the reel head, wherein the electric motor is designed with a stator and with a rotor and is arranged on the frame, wherein the shaft connects the rotor directly to the reel head, wherein the rotor is mounted on the stator so as to be axially displaceable relative to the stator.
  • Reels of the type mentioned above are used, for example, in strip production in a rolling process, where the strip is regularly unwound from a first reel in a one-way or reversing operation with a defined strip tension, moved through a roll gap of a rolling device and wound onto another reel with a defined strip tension. Furthermore, in a subsequent rolling pass, after repeated passage through The strip is wound onto the reel by the rolling device once the desired rolled strip thickness has been reached.
  • the strip-shaped material is arranged in the form of a so-called coil on a reel or on a cardboard tube, or as a raw bundle, which is picked up by a reel mandrel or reel head.
  • the coil can be clamped onto the reel head, which can be designed as an expanding head or conical head, or reel heads can be provided on either side of the reel, which hold the coil between them.
  • the reel head(s) are each arranged on a shaft, which is mounted on a reel stand.
  • the shaft is connected to an electric motor via a gearbox.
  • electric motors can also be coupled to the gearbox in order to achieve different power levels.
  • the shaft can be mounted on the reel stand so that it can be moved along a longitudinal axis of the shaft, so that the coil can be accommodated between two reel heads.
  • the electric motor, the gearbox, possibly a coupling, and a frame on which these components are mounted thus form a reel.
  • Such a reel is known, for example, from the EP 2 896 465 B1 known.
  • the strip material is wound up with a defined strip tension or a tensile force generated in the strip by the reel.
  • This tensile force is adjusted by a control device on the reel, in particular by controlling the electric motor.
  • the torque of the electric motor is calculated, from which the torque of the reel head or spool can then be determined.
  • the torque can be determined, for example, from the power consumption of the electric motor and its current speed.
  • a gearbox, a clutch and possibly an intermediate shaft are installed between the electric motor and the reel head, the torque arriving at the reel head can be reduced, for example due to the efficiency of the gearbox.
  • a disadvantage of conventional reels is that, due to their design, they require a comparatively large amount of space in a production facility. Furthermore, each reel is always manufactured for a specific application and is therefore individually manufactured. The electric motor, gearbox, coupling, and reel block with reel head are always coordinated with each other, so that, for example, increasing the reel's performance with a more powerful electric motor usually requires a reinforcement of the drive train, making it hardly economically feasible.
  • the EP 3 731 384 A1 (which forms the basis of the preamble of claim 1) shows an electric motor used to drive a reel head.
  • the electric motor is directly connected to the reel head via a shaft, and a rotor of the electric motor can be axially displaced somewhat relative to a stator by means of a so-called actuator.
  • the electric motor is an asynchronous motor.
  • the US 6 293 132 B1 also discloses an electric motor with a reel head, wherein the electric motor is directly connected to the reel head via a common shaft.
  • the invention is based on the object of proposing a reel and a method for tensioning a coil which enables manufacture and operation to be particularly cost-effective.
  • the reel according to the invention for winding or unwinding strip-shaped material, in particular metal strip or the like comprises a frame, at least one reel head for arrangement on a reel for winding material, a drive arrangement with at least one electric motor, and a drive unit connecting the electric motor to the reel head connecting shaft, wherein the electric motor is formed with a stator and with a rotor and is arranged on the frame, wherein the electric motor is a torque motor or synchronous motor, wherein the shaft connects the rotor directly to the reel head, wherein the rotor is mounted on the stator so as to be axially displaceable relative to the stator, wherein the stator is formed from a winding package with a plurality of windings and surrounds the rotor, wherein the rotor is formed from a ring package with a plurality of rings, each with magnets on a circumference of the respective ring, wherein the rings are connected to one another, wherein, with respect to a longitudinal axis of the shaft, a
  • the electric motor is a torque motor or a synchronous motor, it is possible to connect the reel head directly to the rotor via the shaft. Since the electric motor can generate a comparatively high torque, it is no longer necessary to provide a gearbox that is interposed between the electric motor and the reel stand. Furthermore, a coupling, the necessary motor bearings and the reel stand itself can be omitted.
  • the frame or the foundation required for the frame at a production facility can thus be significantly reduced in size. In particular, the installation space for the reel and the size of the frame are then determined solely by the dimensions of the electric motor integrated into the reel stand and the reel head. Because a large part of the installation space originally required and thus the foundation can be saved, the reel can be manufactured particularly cost-effectively and operated energy-efficiently.
  • the rotor is mounted on the stator so that it can be axially displaced relative to the stator.
  • the axial displaceability of the rotor relative to The stator can be realized by mounting the rotor axially displaceably on the stator.
  • the electric motor can thus be used like a conventional reel stand. A coil can then be clamped particularly easily between two reel heads, or a reel head can be adjusted to a coil's length or position relative to the longitudinal axis of a shaft.
  • the rotor is formed from a ring stack, which in turn is composed of a plurality of rings. Magnets are arranged on the rings, either on a circumference of the respective ring or in insertion pockets directly beneath the circumference of the ring. The size of the magnets is limited to the dimensions of the respective ring, meaning the magnets are not arranged across rings.
  • the rings can themselves be composed of discs or metal sheets.
  • the rings are connected to one another directly or indirectly.
  • the rings can be screwed together, i.e., detachably connected.
  • the rings can also be attached directly to the shaft or arranged on a rotor carrier arranged between the shaft and an inner diameter of the rings.
  • the stator can surround the rotor; in principle, the rotor can also surround the stator.
  • Using multiple rings to form the rotor makes it possible to design the electric motor in a modular manner.
  • the number of rings can always be selected so that an electric motor with a desired power output is created without having to modify the stator. It is therefore possible to produce electric motors with different power outputs using one stator.
  • the production of individually designed reels can thus be standardized and therefore particularly cost-effective.
  • the drive arrangement can be gearless, making the reel even more cost-effective to manufacture.
  • a gear oil system is also dispensed with.
  • the reel's efficiency can be improved, as there are no friction losses caused by a gearbox.
  • the reel's noise emissions are significantly reduced.
  • the reel's maintenance effort is also lower, as it has fewer components.
  • the stator is formed from a winding stack with a plurality of windings and surrounds the rotor.
  • the rotor is formed from a ring stack with a plurality of rings, each with magnets on a circumference of the respective ring, the rings being connected to one another.
  • the stator can be formed from a stack of ring-shaped metal sheets in which the windings are arranged in an integrated manner.
  • the ring-shaped sheets can be surrounded by a frame that secures them. Furthermore, the frame can be formed with channels or lines through which a cooling medium flows. If the length of the ring stack is smaller than the length of the winding stack, it is possible to easily increase the performance of the electric motor by adding a ring to the ring stack.
  • the length of the winding package can always be the same for all electric motors used to form a reel, whereby the power required for each reel can be individually adapted by selecting the length of the ring package. It is advantageous to standardize the length of the stator or its winding package. If the length of the rotor package and the length of the winding package are essentially the same, no more rings can be added to the electric motor.
  • the possibility of axially shifting the rotor arises from the fact that the length of the winding package is greater than the Length of the ring pack.
  • the displacement range resulting from the difference in length allows the rotor to be displaced within this displacement range without such a displacement resulting in a change in the electric motor's power. This can be ensured, in particular, by ensuring that the ring pack is always covered by the winding pack during operation within the displacement range.
  • the drive arrangement can comprise two electric motors, wherein the electric motors can each have a frame and a reel head, wherein a coil can be arranged between the reel heads, wherein the respective winding packages of the electric motors can have a matching length L W. Consequently, an electric motor can be arranged on either side of the coil. If the respective winding packages of the electric motors have a matching length, the respective stator of the electric motors is essentially identical. The electric motors can then be essentially identical or have different rotors. Because the winding packages do not have to be designed differently to form electric motors of different power, the electric motors can be manufactured and maintained more easily. Costs can also be saved by producing identical stators in large quantities.
  • Each of the electric motors can be arranged or fastened on a specially provided frame, wherein the electric motors can also be arranged on a common frame.
  • the coil, then arranged between the electric motors or the respective reel heads, can be moved on a carriage, for example, guided on rails, transversely to a longitudinal axis of the two shafts of the electric motors.
  • a conveyor track designed for this carriage can be arranged on a specially designed foundation.
  • the power of the electric motors can be different or the same.
  • the electric motors can be operated synchronously when winding strip material. Furthermore, it can be provided to operate only one of the two electric motors if lower power is required. If the electric motors are torque motors or synchronous motors, the drive power of each electric motor can be electrically switched between two inverters as needed, allowing two or more power levels to be created for each electric motor. Depending on the total power required by the reel, the individual power outputs of the electric motors can be configured accordingly and can therefore be the same or different.
  • the length L R of the respective ring packs of the electric motors can vary.
  • the length of the ring pack determines the mass of magnets on the circumference of the respective ring pack, and thus the power of the respective electric motor.
  • the design of electric motors with different power outputs can then be easily achieved by varying the length of the respective ring pack.
  • the rings can have different or identical widths. Since a ring pack is made up of a plurality of rings, it is possible to influence the length of the ring pack. This can be achieved by using a specific number of rings to achieve the desired length, and thus the power of the electric motor.
  • the rings used can have the same width or different widths. If a selection of rings with different widths is available, it is possible to provide a larger number of possible ring pack lengths when designing an electric motor. A large possible Variation of the length of the ring package already occurs when the ring package can be composed of a number of rings with two or three different widths.
  • the drive arrangement can comprise a tensioning device with an actuator, wherein the rotor can be axially displaceable relative to the stator by means of the actuator.
  • the actuator can be, for example, a hydraulically or pneumatically driven piston or a linear motor.
  • the actuator can be coupled to the shaft of the electric motor in such a way that a movement of the actuator causes the shaft to be displaced along the longitudinal axis. Because the rotor can then be displaced relative to the stator by means of the actuator, the reel head can also be displaced along the longitudinal axis. It is then possible to arrange a coil between reel heads and to tension the coil at the reel heads or to move the reel heads into the coil and/or to create a tensioning force between the reel heads and the coil.
  • the rotor can be arranged on the shaft and mounted on a stator housing with radial bearings and at least one axial bearing, wherein, relative to a longitudinal axis of the shaft, a longitudinal guide can be formed between the bearings and the housing on both sides of the rotor.
  • the bearings can be plain bearings and/or preferably roller bearings.
  • the roller bearings can be, for example, deep groove ball bearings, so that the bearings can absorb axial and radial forces.
  • the radial bearing and the axial bearing can be formed by a single bearing.
  • the longitudinal guide can, for example, be formed by a sleeve that is movable in the direction of the longitudinal axis in a bushing. However, other types of longitudinal guides can also be used.
  • the sleeve can be part of the stator housing, and the rotor is then rotatably mounted on the sleeve with the radial bearings or the axial bearing.
  • a bearing of the shaft on the housing can be provided on both sides of the rotor. This then makes it possible for the rotor to be rotatable relative to the stator and simultaneously along the longitudinal axis of the shaft, together with the shaft.
  • Such a longitudinal guide is particularly easy to design.
  • the actuator can then also be connected to the bushing. Furthermore, it can be provided that the bushing is displaceable within the sleeve only in an axial direction. In principle, in addition to a circular sleeve or bushing, any cross-sectional shape can be used to design such a longitudinal guide.
  • the drive arrangement can comprise a further actuator, by means of which the electric motor can be axially displaced relative to the frame, with respect to a longitudinal axis of the shaft, on a further longitudinal guide formed on the frame.
  • the further actuator can be designed like the actuator and arranged on a housing of the stator or on the frame.
  • the further actuator can then be coupled to the housing or the frame, for example, with a piston, so that a movement of the piston causes a relative movement of the frame and housing.
  • a further linear guide can also be formed between the housing and the frame, which enables a longitudinal displacement of the electric motor.
  • each of these electric motors can be designed to be longitudinally displaceable in this way. In particular, a displacement range of the electric motor can be significantly expanded in this way, so that coils of very different lengths can be accommodated on the reel.
  • the electric motor can be designed with a housing that can be attached to the frame, wherein at least one force transducer of a sensor device of a control device of the reel can be arranged between the housing and the frame.
  • the control device can therefore be used to control and regulate the reel and in particular the strip tension of the reel, which is formed by a strip tensile force within a strip that is wound onto the spool by the reel.
  • the electric motor together with the rotor, creates a torque that is transmitted via the shaft to the reel head and thus the spool is transmitted.
  • the diameter of the spool can vary greatly, so that the strip tension is always dependent on this diameter.
  • a control device of the control unit can be designed in such a way that the relevant diameter is taken into account when controlling the strip tension.
  • the torque of the shaft can therefore also be controlled using the control device. This is then usually achieved by controlling the electric motor connected to the shaft. Since the electric motor is directly connected to the reel head via the shaft, without a gearbox, clutch, or the like being interposed in a drive train, it is possible to measure the torque that effectively acts on the reel head or spool at the electric motor, since the direct power transmission ensures a very precise measurement of the torque.
  • the direct power transmission enables torque measurement using the force transducer that is located between the housing of the electric motor and the frame on which the electric motor is mounted.
  • the torque applied by the electric motor to the shaft imparts a force to the force transducer that can be measured.
  • the sensor device or control device can then determine the shaft torque from the measured values. Only the direct connection between the electric motor and the reel head via the shaft enables this type of torque measurement and thus particularly precise control of the strip tension.
  • the force transducer can be designed to detect a compressive force and/or tensile force or a torque.
  • the force transducer can be a sensor, in particular a force sensor, a load cell, or a load cell with which a force acting on the sensor can be measured.
  • Force measurement can be performed using a spring body, piezoelectrically, electromagnetically, electrodynamically, or electroresistively. It may be provided that electroresistive sensors, in particular strain gauges, are not used, since these can be influenced by a magnetic field of the electric motor.
  • the force transducer can be arranged at a radial distance relative to a longitudinal axis of the shaft.
  • the radial distance of the force transducer relative to the shaft can be used to easily calculate a torque from a force measured with the force transducer.
  • the force transducer can be designed to measure a compressive force and/or a tensile force. Depending on the direction of rotation of the shaft relative to the direction of the belt tensile force, the force transducer can be subjected to a compressive force or a tensile force. It is particularly advantageous if the force transducer can measure both a compressive force and a tensile force.
  • the housing can be fixed to the frame at attachment points, with a force transducer being arranged at at least one attachment point.
  • the attachment point can be formed, for example, by a screw connection between the housing and the frame. In principle, however, the attachment point can also be a support point of the housing on the frame.
  • force transducers are installed at all mounting points. This makes it possible to measure all forces acting between the housing and the frame and thus determine the shaft torque with great precision. In principle, however, this is not necessary, since a torque can already be determined with a single force transducer if the distribution of the forces acting at the mounting points is known.
  • the force transducer can be arranged on a connecting flange of the housing and/or the frame.
  • the housing and the frame each form a connecting flange, whereby the connecting flanges then lie against one another and can be firmly connected to one another via a screw connection.
  • the force transducer can then be arranged between these connecting flanges.
  • a preload from a screw connection can already act on the force transducer.
  • the sensor device can be calibrated in such a way that this preload is disregarded and does not falsify a measurement result from the force transducer.
  • the force transducer on the connecting flanges in such a way that the force transducer is not positioned between the connecting flanges, but spans the connecting flanges.
  • the force transducer can then be firmly fixed to both connecting flanges so that forces acting between the connecting flanges are also transmitted to the force transducer.
  • the drive arrangement can have two reel heads, whereby the reel heads can each be designed with an expanding head or a cone for receiving the coil.
  • the drive arrangement if it only has an electric motor, to be designed with a single expanding head.
  • the expanding head can be designed such that it can be inserted into an opening at one end of a coil. Segments of the expanding head can then be clamped against an internal tension of the coil so that the coil is firmly fixed to the expanding head and centered.
  • the movement of the segments can be effected, for example, hydraulically or by means of a pull rod.
  • the cone can be designed such that it rests on one end of the coil so that the coil is clamped between two reel heads that can be moved against each other. Here, too, the coil is centered relative to the reel head.
  • the expansion head can have an expansion segment arrangement comprising expansion segments designed for radial tensioning of the coil. At least one hydraulic line or a pull rod for actuating the expansion segments can be arranged within the shaft.
  • the shaft can therefore be designed as a hollow shaft or a solid shaft. In principle, it is also possible to connect the expansion head directly, i.e., to a hydraulic or mechanical actuator on the expansion head itself, so that the shaft is unaffected.
  • a modular system for forming a reel according to the invention comprises a stator formed from a winding package with a plurality of windings or winding heads and a plurality of rings, each with magnets on a circumference of the respective ring or in insertion pockets directly below the circumference of the ring, which rings serve to form a ring package of a rotor, wherein the rings are selected from a first set of rings with a first width and a second set of rings with a second width, which can differ from the first width.
  • the modular system enables the formation of ring packages with different lengths L R , so that electric motors with different power outputs can be assembled from these ring packages or the modular systems. By having different sets of rings available for selection, a high level of variability can be achieved while at the same time significantly reducing costs. The production of rotors or electric motors can thus be standardized to a high degree and is therefore particularly cost-effective.
  • a rotor on at least one electric motor of a drive arrangement of the reel is axially displaced relative to a stator of the electric motor by means of a tensioning device of the drive arrangement, such that The coil arranged between the reel heads of the drive assembly is tensioned or released, wherein the electric motor is a torque motor or synchronous motor.
  • the axial displacement can be used for strip centering and/or strip centering before or during rolling operations.
  • Strip centering is used to unwind the strip from a coil that is not wound with a straight edge during rolling and to guide it centrally through a roll gap, so that it is then wound with a straight edge onto a spool.
  • Strip centering is used to center a coil that is not wound with a straight edge in a rolling line before rolling, so that the wound strip is guided centrally through the roll gap.
  • the position of the strip can be determined using sensors. Data from the sensors can be used for control and thus for axial displacement.
  • the Fig. 1 shows a reel 10 for winding strip-shaped material 11 or a metal strip onto a spool 12.
  • the reel 10 here comprises two essentially identically designed frames 13, two identically designed reel heads 14 for arranging the spool 12, and a drive arrangement 15, which in turn comprises two identically designed electric motors 16 or torque motors.
  • Each of the electric motors 16 is formed from a stator 17 and a rotor 18, wherein the stator 17 surrounds the rotor 18 and the rotor 18 is rotatably mounted within the stator 17.
  • the rotor 18 is arranged in a rotationally fixed manner by means of a rotor carrier 19 directly on a shaft 20 of the electric motor 16, wherein the shaft 20 is in turn directly connected to the reel head 14.
  • the rotor 18 is further formed from a ring stack 21 comprising a plurality of rings (not shown in detail here), each with magnets on a circumference 22 of the respective ring. These rings are detachably connected to one another.
  • the stator 17 is formed from a winding stack 23 with a plurality of windings (not shown in detail here), which are surrounded by a frame (not shown in detail here). Cooling channels 24 are formed within this frame, through which a cooling medium (not shown here) flows and serve to cool the winding stack 23. Passive cooling or surface cooling of the frame is also possible.
  • the electric motor 16 is further formed with a housing 25, which surrounds the rotor 18 and the stator 17.
  • the housing 25 is firmly connected or screwed to the frame 13 at fastening points 26.
  • the frame 13 is in turn firmly connected to a foundation 28 at fastening points 27.
  • the housing 25 is provided with a A longitudinal guide 29 is formed, which allows an axial displacement of the rotor 18 relative to the stator along a longitudinal axis 30 of the shaft 20.
  • the longitudinal guide 29 is formed from sleeves 31 and 32, which are arranged on either side of the rotor 18, and bushings 33 and 34, respectively, surrounding the sleeves 31 and 32.
  • the shaft 20 is radially and axially mounted within the sleeves 31 and 32 by means of rolling bearings 35.
  • a displacement of the rotor 18 relative to the stator is possible within a displacement range V, wherein the displacement range V results from a difference between a length L R of the ring pack 21 and a length L W of the winding pack 23.
  • a possible displacement takes place by means of an actuator 36, which here is formed by a hydraulic cylinder 37 and is coupled to the bushing 33 via a strut 38. Due to the possibility of moving the rotor 18 or the shaft 20 with the reel head 14, a tensioning device 39 for tensioning the coil 12 between the reel heads 14 is formed.
  • the direct drive of the coil 12 by the electric motors 16 makes it possible to significantly reduce the number of rotating parts of the reel 10 and to dispense with additional drive shafts, couplings, or the like.
  • a mechanical brake as a service brake on the reel can also be dispensed with, since the electric motors 16 can be braked via a short circuit of the windings via a resistor in the event of a power failure or a converter malfunction.
  • a standstill brake can be omitted, since the rotor can be held in position by short circuiting the windings when the rotor is stationary.
  • the drive assembly 15 comprises a further actuator 40, which is arranged on the frame 13 and is formed by a further hydraulic cylinder 41.
  • the housing 25 is mounted on a further longitudinal guide 42, which is formed on the frame 13, and is also axially displaceable in the longitudinal direction of the longitudinal axis by means of the further actuator 40.
  • the reel heads 14 are each designed as an expansion head 43, which has expansion segments (not shown here) that can be actuated via a hydraulic line (also not shown).
  • the expansion segments can exert a clamping force on an inner side 44 of the coil 12, so that the coil 12 is centered on the respective expansion heads 43 and clamped in a rotationally fixed manner.
  • the coil 12 with the material 11 can be transported to the reel 10 by means of a carriage 45, which is movable on rails 46 transversely to the longitudinal axis 30.
  • force transducers 47 are arranged on the housing 25 or the fastening points 26 between the housing 25 and the frame 13.
  • the force transducers 47 are a component of a control device not shown in detail here.
  • the control device serves to regulate a strip tension or a strip tensile force of the reel 10 or a power and thus a torque of the electric motors 16.
  • the control device comprises a control device for regulating the strip tensile force or the electric motors 16 and a sensor device, which in turn comprises the force transducers 47. Because the force transducers 47 are arranged between the frame 13 and the housing 25, it is possible to determine the forces acting between the frame 13 and the housing 25.
  • the electric motors 16 are each directly connected to the reel 12 via the shaft 20 and the reel head 14, a torque of the respective electric motor 16 can be determined directly and thus particularly accurately via the force transducers 47 or the sensor device, which enables improved control of the strip tensile force.
  • the Fig. 2 shows a reel 48, in which, in contrast to the reel from the Fig. 1 a frame 49 is designed without any further longitudinal guide. Tensioning of a coil 50 is already possible here by the tensioning device 39.
  • the Fig. 3 shows a reel 51, in which, in contrast to the reel from the Fig. 2 Reel heads 52 are provided, which form a cone 53 for receiving a coil 54.
  • the coil 54 is formed with an inner cone 56 at its respective ends 55.
  • the coil 54 can be held centered and non-rotatably on the reel 48 by clamping it between the reel heads 52.
  • the Fig. 4 shows a reel 57, in contrast to the reel from the Fig. 1 a frame 13 and an electric motor 16 are provided. Instead of an additional electric motor, a counterbearing 58 is provided here.
  • a spreading drum 59 for receiving a coil 60 or raw coil is attached to the shaft 20 of the electric motor 16. In the case of a raw coil, the material 11 is placed directly on the spreading drum 59 without the coil 60.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material insbesondere Metallband oder dergleichen, und ein Verfahren zum Spannen einer Spule, wobei die Haspel ein Gestell, zumindest einen Haspelkopf zur Anordnung einer Spule zum Aufwickeln oder Abwickeln von Material, eine Antriebsanordnung mit zumindest einem Elektromotor und eine den Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle umfasst, wobei der Elektromotor mit einem Stator und mit einem Rotor ausgebildet und an dem Gestell angeordnet ist, wobei die Welle den Rotor direkt mit dem Haspelkopf verbindet, wobei der Rotor relativ zu dem Stator axial verschiebbar an dem Stator gelagert ist.
  • Haspeln der eingangs genannten Art werden beispielsweise bei der Bandherstellung in einem Walzverfahren eingesetzt, wo regelmäßig in einem Einweg- oder Reversierbetrieb das Band mit einem definierten Bandzug von einer ersten Haspel abgewickelt, durch einen Walzspalt einer Walzeneinrichtung hindurch bewegt und auf einer weiteren Haspel mit definiertem Bandzug aufgewickelt wird. Weiter kann anschließend in einem nachfolgenden Walzgang nach mehrfach wiederholtem Durchlauf durch die Walzeneinrichtung das Band auf der Haspel aufgewickelt werden, wenn die gewünschte Walzbandstärke erreicht ist. Das bandförmige Material wird in Form eines sogenannten Coils auf einer Spule oder auf einer Papphülse oder als ein Rohbund ausgebildet sein kann, angeordnet, welche von einem Haspeldorn bzw. Haspelkopf aufgenommen wird. Die Spule kann auf dem Haspelkopf aufgespannt, der als Spreizkopf oder Konenkopf ausgebildet sein kann, sein oder es können beiderseits der Spule Haspelköpfe vorgesehen sein, die die Spule zwischen sich aufnehmen.
  • Der bzw. die Haspelköpfe sind jeweils an einer Welle angeordnet, welche an einem Haspelbock gelagert ist. Die Welle ist über ein Getriebe mit einem Elektromotor verbunden. Es können auch mehrere Elektromotoren an das Getriebe gekoppelt sein, um unterschiedliche Leistungsabstufungen zu erzielen. Die Welle kann an dem Haspelbock entlang einer Längsachse der Welle verschiebbar gelagert sein, sodass die Spule zwischen zwei Haspelköpfen aufgenommen werden kann. Der Elektromotor, das Getriebe, gegebenenfalls eine Kupplung, und ein Gestell, auf dem diese Komponenten befestigt sind, bilden so eine Haspel aus. Eine derartige Haspel ist beispielsweise aus der EP 2 896 465 B1 bekannt.
  • Bei den bekannten Haspeln wird das bandförmige Material mit einem definierten Bandzug bzw. einer im Band durch die Haspel ausgebildeten Zugkraft aufgewickelt. Diese Zugkraft wird durch eine Regeleinrichtung der Haspel eingestellt, insbesondere durch eine Regelung des Elektromotors. Zur Regelung wird ein Drehmoment des Elektromotors berechnet, woraus dann ein Drehmoment des Haspelkopfs bzw. der Spule ermittelt werden kann. Das Drehmoment kann beispielsweise aus einer Leistungsaufnahme des Elektromotors und dessen aktueller Drehzahl bestimmt werden. Da jedoch zwischen Elektromotor und Haspelkopf ein Getriebe, eine Kupplung und gegebenenfalls eine Zwischenwelle zwischengeschaltet ist, kann z. B. durch den Wirkungsgrad des Getriebes, dass an der Haspelkopf ankommende Drehmoment reduziert sein.
  • Nachteilig bei den bekannten Haspeln ist, dass diese aufgrund ihres Aufbaus einen vergleichsweise großen Bauraum in einer Fertigungsstätte in Anspruch nehmen. Weiter wird jede Haspel stets für eine bestimmte Verwendung und damit individuell hergestellt. So sind Elektromotor, Getriebe, Kupplung und Haspelbock mit Haspelkopf stets aufeinander abgestimmt, sodass beispielsweise eine Leistungserhöhung der Haspel durch einen leistungsstärkeren Elektromotor, meist eine Verstärkung des Antriebsstranges erfordert und somit kaum wirtschaftlich realisierbar ist.
  • Die EP 3 731 384 A1 (die dem Oberbegriff von Anspruch 1 zugrunde liegt) zeigt einen Elektromotor, der zum Antrieb eines Haspelkopfes dient. Der Elektromotor ist über eine Welle unmittelbar mit dem Haspelkopf verbunden und ein Rotor des Elektromotors ist relativ zu einem Stator ein Stück weit mittels eines sogenannten Stellglieds axial verschiebbar. Bei dem Elektromotor handelt es sich um einen Asynchronmotor.
  • Die US 6 293 132 B1 offenbart ebenfalls einen Elektromotor mit einem Haspelkopf, wobei der Elektromotor mit dem Haspelkopf direkt über eine gemeinsame Welle verbunden ist.
  • Bei der EP 2 896 465 A1 betrifft einen Haspelkopf.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Haspel und ein Verfahren zum Spannen einer Spule vorzuschlagen, die bzw. das eine Herstellung und einen Betrieb besonders kostengünstig ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Haspel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Haspel zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material, insbesondere Metallband oder dergleichen umfasst ein Gestell, zumindest einen Haspelkopf zur Anordnung an einer Spule zum Aufwickeln von Material, eine Antriebsanordnung mit zumindest einem Elektromotor, und eine den Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle, wobei der Elektromotor mit einem Stator und mit einem Rotor ausgebildet und an dem Gestell angeordnet ist, wobei der Elektromotor ein Torquemotor oder Synchronmotor ist, wobei die Welle den Rotor direkt mit dem Haspelkopf verbindet, wobei der Rotor relativ zu dem Stator axial verschiebbar an dem Stator gelagert ist, wobei der Stator aus einem Wicklungspaket mit einer Mehrzahl von Wicklungen ausgebildet ist, und den Rotor umgibt, wobei der Rotor aus einem Ringpaket mit einer Mehrzahl von Ringen mit jeweils Magneten an einem Umfang des jeweiligen Rings gebildet ist, wobei die Ringe miteinander verbunden sind, wobei bezogen auf eine Längsachse der Welle eine Länge des Ringpakets kleiner als die Länge des Wicklungspakets ausgebildet ist, und ein Verschiebebereich des Rotors einer Differenz der Längen entspricht.
  • Dadurch dass der Elektromotor ein Torquemotor oder ein Synchronmotor ist, wird es möglich den Haspelkopf direkt über die Welle mit dem Rotor zu verbinden. Da mit dem Elektromotor ein vergleichsweise großes Drehmoment ausgebildet werden kann, ist es nicht mehr erforderlich ein Getriebe vorzusehen, welches zwischen einem Elektromotor und einem Haspelbock zwischengeschaltet ist. Weiter kann auch eine Kupplung, erforderliche Motorlager und der Haspelbock selbst entfallen. Das Gestell bzw. ein für das Gestell erforderliches Fundament an einer Produktionsstätte kann so wesentlich verkleinert werden. Insbesondere ein Bauraum der Haspel und eine Größe des Gestells ergeben sich dann alleine aus den Abmessungen des in den Haspelbock integrierten Elektromotors und des Haspelkopfs. Dadurch dass ein Großteil des ursprünglich benötigten Bauraums und damit des Fundaments eingespart werden kann, kann die Haspel besonders kostengünstig hergestellt und energieeffizient betrieben werden.
  • Erfindungsgemäß ist der Rotor relativ zu dem Stator axial verschiebbar an dem Stator gelagert. Die axiale Verschiebbarkeit des Rotors relativ zu dem Stator kann dadurch realisiert werden, dass der Rotor axial verschiebbar an dem Stator gelagert ist. Der Elektromotor wird dadurch, wie ein aus dem Stand der Technik bekannter Haspelbock nutzbar. Eine Spule kann dann besonders einfach zwischen zwei Haspelköpfen aufgespannt bzw. ein Haspelkopf an eine Länge oder Lage einer Spule relativ zu der Längsachse einer Welle angepasst werden.
  • Weiter ist der Rotor aus einem Ringpaket gebildet, welches wiederum aus einer Mehrzahl von Ringen zusammengesetzt ist. An den Ringen sind jeweils Magnete an einem Umfang des jeweiligen Rings oder in Einschubtaschen direkt unter dem Umfang des Rings angeordnet. Eine Größe der Magnete ist dabei auf die Abmessungen des jeweiligen Rings beschränkt, das heißt die Magnete sind nicht über Ringe hinweg, an diesen angeordnet. Die Ringe können ihrerseits aus Scheiben bzw. aus Metallblechen zusammengesetzt sein. Die Ringe sind direkt oder indirekt miteinander verbunden. Beispielsweise können die Ringe miteinander verschraubt, das heißt lösbar miteinander verbunden sein. Weiter können die Ringe auch direkt auf der Welle befestigt oder auf einem zwischen der Welle und einem Innendurchmesser der Ringe angeordneten Rotorträger angeordnet sein. Der Stator kann den Rotor umgeben, wobei prinzipiell der Rotor auch den Stator umgeben kann. Durch die Verwendung von mehreren Ringen zur Ausbildung des Rotors wird es möglich den Elektromotor modular auszubilden. Eine Anzahl von Ringen kann stets so gewählt werden, dass ein Elektromotor mit einer gewünschten Leistung ausgebildet wird, ohne dass der Stator verändert werden müsste. Es ist daher möglich mit einem Stator Elektromotoren mit unterschiedlicher Leistung herzustellen. Eine Produktion von individuell ausgebildeten Haspeln kann so standardisiert und dadurch besonders kostengünstig erfolgen.
  • Die Antriebsanordnung kann getriebelos ausgebildet sein. Dadurch wird die Haspel noch kostengünstiger herstellbar. Insbesondere kann dann auch auf eine Getriebeölanlage verzichtet werden. Weiter kann ein Wirkungsgrad der Haspel verbessert werden, da keine Reibungsverluste durch ein vorhandenes Getriebe anfallen. Darüber hinaus werden die Geräuschemissionen der Haspel signifikant reduziert. Insgesamt ist auch ein Wartungsaufwand der Haspel geringer, da diese weniger Bauteile aufweist.
  • Erfindungsgemäß ist der Stator aus einem Wicklungspaket mit einer Mehrzahl von Wicklungen ausgebildet, und umgibt den Rotor, wobei der Rotor aus einem Ringpaket mit einer Mehrzahl von Ringen mit jeweils Magneten an einem Umfang des jeweiligen Rings gebildet ist, wobei die Ringe miteinander verbunden sind, wobei bezogen auf eine Längsachse der Welle eine Länge LR des Ringpakets kleiner als die Länge LW des Wicklungspakets ausgebildet ist, und ein Verschiebebereich V des Rotors einer Differenz V = LW - LR der Längen entspricht. Folglich kann der Rotor als ein Innenläufer ausgebildet sein. Der Stator kann aus einem Stapel ringförmiger Metallbleche ausgebildet sein, in denen die Wicklungen integriert angeordnet sind. Die ringförmigen Bleche können von einem Rahmen umgeben sein, der diese befestigt. Weiter kann der Rahmen mit Kanälen oder Leitungen ausgebildet sein, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Wenn eine Länge des Ringpakets kleiner ist als eine Länge des Wicklungspakets ist es möglich einfach eine Leistungssteigerung des Elektromotors dadurch zu erzielen, dass dem Ringpaket ein Ring hinzugefügt wird. Die Länge des Wicklungspakets kann für alle Elektromotoren, die zur Ausbildung einer Haspel verwendet werden, stets gleich sein, wobei die für die jeweilige Haspel individuell erforderliche Leistung des Elektromotors dadurch angepasst werden kann, dass die Länge des Ringpakets ausgewählt wird. Es ist vorteilhaft eine Länge des Stators bzw. dessen Wicklungspaket zu standardisieren. Wenn die Länge des Rotorpakets und die Länge des Wicklungspakets im Wesentlichen gleich ist, können dem Elektromotor keine Ringe mehr hinzugefügt werden. Die Möglichkeit den Rotor axial zu verschieben, ergibt sich dann dadurch, dass die Länge des Wicklungspakets größer ist, als die Länge des Ringpakets. Der sich aus der Differenz der Längen ergebende Verschiebebereich ermöglicht eine Verschiebung des Rotors innerhalb dieses Verschiebebereichs, ohne dass sich aus einer derartigen Verschiebung eine Leistungsänderung des Elektromotors ergeben würde. Dies kann insbesondere dadurch sichergestellt werden, dass das Ringpaket innerhalb des Verschiebebereichs stets von dem Wicklungspaket im Betrieb überdeckt ist.
  • Die Antriebsanordnung kann zwei Elektromotoren umfassen, wobei die Elektromotoren jeweils ein Gestell und einen Haspelkopf aufweisen können, wobei zwischen den Haspelköpfen eine Spule angeordnet werden kann, wobei die jeweiligen Wicklungspakete der Elektromotoren eine übereinstimmende Länge LW aufweisen können. Folglich kann beiderseits der Spule ein Elektromotor angeordnet sein. Wenn die jeweiligen Wicklungspakete der Elektromotoren eine übereinstimmende Länge aufweisen, ist der jeweilige Stator der Elektromotoren im Wesentlich übereinstimmend ausgebildet. Die Elektromotoren können dann im Wesentlichen übereinstimmend oder mit unterschiedlichen Rotoren ausgebildet sein. Dadurch, dass die Wicklungspakete nicht zur Ausbildung von Elektromotoren unterschiedlicher Leistung unterschiedlich ausgebildet sein müssen, können die Elektromotoren einfacher hergestellt und gewartet werden. Auch durch eine Herstellung gleicher Statoren in großer Stückzahl können Kosten eingespart werden. Jeder der Elektromotoren kann auf einem eigens dafür vorgesehenen Gestell angeordnet bzw. befestigt sein, wobei die Elektromotoren auch auf einem gemeinsamen Gestell angeordnet sein können. Die dann zwischen den Elektromotoren bzw. den jeweiligen Haspelköpfen angeordnete Spule kann auf einem Wagen, der beispielsweise auf Schienen geführt ist, quer zu einer Längsachse der beiden Wellen der Elektromotoren bewegt werden. Eine so für den Wagen ausgebildete Förderbahn kann auf einem eigens dafür ausgebildeten Fundament angeordnet sein.
  • Die Leistung der Elektromotoren kann verschieden oder gleich groß sein. Die Elektromotoren können bei einem Aufwickeln von bandförmigen Material synchron betrieben werden. Weiter kann vorgesehen sein, nur einen der beiden Elektromotoren zu betreiben, wenn eine geringere Leistung benötigt wird. Wenn die Elektromotoren Torquemotoren oder Synchronmotoren sind, kann eine Antriebsleistung des jeweiligen Elektromotors bei Bedarf elektrisch zwischen zwei Umrichtern umgeschaltet werden, sodass zwei oder mehr Leistungsstufen des jeweiligen Elektromotors ausgebildet werden können. Je nachdem welche Gesamtleistung der Haspel erforderlich ist, können die jeweiligen Einzelleistungen der Elektromotoren entsprechend ausgebildet und daher gleich groß oder verschieden sein.
  • Eine Länge LR der jeweiligen Ringpakte der Elektromotoren kann verschieden sein. Die Länge des Ringpakets bestimmt eine Masse an Magneten an einem Umfang des jeweiligen Ringpakets, und damit eine Leistung des jeweiligen Elektromotors. Die Ausbildung von Elektromotoren mit unterschiedlicher Leistung kann dann über die Länge des jeweiligen Ringpakets einfach erfolgen.
  • Die Ringe können eine voneinander verschiedene oder eine identische jeweilige Breite aufweisen. Da ein Ringpaket aus einer Mehrzahl von Ringen ausgebildet ist, wird es so möglich eine Länge des Ringpakets zu beeinflussen. Dies kann dadurch erfolgen, dass eine bestimmte Anzahl von Ringen zur Ausbildung der gewünschten Länge, und damit Leistung des Elektromotors, genutzt wird. Die verwendeten Ringe können eine übereinstimmende Breite oder eine voneinander abweichende Breite aufweisen. Wenn eine Auswahl von Ringen mit voneinander abweichender Breite zur Verfügung steht, besteht die Möglichkeit bei der Ausbildung eines Elektromotors eine größere Anzahl von möglichen ausbildbaren Längen des Ringpakets zur Verfügung zu stellen. Eine große mögliche Variation einer Länge des Ringpakets ergibt sich bereits, wenn das Ringpaket aus einer Anzahl von Ringen mit zwei oder drei unterschiedlichen Breiten zusammengestellt werden kann.
  • Die Antriebsanordnung kann eine Spanneinrichtung mit einem Aktor umfassen, wobei mittels des Aktors der Rotor relativ zu dem Stator axial verschiebbar sein kann. Der Aktor kann beispielsweise ein hydraulisch oder pneumatisch angetriebener Kolben oder ein Linearmotor sein. Der Aktor kann dabei so an die Welle des Elektromotors gekoppelt sein, dass eine Bewegung des Aktors eine Verschiebung der Welle entlang der Längsachse bewirkt. Dadurch, dass dann der Rotor relativ zu dem Stator mittels des Aktors verschiebbar ist, kann der Haspelkopf ebenfalls entlang der Längsachse verschoben werden. Es ist dann möglich eine Spule zwischen Haspelköpfen anzuordnen und die Spule an den Haspelköpfen zu spannen bzw. die Haspelkopfe in die Spule hineinzubewegen und/oder eine Spannkraft zwischen den Haspelköpfen und der Spule auszubilden.
  • Der Rotor kann an der Welle angeordnet und mit Radiallagern und zumindest einem Axiallager an einem Gehäuse des Stators gelagert sein, wobei bezogen auf eine Längsachse der Welle, beiderseits des Rotors jeweils eine Längsführung zwischen den Lagen und dem Gehäuse ausgebildet sein kann. Die Lager können Gleitlager und/oder vorzugsweise Wälzlager sein. Die Wälzlager können beispielsweise Rillenkugellager sein, sodass die Lager Axial- und Radialkräfte aufnehmen können. In diesem Fall kann das Radiallager und das Axiallager von einem einzelnen Lager ausgebildet werden. Die Längsführung kann beispielsweise durch eine Hülse ausgebildet sein, die in Richtung der Längsachse in einer Buchse bewegbar ist. Es können aber auch andere Arten von Längsführungen Verwendung finden. Die Hülse kann ein Teil des Gehäuses des Stators sein und der Rotor ist dann mit den Radiallagern bzw. dem Axiallager an der Hülse drehbar gelagert. Vorzugsweise kann beiderseits des Rotors eine derartige Lagerung der Welle an dem Gehäuse vorgesehen sein. So ist es dann möglich dass der Rotor relativ zu dem Stator drehbar und gleichzeitig entlang der Längsachse der Welle, zusammen mit der Welle verschiebbar ist. Eine derartige Längsführung ist besonders einfach ausbildbar. Der Aktor kann dann auch mit der Buchse verbunden sein. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Buchse in der Hülse alleine in einer axialen Richtung verschiebbar ist. Prinzipiell können neben einer kreisrunden Hülse bzw. Buchse beliebige Querschnittsformen zur Ausbildung einer derartigen Längsführung vorgesehen sein.
  • Die Antriebsanordnung kann einen weiteren Aktor umfassen, mittels dem der Elektromotor relativ zu dem Gestell, bezogen auf eine Längsachse der Welle, an einem an dem Gestell ausgebildeten weiteren Längsführung axial verschoben werden kann. Der weitere Aktor kann wie der Aktor ausgebildet sein und an einem Gehäuse des Stators oder an dem Gestellt angeordnet sein. Der weitere Aktor kann dann mit beispielsweise einem Kolben an dem Gehäuse oder dem Gestell gekoppelt sein, sodass eine Bewegung des Kolbens eine Relativbewegung von Gestell und Gehäuse bewirkt. Zwischen dem Gehäuse und dem Gestell kann weiter eine weitere Linearführung ausgebildet sein, die eine Längsverschiebung des Elektromotors ermöglicht. Umfasst die Antriebsanordnung mehrere Elektromotoren, kann jeder dieser Elektromotoren derart längs verschiebbar ausgebildet sein. Insbesondere kann so ein Verschiebebereich des Elektromotors wesentlich erweitert werden, sodass Spulen mit unterschiedlichsten Längen an der Haspel aufgenommen werden können.
  • Der Elektromotor kann mit einem Gehäuse ausgebildet sein, welches an dem Gestell befestigt sein kann, wobei zwischen dem Gehäuse und dem Gestell zumindest ein Kraftaufnehmer einer Sensoreinrichtung einer Steuervorrichtung der Haspel angeordnet sein kann. Die Steuervorrichtung kann folglich zur Steuerung und Regelung von der Haspel und insbesondere des Bandzugs der Haspel dienen, welcher durch eine Bandzugkraft innerhalb eines Bands, welches von der Haspel auf der Spule aufgewickelt wird, ausgebildet wird. Der Elektromotor bewirkt mit dem Rotor ein Drehmoment, welches über die Welle auf den Haspelkopf und damit die Spule übertragen wird. Je nach einer auf der Spule gespeicherten Materialmenge kann ein Durchmesser der Spule stark variieren, sodass die Bandzugkraft stets auch von diesem Durchmesser abhängig ist. Eine Regeleinrichtung der Steuervorrichtung kann so ausgebildet sein, dass der betreffende Durchmesser bei der Regelung der Bandzugkraft Berücksichtigung findet. Zur Regelung der Bandzugkraft kann folglich auch ein Drehmoment der Welle mittels der Regeleinrichtung geregelt werden. Dies erfolgt dann regelmäßig durch eine Regelung des mit der Welle verbundenen Elektromotors. Da der Elektromotor direkt mit dem Haspelkopf über die Welle verbunden ist, ohne dass ein Getriebe, eine Kupplung oder dergleichen in einem Antriebsstrang dazwischen geschaltet ist, wird es möglich das Drehmoment, welches effektiv auf den Haspelkopf bzw. die Spule wirkt, an dem Elektromotor zu messen, da in Folge der direkten Kraftübertragung von einer sehr genauen Messung des Drehmoments ausgegangen werden kann. Die direkte Kraftübertragung ermöglicht es die Drehmomentmessung mittels des Kraftaufnehmers, der zwischen dem Gehäuse des Elektromotors und dem Gestell, auf dem der Elektromotor befestigt ist, vorzunehmen. Wenn der Kraftaufnehmer zwischen dem Gehäuse und dem Gestell befestigt ist, wird durch ein von dem Elektromotor auf die Welle bewirktes Drehmoment der Kraftaufnehmer mit einer Kraft beaufschlagt die gemessen werden kann, wobei die Sensoreinrichtung bzw. die Regeleinrichtung aus den Messwerten das Drehmoment der Welle bestimmen kann. Erst die direkte Verbindung zwischen dem Elektromotor und dem Haspelkopf über die Welle ermöglicht diese Art der Drehmomentmessung und damit eine besonders genaue Regelung des Bandzugs.
  • Der Kraftaufnehmer kann zur Erfassung einer Druckkraft und/oder Zugkraft bzw. eines Drehmoments ausgebildet sein. Der Kraftaufnehmer kann ein Sensor, insbesondere Kraftsensor, eine Kraftmessdose bzw. Messdose sein mit der eine Kraft messbar ist, die auf den Sensor wirkt. Eine Kraftmessung kann mittels eines Federkörpers, piezoelektrisch, elektromagnetisch, elektrodynamisch oder elektroresistiv erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass auf elektroresistive Sensoren, insbesondere Dehnungsmessstreifen verzichtet wird, da diese durch ein Magnetfeld des Elektromotors beeinflusst sein können.
  • Der Kraftaufnehmer kann in einem radialen Abstand relativ zu einer Längsachse der Welle angeordnet sein. Aus dem radialen Abstand des Kraftaufnehmers relativ zu der Welle kann einfach aus einer mit dem Kraftaufnehmer gemessenen Kraft ein Drehmoment errechnet werden.
  • Der Kraftaufnehmer kann zur Erfassung einer Druckkraft und/oder Zugkraft ausgebildet sein. Je nach Drehrichtung der Welle in Bezug auf eine Richtung der Bandzugkraft kann der Kraftaufnehmer mit einer Drucckraft oder einer Zugkraft beaufschlagt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn mit dem Kraftaufnehmer eine Druckkraft und auch eine Zugkraft bestimmt werden können.
  • Das Gehäuse kann am Gestell an Befestigungspunkten fixiert sein, wobei an zumindest einem Befestigungspunkt ein Kraftaufnehmer angeordnet sein kann. Der Befestigungspunkt kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Gestell ausgebildet sein. Prinzipiell kann der Befestigungspunkt jedoch auch ein Auflagepunkt des Gehäuses an dem Gestell sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn an allen Befestigungspunkten Kraftaufnehmer angeordnet sind. So wird es möglich sämtliche zwischen dem Gehäuse und dem Gestell wirkenden Kräfte zu erfassen und damit ein Drehmoment der Welle besonders genau zu bestimmen. Prinzipiell ist dies jedoch nicht erforderlich, da bereits auch schon mit einem einzelnen Kraftaufnehmer ein Drehmoment ermittelt werden kann, wenn eine Verteilung der an dem Befestigungspunkten wirkenden Kräfte bekannt ist.
  • Der Kraftaufnehmer kann an einem Verbindungsflansch des Gehäuses und/oder des Gestells angeordnet sein. Beispielsweise können das Gehäuse und das Gestell jeweils einen Verbindungsflansch ausbilden, wobei die Verbindungsflansche dann einander anliegen und über eine Schraubverbindung miteinander fest verbunden sein können. Der Kraftaufnehmer kann dann zwischen diesen Verbindungsflanschen angeordnet sein. Dabei kann bereits eine Vorspannung einer Schraubverbindung auf den Kraftaufnehmer wirken. Die Sensoreinrichtung kann so kalibriert sein, dass diese Vorspannung unberücksichtigt bleibt bzw. ein Messergebnis des Kraftaufnehmers nicht verfälscht. Optional ist es auch möglich den Kraftaufnehmer an den Verbindungsflanschen so anzuordnen, dass der Kraftaufnehmer nicht zwischen den Verbindungsflanschen positioniert ist, sondern die Verbindungsflansche überspannt. Dazu kann der Kraftaufnehmer dann an beiden Verbindungsflanschen jeweils fest fixiert sein, sodass zwischen den Verbindungsflanschen wirkende Kräfte sich auch auf den Kraftaufnehmer übertragen.
  • Die Antriebsanordnung kann zwei Haspelköpfe aufweisen, wobei die Haspelköpfe jeweils mit einem Spreizkopf oder einem Konus zur Aufnahme der Spule ausgebildet sein können. Prinzipiell ist es auch möglich, dass die Antriebsanordnung, wenn diese lediglich einen Elektromotor aufweist, mit einem einzelnen Spreizkopf ausgebildet ist. Der Spreizkopf kann so ausgebildet sein, dass dieser in eine Öffnung an einem Ende einer Spule eingeführt werden kann. Segmente des Spreizkopfes können dann gegen eine Innenspannung der Spule verspannt werden, sodass die Spule kraftschlüssig fest an dem Spreizkopf fixiert und zentriert wird. Die Bewegung der Segmente kann beispielsweise hydraulisch oder mittels einer Zugstange bewirkt werden. Der Konus kann so ausgebildet sein, dass er an einem Ende der Spule anliegt, sodass die Spule zwischen zwei Haspelköpfen, die gegeneinander verfahren werden können, eingespannt ist. Auch hier erfolgt dann eine Zentrierung der Spule relativ zu dem Haspelkopf.
  • Der Spreizkopf kann eine Spreizsegmente aufweisende und zum radialen Spannen der Spule ausgebildete Spreizsegmentanordnung aufweisen, wobei innerhalb der Welle zumindest eine Hydraulikleitung ausgebildet oder eine Zugstange zur Betätigung der Spreizsegmente angeordnet sein kann. Die Welle kann daher als eine Hohlwelle oder eine Vollwelle ausgebildet sein. Prinzipiell ist es auch möglich den Spreizkopf direkt, das heißt am Spreizkopf selbst eine hydraulische oder mechanische Betätigung anzuschließen, sodass die Welle hiervon unbeeinflusst ist.
  • Ein Modulsystem zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Haspel umfasst einen aus einem Wicklungspaket mit einer Mehrzahl von Wicklungen bzw. Wicklungsköpfen ausgebildeten Stator und eine Mehrzahl von Ringen mit jeweils Magneten an einem Umfang des jeweiligen Rings oder in Einschubtaschen direkt unter dem Umfang des Rings, die zur Ausbildung eines Ringpakets eines Rotors dienen, wobei die Ringe aus einem ersten Satz von Ringen mit einer ersten Breite und einem zweiten Satz von Ringen mit einer zweiten Breite, die sich von der ersten Breite unterscheiden können, ausgewählt sind. Das Modulsystem ermöglicht eine Ausbildung von Ringpaketen mit unterschiedlichen Längen LR, sodass aus diesen Ringpaketen bzw. den Modulsystemen Elektromotoren mit unterschiedlichen Leistungen zusammengestellt werden können. Dadurch dass verschiedene Sätze an Ringen zur Auswahl von Ringen zur Verfügung stehen, kann eine hohe Variabilität bei einem gleichzeitig stark reduzierten Kostenaufwand erzielt werden. Eine Herstellung von Rotoren bzw. Elektromotoren ist so in einem hohen Maße standardisierbar und damit besonders kostengünstig möglich.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Spannen von einer Spule zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material, insbesondere Metallband oder dergleichen, mit einer erfindungsgemäßen Haspel, wird an zumindest einem Elektromotor einer Antriebsanordnung der Haspel ein Rotor relativ zu einem Stator des Elektromotors mittels einer Spanneinrichtung der Antriebsanordnung axial verschoben, derart, dass die zwischen Haspelköpfen der Antriebsanordnung angeordnete Spule gespannt oder freigegeben wird, wobei der Elektromotor ein Torquemotor oder Synchronmotor ist. Zu den vorteilhaften Wirkungen des Verfahrens wird auf die Vorteilsbeschreibung der erfindungsgemäßen Haspel verwiesen.
  • Die axiale Verschiebung kann zu einer Bandmittenregelung und/oder einer Bandmittenzentrierung vor oder während eines Walzbetriebes verwendet werden. Die Bandmittenregelung dient dazu das Band von einem nicht kantengerade aufgewickelten Coil während des Walzens abzuwickeln und mittig durch einen Walzspalt zu führen, um es dann kantengerade auf einer Spule aufzuwickeln. Die Bandmittenzentrierung dient dazu einen nicht kantengerade aufgewickelten Coil vor dem walzen in einer Walzlinie zu zentrieren, damit das aufgewickelte Band mittig durch den Walzspalt geführt wird. Eine Bestimmung einer Lage des Bandes kann mittels Sensoren erfolgen. Daten der Sensoren können zur Regelung und damit zur axialen Verschiebung genutzt werden.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erfindungsgemäße Haspel verwendet. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Vorrichtungsanspruch 1 zurückbezogenen Unteransprüche.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Haspel anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    Eine erste Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht;
    Fig. 2
    eine zweite Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht;
    Fig. 3
    eine dritte Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht;
    Fig. 4
    eine vierte Ausführungsform einer Haspel in einer Längsschnittansicht.
  • Die Fig. 1 zeigt eine Haspel 10 zum Aufwickeln von bandförmigen Material 11 bzw. einem Metallband auf einer Spule 12. Die Haspel 10 umfasst hier zwei im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildete Gestelle 13, zwei übereinstimmend ausgebildete Haspelköpfe 14 zur Anordnung der Spule 12 und eine Antriebsanordnung 15, die ihrerseits zwei übereinstimmend ausgebildete Elektromotoren 16 bzw. Torquemotoren umfasst. Jeder der Elektromotoren 16 ist aus einem Stator 17 und einem Rotor 18 ausgebildet, wobei der Stator 17 den Rotor 18 umgibt und der Rotor 18 innerhalb des Stators 17 drehbar gelagert ist. Der Rotor 18 ist mit einem Rotorträger 19 unmittelbar auf einer Welle 20 des Elektromotors 16 drehfest angeordnet, wobei die Welle 20 ihrerseits unmittelbar mit dem Haspelkopf 14 verbunden ist. Der Rotor 18 ist weiter aus einem Ringpaket 21 aus einer hier nicht näher dargestellten Mehrzahl von Ringen mit jeweils Magneten an einem Umfang 22 des jeweiligen Rings gebildet. Diese Ringe sind lösbar miteinander verbunden. Der Stator 17 ist aus einem Wicklungspaket 23 mit einer Mehrzahl von hier nicht näher dargestellten Wicklungen ausgebildet, die von einem hier nicht näher dargestellten Rahmen umgeben sind. Innerhalb dieses Rahmens sind Kühlkanäle 24 ausgebildet, die von einem hier nicht dargestellten Kühlmedium durchströmt werden und zur Kühlung des Wicklungspakets 23 dienen. Eine passive Kühlung oder eine Oberflächenkühlung des Rahmens ist ebenfalls möglich.
  • Der Elektromotor 16 ist weiter mit einem Gehäuse 25 ausgebildet, welches den Rotor 18 und den Stator 17 umgibt. Das Gehäuse 25 ist an Befestigungspunkten 26 mit dem Gestell 13 fest verbunden bzw. verschraubt. Das Gestell 13 ist seinerseits an Befestigungspunkten 27 mit einem Fundament 28 fest verbunden. Weiter ist das Gehäuse 25 mit einer Längsführung 29 ausgebildet, die eine axiale Verschiebung des Rotors 18 relativ zu dem Stator entlang einer Längsachse 30 der Welle 20 erlaubt. Die Längsführung 29 ist aus Hülsen 31 und 32, welche beiderseits des Rotors 18 angeordnet sind, und die Hülsen 31 und 32 umgebende Buchsen 33 bzw. 34 ausgebildet. Die Welle 20 ist innerhalb der Hülsen 31 und 32 mittels Wälzlager 35 radial und axial gelagert. Eine Verschiebung des Rotors 18 relativ zu dem Stator ist innerhalb eines Verschiebebereichs V möglich, wobei sich der Verschiebebereich V aus einer Differenz einer Länge LR des Ringpakets 21 und einer Länge LW des Wicklungspakets 23 ergibt. Eine mögliche Verschiebung erfolgt mittels eines Aktors 36, der hier durch einen Hydraulikzylinder 37 ausgebildet und über eine Strebe 38 an die Buchse 33 gekoppelt ist. Durch die Möglichkeit der Verschiebung des Rotors 18 bzw. der Welle 20 mit dem Haspelkopf 14 wird so eine Spanneinrichtung 39 zum Spannen der Spule 12 zwischen den Haspelköpfen 14 ausgebildet.
  • Insbesondere durch den direkten Antrieb der Spule 12 durch die Elektromotoren 16 wird es möglich eine Anzahl rotierender Teile der Haspel 10 wesentlich zu vermindern und auf weitere Antriebswellen, Kupplungen oder dergleichen zu verzichten. Auch kann auf eine mechanische Bremse als Betriebsbremse an der Haspel verzichtet werden da über einen Kurzschluss der Wicklungen über einen Widerstand bei einem Netzausfall oder bei einer Umrichterstörung der Elektromotoren 16 gebremst werden kann. Weiter kann auch eine Stillstandsbremse entfallen, da über einen Kurzschluss der Wicklungen im Stillstand des Rotors dieser in seiner Position gehalten werden kann. Durch die Reduzierung einer Teileanzahl bzw. einer Anzahl von Baugruppen der Haspel 10 können Wartungskosten signifikant reduziert werden.
  • Weiter ist es möglich eine Leistung der Elektromotoren 16 durch ein Hinzufügen von Ringen auch nach bereits erfolgter Inbetriebnahme der Haspel 10 anzupassen bzw. eine Leistungserhöhung durchzuführen.
  • Die Antriebsanordnung 15 umfasst einen weiteren Aktor 40, welcher an dem Gestell 13 angeordnet und durch einen weiteren Hydraulikzylinder 41 ausgebildet ist. Das Gehäuse 25 ist an einer weiteren Längsführung 42, welche an dem Gestell 13 ausgebildet ist, gehaltert und mittels des weiteren Aktors 40 ebenfalls in Längsrichtung der Längsachse axial verschiebbar.
  • Die Haspelköpfe 14 sind hier jeweils als ein Spreizkopf 43 ausgebildet, welcher hier nicht dargestellte Spreizsegmente aufweist, welche über eine ebenfalls nicht dargestellte Hydraulikleitung betätigbar sind. Die Spreizsegmente können eine Spannkraft auf eine Innenseite 44 der Spule 12 bewirken, sodass die Spule 12 auf den jeweiligen Spreizköpfen 43 zentriert und drehfest gespannt ist. Ein Transport der Spule 12 mit dem Material 11 zu der Haspel 10, kann mittels eines Wagens 45 erfolgen, welcher auf Schienen 46 quer zu der Längsachse 30 bewegbar ist.
  • Weiter sind an dem Gehäuse 25 bzw. den Befestigungspunkten 26 Kraftaufnehmer 47 zwischen dem Gehäuse 25 und dem Gestell 13 angeordnet. Die Kraftaufnehmer 47 sind ein Bestandteil einer hier nicht näher dargestellten Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung dient zur Regelung eines Bandzugs bzw. einer Bandzugkraft der Haspel 10 bzw. einer Leistung und damit eines Drehmoments der Elektromotoren 16. Die Steuervorrichtung umfasst eine Regeleinrichtung zur Regelung der Bandzugkraft bzw. der Elektromotoren 16 und eine Sensoreinrichtung, die ihrerseits die Kraftaufnehmer 47 umfasst. Dadurch dass die Kraftaufnehmer 47 zwischen dem Gestell 13 und dem Gehäuse 25 angeordnet sind, wird es möglich die zwischen dem Gestell 13 und dem Gehäuse 25 wirkenden Kräfte zu ermitteln. Da die Elektromotoren 16 jeweils unmittelbar über die Welle 20 und den Haspelkopf 14 an die Spule 12 angeschlossen sind kann ein Drehmoment des jeweiligen Elektromotors 16 direkt und damit besonders genau über die Kraftaufnehmer 47 bzw. die Sensoreinrichtung bestimmt werden, was eine verbesserte Regelung der Bandzugkraft ermöglicht.
  • Die Fig. 2 zeigt eine Haspel 48, bei der im Unterschied zu der Haspel aus der Fig. 1 ein Gestell 49 ohne eine weitere Längsführung ausgebildet ist. Ein Spannen einer Spule 50 ist hier bereits durch die Spanneinrichtung 39 möglich.
  • Die Fig. 3 zeigt eine Haspel 51, bei im Unterschied zu der Haspel aus der Fig. 2 Haspelköpfe 52 vorgesehen sind, die einen Konus 53 zur Aufnahme einer Spule 54 ausbilden. Die Spule 54 ist an ihren jeweiligen Enden 55 mit einem Innenkonus 56 ausgebildet. Die Spule 54 kann durch Spannen zwischen den Haspelköpfen 52 so zentriert und kraftschlüssig drehfest an der Haspel 48 aufgenommen werden.
  • Die Fig. 4 zeigt eine Haspel 57, bei im Unterschied zu der Haspel aus der Fig. 1 alleine ein Gestell 13, und ein Elektromotor 16 vorgesehen ist. Anstelle eines weiteren Elektromotors ist hier ein Gegenlager 58 vorgesehen. An der Welle 20 des Elektromotors 16 ist eine Spreiztrommel 59 zur Aufnahme einer Spule 60 oder Rohbund befestigt. Bei einem Rohbund wird das Material 11 direkt und ohne die Spule 60 auf der Spreiztrommel 59 angeordnet.

Claims (13)

  1. Haspel (10, 48, 51, 57) zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material (11), insbesondere Metallband oder dergleichen, wobei die Haspel ein Gestell (13, 49), zumindest einen Haspelkopf (14, 52) zur Anordnung einer Spule (12, 50, 54) zum Aufwickeln oder Abwickeln von Material, eine Antriebsanordnung (15) mit zumindest einem Elektromotor (16), und eine den Elektromotor mit dem Haspelkopf verbindende Welle (20) umfasst, wobei der Elektromotor mit einem Stator (17) und mit einem Rotor (18) ausgebildet und an dem Gestell angeordnet ist, wobei die Welle den Rotor direkt mit dem Haspelkopf verbindet, wobei der Rotor relativ zu dem Stator axial verschiebbar an dem Stator gelagert ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Elektromotor ein Torquemotor oder Synchronmotor ist, wobei der Stator aus einem Wicklungspaket (23) mit einer Mehrzahl von Wicklungen ausgebildet ist, und den Rotor umgibt, wobei der Rotor aus einem Ringpaket (21) mit einer Mehrzahl von Ringen mit jeweils Magneten an einem Umfang (22) des jeweiligen Rings gebildet ist, wobei die Ringe miteinander verbunden sind, wobei bezogen auf eine Längsachse (30) der Welle eine Länge (LR) des Ringpakets kleiner als die Länge (LW) des Wicklungspakets ausgebildet ist, und ein Verschiebebereich (V) des Rotors einer Differenz der Längen (LW, LR) entspricht.
  2. Haspel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebsanordnung (15) zwei Elektromotoren (16) umfasst, wobei die Elektromotoren (16) jeweils ein Gestell (13, 49) und einen Haspelkopf (14, 52) aufweisen, wobei zwischen den Haspelköpfen eine Spule (12, 50, 54) anordbar ist, wobei die jeweiligen Wicklungspakete (23) der Elektromotoren eine übereinstimmende Länge (LW) aufweisen.
  3. Haspel nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Leistung der Elektromotoren (16) verschieden oder gleich groß ist.
  4. Haspel nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Länge (LR) der jeweiligen Ringpakete (21) der Elektromotoren (16) verschieden ist.
  5. Haspel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ringe eine voneinander verschiedene oder eine identische jeweilige Breite aufweisen.
  6. Haspel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebsanordnung (15) eine Spanneinrichtung (39) mit einem Aktor (36) umfasst, wobei mittels des Aktors der Rotor (18) relativ zu dem Stator (17) axial verschiebbar ist.
  7. Haspel nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Rotor (18) an der Welle (20) angeordnet und mit Radiallagern und zumindest einem Axiallager an einem Gehäuse (25) des Stators (17) gelagert ist, wobei, bezogen auf eine Längsachse (30) der Welle, beiderseits des Rotors jeweils eine Längsführung (29) zwischen den Lagern (35) und dem Gehäuse ausgebildet ist.
  8. Haspel nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebsanordnung (15) einen weiteren Aktor (40) umfasst, mittels dem der Elektromotor (16) relativ zu dem Gestell (13, 49), bezogen auf eine Längsachse (30) der Welle (20), an einer an dem Gestell ausgebildeten weiteren Längsführung (42) axial verschiebbar ist.
  9. Haspel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Elektromotor (16) mit einem Gehäuse (25) ausgebildet ist, welches an dem Gestell (13, 49) befestigt ist, wobei zwischen dem Gehäuse und dem Gestell zumindest ein Kraftaufnehmer (47) einer Sensoreinrichtung einer Steuervorrichtung der Haspel (10, 48, 51, 57) angeordnet ist.
  10. Haspel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebsanordnung (15) zwei Haspelköpfe (14, 52) aufweist, wobei die Haspelköpfe jeweils mit einem Spreizkopf (43) oder einem Konus (53) zur Aufnahme der Spule (12, 50, 54) ausgebildet sind.
  11. Haspel nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spreizkopf (43) eine Spreizsegmente aufweisende und zum radialen Spannen der Spule (12, 50) ausgebildete Spreizsegmentanordnung aufweist, wobei innerhalb der Welle (20) zumindest eine Hydraulikleitung ausgebildet oder eine Zugstange zur Betätigung der Spreizsegmente angeordnet ist.
  12. Verfahren zum Spannen von einer Spule (12, 50, 54, 60) zum Aufwickeln oder Abwickeln von bandförmigen Material (11), insbesondere Metallband oder dergleichen, mit einer Haspel (10, 48, 51, 57) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an zumindest einem Elektromotor (16) einer Antriebsanordnung (15) der Haspel ein Rotor (18) relativ zu einem Stator (17) des Elektromotors mittels einer Spanneinrichtung (39) der Antriebsanordnung axial verschoben wird, derart, dass die zwischen Haspelköpfen (14, 52) der Antriebsanordnung angeordnete Spule gespannt oder freigegeben wird, wobei der Elektromotor ein Torquemotor oder Synchronmotor ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die axiale Verschiebung zu einer Bandmittenregelung und/oder einer Bandmittenzentrierung vor oder während eines Walzbetriebes verwendet wird.
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