WO2010012581A1 - Winkelmesseinrichtung mit schwingungsdämpfender statorkupplung - Google Patents
Winkelmesseinrichtung mit schwingungsdämpfender statorkupplung Download PDFInfo
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Definitions
- the use of the vibration-damping element not only improves the mechanical properties of the compensating coupling with regard to improved measuring behavior of the angle-measuring device, but also makes it possible to optimize the temperature conditions in the angle-measuring device.
- the temperatures in the angle measuring device can be reduced.
- the element or the potting compound has a thermal conductivity of more than 1, 75 W / (n ⁇ K), in particular more than 2.0 W / (m-K) or more than 4.0 W / (n ⁇ K).
- the measurement accuracy can be increased.
- polymer materials which are electrically conductive. The degree of filling can be increased so far that the element or the entire potting compound is thermally and electrically conductive.
- FIG. 3 shows a perspective view of the resilient component of the compensating coupling
- the molded part 4 ' is arranged according to FIGS. 4 and 6 between the compensating coupling 1.2, in particular between the resilient component 1.21 of the compensating coupling 1.2 and the body 1.3, in which case the molded part 4' which is largely concealed in the view of FIG half black is shown.
- the molded part 4 ' When installed, the molded part 4 'is at least axially biased against the body 1.3. Notwithstanding the embodiment shown in FIG. 5, to reduce the internal stresses, the molded part 4 'can be configured with recesses, for example with radially oriented recesses.
- the measurement behavior in particular the measurement accuracy of the angle measuring device, can also be improved by the design according to the second exemplary embodiment.
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung umfassend einen Stator (1) und einen Rotor (2), wobei der Rotor (2) relativ zum Stator (1) drehbar angeordnet ist. Der Rotor (2) weist eine Welle (2.1) auf, an der eine Codescheibe (2.2) drehfest befestigt ist. Der Stator (1) weist einen Körper (1.3), eine Abtasteinrichtung (1.31 ) zur Abtastung der Codescheibe (2.2) und eine Ausgleichskupplung (1.2) auf. Durch die Ausgleichskupplung (1.2) ist eine radial und axial elastische aber drehsteife Verbindung des Stators (1) mit einem Maschinenteil (5.1) herstellbar. Erfindungsgemäß ist zwischen der Ausgleichskupplung (1.2) und dem Körper (1.3) ein Element (4; 4') angeordnet, welches sowohl mit der Ausgleichskupplung (1.2) als auch mit dem Körper (1.3) in Kontakt ist und eine schwingungsdämpfende Eigenschaft aufweist.
Description
WINKELMESSEINRICHTUNG MIT SCHWINGUNGSDÄMPFENDER
STATORKUPPLUNG
Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung gemäß dem Patentanspruch 1.
Winkelmesseinrichtungen, häufig auch Drehgeber genannt, dienen zur Mes- sung von Drehbewegungen eines drehbar gelagerten Körpers, insbesondere einer Welle, über eine oder mehrere Umdrehungen. Die Drehbewegung wird dabei inkremental oder absolut erfasst. In Verbindung mit Zahnstangen und Zahnrädern oder mit Gewindespindeln lassen sich mit einer Winkelmesseinrichtung auch lineare Bewegungen messen.
Häufig werden derartige Winkelmesseinrichtungen in Verbindung mit Elektromotoren verwendet. Um Fluchtungsfehler oder axialen Versatz zwischen der gelagerten Welle der Winkelmesseinrichtung und des betreffenden Elektromotors zu kompensieren, werden häufig Ausgleichskupplungen verwendet. Diese können entweder zwischen der Welle der Winkelmesseinrich- tung und der Elektromotorwelle angeordnet sein oder als so genannte Statorkupplungen ausgebildet sein. Statorkupplungen verbinden den Stator der Winkelmesseinrichtungen elastisch mit dem Stator des Elektromotors. Um die Drehbewegungen exakt erfassen zu können, ist es wichtig, dass entsprechende Ausgleichskupplungen in Umfangsrichtung drehsteif ausgebildet sind, also eine hohe Steifigkeit bei Torsionsbelastungen aufweisen. Im Allgemeinen weisen diesbezüglich Statorkupplungen bessere Eigenschaften auf als Rotorkupplungen.
Aus der DE 196 29 585 C2 der Anmelderin ist beispielsweise eine Winkelmesseinrichtung mit einer Ausgleichskupplung bekannt, welche sich durch radiales Aufspreizen gegen eine Innenwand eines Motorgehäuses abstützt, wobei so der Stator der Winkelmesseinrichtung drehfest mit dem Motorgehäuse verbunden wird.
Eine derartige Winkelmesseinrichtung hat den Nachteil, dass die Messgenauigkeit in bestimmten Betriebszuständen reduziert sein kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Winkelmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein verbessertes Messverhalten, insbesondere eine erhöhte Messgenauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Winkel- messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor relativ zum Stator, insbesondere mit Hilfe eines Lagers, drehbar angeordnet ist. Der Rotor weist eine Welle auf, an der eine Codescheibe drehfest befestigt ist, so dass diese mit der Welle winkeltreu rotieren kann. Der Stator weist eine Abtasteinrichtung zur Abtastung der Codescheibe, einen Körper und eine Ausgleichskupplung auf. Durch die Ausgleichskupplung ist eine radial und axial elastische aber drehsteife Verbindung des Stators mit einem Maschinenteil herstellbar. Zwischen der Ausgleichskupplung und dem Körper ist ein Element angeordnet, welches sowohl mit der Ausgleichskupplung als auch mit dem Körper in Kontakt ist und eine schwingungsdämpfende Eigenschaft aufweist.
Die Codescheibe kann so ausgebildet sein, dass die Winkelmesseinrichtung inkrementale und / oder absolute Winkelstellungen ausgibt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Element als eine Ver- gussmasse oder als ein Formteil ausgestaltet. Insbesondere kann das Element als ein Elastomer ausgestaltet sein.
Mit Vorteil ist das schwingungsdämpfende Element aus einem Polymermaterial hergestellt, beziehungsweise umfasst das schwingungsdämpfende Element mit Vorteil ein Polymermaterial.
Unter Polymermaterial sind im Folgenden Kunststoffe oder Silikone zu verstehen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Polymermaterial ein vernetztes, z.B. bei Raumtemperatur vernetztes, Polymermaterial ist. Insbesondere kann das Element bzw. die Vergussmasse Füllstoffe enthalten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das schwingungsdämpfende Element, insbesondere die Vergussmasse, im Hinblick auf das Theologische Verhalten viskoelastische Eigenschaften auf. Dabei kann das Element beispielsweise auch als ein mit Flüssigkeit oder Gel gefülltes Kissen bestehen, welches eine Außenhaut z. B. aus einem Polymermaterial aufweist.
Durch die Verwendung des schwingungsdämpfenden Elements werden nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Ausgleichskupplung im Hinblick auf ein verbessertes Messverhalten der Winkelmesseinrichtung verbessert, sondern es kann auch eine Optimierung der Temperaturverhältnis- se in der Winkelmesseinrichtung erwirkt werden. Insbesondere wenn eine Vergussmasse mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz gebracht wird, lassen sich die Temperaturen in der Winkelmesseinrichtung reduzieren. So ist es vorteilhaft, wenn das Element bzw. die Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 ,75 W/(nτK), insbesondere mehr als 2,0 W/(m-K) oder mehr als 4,0 W/(nτK) aufweist. Durch die Reduktion der Temperaturen kann die Messgenauigkeit erhöht werden. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn Füllstoffe verwendet werden, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In der vorliegenden Erfindung kann im Übrigen auch auf Polymermaterialien zurückgegriffen werden, die elekt- risch Leitfähig sind. Der Füllgrad kann dabei soweit erhöht werden, dass das Element bzw. die gesamte Vergussmasse thermisch als auch elektrisch leitfähig ist.
Als Polymermaterialien für das schwingungsdämpfende Element kommen etwa Silikone in Betracht oder Epoxid-Materialien. Diese können beispiels- weise als Gele oder Pasten ausgestaltet sein. Grenzflächen zwischen der Vergussmasse und der Umgebung der Winkelmesseinrichtung können mit einer Folie, z. B. mit einer Klebefolie versehen sein, so dass die Vergussmasse gegen äußere Einflüsse geschützt ist.
Das schwingungsdämpfende Element, z.B. die Vergussmasse, ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass dieses an der Ausgleichskupplung bzw. an dem federnden Bauteil der Ausgleichskupplung klebt oder haftet. Somit können
neben Druckkräften auch Zug- und / oder Scherkräfte von der Ausgleichskupplung bzw. vom Körper des Stators in das Element eingeleitet werden.
Mit Vorteil kann die Ausgleichskupplung durch radiales Aufspreizen am Maschinenteil klemmbar sein.
Weiterhin kann die Ausgleichskupplung ein federndes Bauteil und ein vergleichsweise starres Bauteil aufweisen, wobei das starre Bauteil gegen das Maschinenteil press- bzw. klemmbar ist. Mit Vorteil ist das starre Bauteil ein vergleichsweise starrer Ring, wobei durch die Pressung bzw. Klemmung ein relativ guter thermischer Kontakt zwischen der Winkelmesseinrichtung und dem Maschinenteil erreichbar ist. Zudem kann auf diese Weise auch ein großflächiger Kontakt zwischen dem betreffenden Maschinenteil und der Ausgleichskupplung hergestellt werden, was insbesondere für die Wärmeabfuhr von Vorteil ist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Winkelmesseinrichtung so konfiguriert, dass das schwingungsdämpfende Element sowohl in Kontakt mit dem Körper als auch mit dem federnden Bauteil und dem starren Bauteil ist.
Mit Vorteil ist die Ausgleichskupplung, insbesondere dessen federndes Bauteil, aus einem Metallwerkstoff hergestellt.
Das Element, z. B. die Vergussmasse, kann so angeordnet sein, dass dieses das federnde Bauteil der Ausgleichskupplung axial umschließt, so dass beide im Wesentlichen senkrecht zu Drehachse ausgerichteten Flächen des federnden Bauteils von dem Element umschlossen sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen die:
Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Winkelmesseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine Ansicht von unten auf die Winkelmesseinrichtung mit einem federnden Bauteil einer Ausgleichskupplung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht des federnden Bauteils der Ausgleichskupplung,
Figur 4 eine Ansicht von unten auf die Winkelmesseinrichtung mit dem federnden Bauteil der Ausgleichskupplung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht des federnden Bauteils der Ausgleichskupplung,
Figur 6 eine Schnittdarstellung der Winkelmesseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die in der Figur 1 dargestellte Winkelmesseinrichtung umfasst einen Stator 1 und einen Rotor 2. Der Rotor 2 weist eine Welle 2.1 zum drehfesten An- schluss an ein zu messendes Bauelement, etwa an einer Motorwelle, 5.2 auf. Die Verbindung zwischen der Welle 2.1 der Winkelmesseinrichtung und der Motorwelle 5.2 wird beispielsweise mit einem durch die Welle 2.1 ragen- den Verbindungsmittel in Form einer Befestigungsschraube realisiert, wobei zu diesem Zweck das Ende der Welle 2.1 konisch ausgestaltet ist. Durch die Winkelmesseinrichtung kann also die relative Winkelstellung zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 bestimmt werden. Derartige Winkelmesseinrichtungen werden auch häufig als Drehgeber bezeichnet.
In bekannter Weise ist die Welle 2.1 innerhalb eines Körpers 1.3, der dem Stator 1 zuzuordnen ist, durch ein Lager, hier zwei Wälzlager 3, drehbar gelagert. An der Welle 2.1 ist eine im Inneren der Winkelmesseinrichtung angeordnete Codescheibe 2.2 befestigt. Die Codescheibe 2.2 wird in den gezeigten Beispielen lichtelektrisch von einer Abtasteinrichtung abgetastet.
Entsprechende lichtempfindliche Detektoren befinden sich auf einer am Körper 1.3 befestigten Leiterplatte 1.31. Unter anderem sind auf der Leiterplatte 1.31 überdies elektrische Bauelemente zur Signalformung - beispielsweise zur Verstärkung und Digitalisierung - der von den Detektoren gelieferten Abtastsignale angeordnet. Über ein in den Figuren nicht gezeigtes Anschlusskabel wird eine elektrische Verbindung zwischen der Winkelmesseinrichtung und einer Folgeelektronik hergestellt, so dass elektrische Signale und elektrische Energie zwischen der Folgeelektronik und der Winkelmesseinrichtung übertragen werden können.
Der Stator 1 der Winkelmesseinrichtung wird über eine Ausgleichskupplung 1.2 an einem Maschinenteil 5.1 , z. B. an einem stationären Motorgehäuse befestigt. Zur Aufnahme der Ausgleichskupplung 1.2 ist am Maschinenteil 5.1 eine hohlzylindrische Ausnehmung eingearbeitet, in die zentral die Motorwelle 5.2 ragt. Die Ausgleichskupplung 1.2 umfasst ein federndes Bauteil 1.21 und einen vergleichsweise steifen Ring 1.22. und dient dazu, dass Fluchtungsfehler zwischen der Welle 2.1 und der Motorwelle 5.2 nicht zu unzulässig hohen Belastungen in den Wälzlagern 3 führen.
In der Figur 3 ist das federnde Bauteil 1.21 , welches aus Stahl gefertigt ist perspektivisch dargestellt. In den vorgestellten Ausführungsbeispielen ist die Ausgleichskupplung 1.2 aus einem Stahlblech einstückig geformt. Dabei dienen erste Bohrungen 1.211 zur Befestigung des federnden Bauteils 1.21 mit dem Ring 1.22, während zweite Bohrungen 1.212 für die Befestigung des federnden Bauteils 1.21 am Körper 1.3 des Stators 1 vorgesehen sind. Der Ring 1.22 ist mit Hilfe einer Schraubenmechanik 1.23 radial aufspreitz- bar, so dass dieser an der Innenwand des Maschinenteils 5.1 geklemmt werden kann. Auf diese Weise kann ein überaus guter und relativ großflächiger Kontakt zwischen dem Maschinenteil 5.1 und dem Stator 1 hergestellt werden. Eine derartige Ausgleichskupplung 1.2 ermöglicht eine radial und axial elastische aber drehsteife Verbindung des Stators 1 mit einem Maschi- nenteil δ.l
Die erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung weist weiterhin am Stator 1 als ein Element mit schwingungsdämpfender Eigenschaft gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel eine Vergussmasse 4 aus einem Polymermaterial auf. Diese ist zwischen der Ausgleichskupplung 1.2, insbesondere zwischen dem federnden Bauteil 1.21 und dem Körper 1.3 angeordnet. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel dient als Vergussmasse 4 ein Silikongel, welches Füll- Stoffe enthält. Die Vergussmasse 4 weist eine so genannte Eigenklebrigkeit auf, so dass diese sowohl am Körper 1.3 des Stators 1 als auch am federnden Bauteil 1.21 und am Ring 1.22 klebt bzw. haftet. Durch diese Maßnahme kann die Messgenauigkeit der Winkelmesseinrichtung verbessert werden. Insbesondere wird im Bereich der Eigenfrequenz der Winkelmessein- richtung ein Dämpfungseffekt erreicht, welcher überraschenderweise die Präzision der Winkelmessung verbessert. Somit ist gemäß diesem Aspekt der Erfindung zwischen der Ausgleichskupplung 1.2 und dem Körper 1.3 des Stators 1 ein Element, z. B. in Form der Vergussmasse 4, angeordnet, welches zur Dämpfung von Schwingungen geeignet ist und sowohl mit der Ausgleichskupplung 1.2 als auch mit dem Körper 1.3 in Kontakt ist.
Ferner hat es sich gezeigt, dass die Innentemperatur der Winkelmesseinrichtung, insbesondere die Temperaturen des Körpers 1.3 aber auch der Leiterplatte 1.31 reduziert werden können, wenn eine Vergussmasse 4 verwendet wird. Offenbar stellt die Motorwelle 5.2 eine Wärmequelle dar, durch die über die Welle 2.1 Wärme in die Winkelmesseinrichtung geleitet wird. Dagegen kann das Maschinenteil 5.1 , also etwa das Motorgehäuse, als Wärmesenke verstanden werden. Durch die Vergussmasse 4 wird nun der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem Maschinenteil 5.1 und der Welle 2.1 reduziert, was zu einer Temperaturabsenkung in der Winkelmesseinrich- tung führt. Somit sind auch die elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte 1.31 weniger hohen Temperaturen ausgesetzt, was zu einem verbesserten Messverhalten der Winkelmesseinrichtung und zur Erhöhung der Lebensdauer führt. Entsprechend ist gemäß diesem Aspekt der Erfindung zwischen der Ausgleichskupplung 1.2 und dem Körper 1.3 des Stators 1 ein Element, z. B. in Form der Vergussmasse 4, angeordnet, welches zur Ableitung von Wärme aus dem Inneren der Winkelmesseinrichtung geeignet ist und sowohl mit der Ausgleichskupplung 1.2 als auch mit dem Körper 1.3 in Kontakt ist.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Figuren 4, 5 und 6 weist die Winkelmesseinrichtung am Stator 1 als ein Element mit schwingungsdämpfender Eigenschaft ein Formteil 4' auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Formteil 4' aus Polymermaterial, hier einem Elastomermaterial, hergestellt und am federnden Bauteil 1.21 der Ausgleichskupplung 1.2 befestigt, insbesondere verklebt. Dabei ist das Formteil 4' am federnden Bauteil 1.21 so befestigt, dass dieses mit axialem Überstand bezüglich des federnden Bauteils 1.21 angeordnet ist.
Das Formteil 4' ist, gemäß den Figuren 4 und 6 zwischen der Ausgleichs- kupplung 1.2, insbesondere zwischen dem federnden Bauteil 1.21 der Ausgleichskupplung 1.2 und dem Körper 1.3 angeordnet, wobei hier das in der Ansicht der Figur 4 größtenteils verdeckte Formteil 4' der Übersichtlichkeit halber schwarz dargestellt ist. Im eingebauten Zustand ist das Formteil 4' zumindest axial gegen den Körper 1.3 vorgespannt. Abweichend zu der in der Figur 5 dargestellten Ausführungsform kann zur Reduzierung der inneren Spannungen das Formteil 4' mit Ausnehmungen, beispielsweise mit radial orientierten Ausnehmungen ausgestaltet werden.
Somit kann auch durch die Bauart gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das Messverhalten, insbesondere die Messgenauigkeit der Winkelmessein- richtung verbessert werden.
Claims
1. Winkelmesseinrichtung umfassend einen Stator (1) und einen Rotor (2), wobei der Rotor (2) relativ zum Stator (1) drehbar angeordnet ist, und der Rotor (2)
- eine Welle (2.1) aufweist, an der eine Codescheibe (2.2) drehfest be- festigt ist, der Stator (1)
- einen Körper (1.3),
- eine Abtasteinrichtung (1.31) zur Abtastung der Codescheibe (2.2) und - eine Ausgleichskupplung (1.2) aufweist, wobei durch die Ausgleichskupplung (1.2) eine radial und axial elastische aber drehsteife Verbindung des Stators (1) mit einem Maschinenteil (5.1) herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausgleichskupplung (1.2) und dem Körper (1.3) ein EIe- ment (4; 4') angeordnet ist, welches sowohl mit der Ausgleichskupplung (1.2) als auch mit dem Körper (1.3) in Kontakt ist und eine schwin- gungsdämpfende Eigenschaft aufweist.
2. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) als eine Vergussmasse ausgestaltet ist.
3. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) als ein Formteil (4') ausgestaltet ist.
4. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4; 4') aus einem Polymermaterial hergestellt ist.
5. Wirikelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein Elastomer ist.
6. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein vernetztes Polymerma- terial ist.
7. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4; 4') Füllstoffe enthält.
8. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4; 4') viskoelastische Eigenschaften aufweist.
9. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4; 4') eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 ,75 W/(m K), insbesondere mehr als 2,0 W/(m K) aufweist.
10. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichskupplung (1.2) durch radiales Aufspreizen am Maschinenteil (5.1) klemmbar ist.
11. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichskupplung (1.2) aus ei- nem Metallwerkstoff hergestellt ist.
12. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichskupplung (1.2) ein federndes Bauteil
(1.21) und ein vergleichsweise starres Bauteil (1.22) aufweist, wobei das starre Bauteil (1.22) gegen das Maschinenteil (5.1) klemmbar ist.
13. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4; 4') sowohl in Kontakt mit dem Körper (1.3) als auch mit dem federnden Bauteil (1.21) und dem starren Bauteil
(1.22) ist.
14. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Bauteil (1.21) aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist.
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