DE20019639U1

DE20019639U1 - Bürstenloser Antriebsmotor mit integriertem Drehgeber

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Publication number: DE20019639U1
Application number: DE20019639U
Authority: DE
Original assignee: Landert Motoren AG
Current assignee: Landert Motoren AG
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2010-11-18

Description

DR.-InG. PETER RlEBLlNG

Dipl.-Ing.
EUROPEAN PATENT & TRADEMARK ATTORNEY

Postfach 3160
D-88113 Lindau (Bodensee) Telefon (08382) 78025 Telefon (08382) 9692-0 Telefax (08382) 78027 Telefax (08382) 9692-30 E-mail: Riebling@t-online.de

10.

16. November 2000 Anwaltsakte: 14426.3-L1180-58-nem

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Bürstenloser Antriebsmotor mit integriertem Drehgeber

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Gegenstand der Erfindung ist ein bürstenloser Antriebsmotor mit Drehgeber nach dem Oberbegriff des Schutzspruchs 1.

Ein derartiger Antriebsmotor ist bspw. mit einem Motor der Firma Yokogawa bekanntgeworden, der u.a. auch über die Firma Litton vertrieben wird. Dieser bürstenlose Antriebsmotor wird für Antriebsaufgaben im Werkzeugmaschinenbau, in der Fertigungstechnik, in der Robotik und für mittlere Drehmomente im Bereich von 4 Nm bis bspw. 500 Nm verwendet.

Hausanschrifi;··. ;·*·	. Bankkonten: · ·; J ; ;.. . · j JJ;	Postscheckkonto
Rennerle 10 · JJ"	.flySo-Vereinsiank Lirjdau (B)flr. iJ57ji8(BfiZ6oSe0290».,· .1.	München
D-88131 Lindau · ·	_#J.^olftsliaViliUe3au (B)Nf. 5>i220001BLZ 05&ugr;92&thgr;1&dgr;)	414848-808
	VAT-NR: DE 129020439	(BLZ 70010080)

Er wird bei Geschwindigkeiten von etwa 0,5 bis 5 Umdrehungen pro Sekunde eingesetzt und hat äußere Durchmesser im Bereich von etwa 100 mm bis 300 mm.

Die wiederholbare Schrittgenauigkeit liegt bei etwa +/-1 arc sec. 5

Derartige bürstenlose Antriebsmotoren mit integriertem Drehgeber haben sich bewährt.

Der bekannte Antriebsmotor weist hierbei die axiale Hintereinanderfolge der Teile Rotor-Antriebsteil-Lagerebene und Sensorebene auf.

Die genannten Ebenen und Teile sind also axial übereinander angeordnet und zwar in der oben stehenden Reihenfolge.

An dem sich drehendem Rotor greift hierbei ein Lastaufnahmemittel an, welches mit dem Rotor drehfest verbunden ist. Über dieses Lastaufnahmemittel wird also die Last auf den Rotor übertragen, der seinerseits über die Lagerebene dreht und jenseits der Lagerebene die Sensorebene angeordnet ist.

Wenn nun eine entsprechende Last auf den Rotor angreift, dann entwickelt dieser Rotor ein relativ hohes Kippmoment, weil die Last zunächst über die gesamte axiale Länge des Rotors auf das Lager eingeleitet wird und erst in axialer Richtung hinter dem Lager die Sensorebene des Drehgebers angeordnet ist.

Der dergestalt aufgebaute Motor mit integriertem Drehgeber hat also den Nachteil, daß der Drehgeber ein relativ hohes Kippmoment vom Rotor erfährt, weil die gesamte Last des Lastaufnahmemittels über den Rotor auf die Lager und von dort erst jenseits der Lager auf den Sensor übertragen wird.

Die absolute Genauigkeit des Drehgebers liegt deshalb etwa lediglich bei +/- 5 arc sec mit einer Wiederholgenauigkeit von +/-1 arc sec.

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen bürstenlosen Universalmotor mit integriertem Drehgeber der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine wesentlich höhere Schrittgenauigkeit des Drehgebers mit einer besseren Wiederholgenauigkeit bei etwa gleichen Antriebsdaten gegeben ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Schutzanspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß nun ausgehend von dem Lastbereich am Rotor (Rotordeckel) unmittelbar unter dem Rotor die Sensorebene für den Drehgeber angeordnet ist und sich in axialer Richtung an diese Sensorebene nun unmittelbar die Lagerebene für die Drehlagerung des Rotors anschließt und erst danach in axialer Richtung sich der Antriebsteil für den Rotor anschließt.

Es wird also erfmdungsgemäss eine andere Abfolge der genannten Teile beansprucht, nämlich von der Lastaufnahme des Rotors ausgehend eine unmittelbar in axialer Richtung dahinter angeordnete Sensorebene, die direkt vor der Lagerebene angeordnet ist, an die sich in axialer Richtung der Antriebsteil anschließt.

Dies ist ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik, denn beim Stand der Technik war die eingangs genannte Abfolge gegeben, die mit dem Nachteil behaftet war, daß die Last über die gesamte Rotorlänge übertragen wurde und dieser in axialer Richtung (weit) entfernt von dem Lastaufnahmemittel in der Lagerebene gelagert war.

Erst jenseits der Lagerebene (in axialer Richtung) war die Sensorebene angeordnet. Dies bedeutete im Stand der Technik, daß die Sensorebene relativ weit entfernt von dem Lastaufnahmemittel am Rotor entfernt war.
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Hier setzt die Erfindung ein, die vorsieht, daß das Lastaufnahmemittel am Rotor unmittelbar direkt benachbart an der Sensorebene liegt und die Sensorebene

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ihrerseits unmittelbar vor der Lagerebene angeordnet ist, so daß evtl. auf die Rotorglocke einwirkende Kippmomente die Sensorebene nur wenig oder gar nicht beeinflussen.

Diese Kippmomente werden also nicht über die gesamte Länge der Rotorglocke auf die Sensorebene übertragen, sondern auf kürzestem Wege, wie es die Erfindung vorsieht.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß statt des üblichen Antriebsmotors mit in axialer Richtung gerichteten Statorwicklungen statt dessen eine Transversalflußmaschine vorgesehen wird.

Die Anordnung einer Transversalflußmaschine hat den Vorteil, daß höhere Drehmomente bei höheren Drehzahlen, gleichem Raumvolumen und vergleichbaren Leistungen erreicht werden können.

Es ist damit nun erstmals möglich, wegen der höheren Drehzahlen auch höhere Taktzahlen zur Betätigung der entsprechenden Maschine zu erreichen, was vorher nicht möglich war.

Wichtig bei der Erfindung ist also, daß die Last nicht über die glockenförmige Rotorglocke auf den Rotor eingeleitet wird und ein entsprechendes Kippmoment auf die Rotorglocke ausübt, sondern daß das Lastaufnahmemittel unmittelbar an der Stirnseite des Rotors ansetzt und unmittelbar an dieser Ebene und unterhalb dieser Ebene die Sensorebene für den Drehgeber angeordnet ist. Ein eventuelles Verkippen der Rotorglocke wird dann nicht mehr der Sensorebene in der nachteiligen Form als die Schrittgenauigkeit beeinflussende Fehlergröße mitgeteilt, so wie es beim Stand der Technik bekannt ist und hingenommen wird.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß statt eines optischen Sensors im Drehgeber ein magnetoresistiver Sensor verwendet wird. Damit können höhere Auflösungen erzielt werden als vergleichsweise bei optisch wirkenden Sensoren.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß es nun erstmals möglich ist, im Drehgeber selbst Speicherelemente vorzusehen, mit denen es möglich ist, bestimmte Motorparameter in diesen Speicherelementen abzuspeichern.

Hierzu sind unmittelbar auf dem feststehenden Lagering des Drehgebers entsprechende Leiterplatten befestigt, auf denen entsprechende Speicherelemente angeordnet sind. Derartige Speicherelemente können sein EPROMs oder auch EEPROMs.

Selbstverständlich sind auch alle anderen bekannten, digitalen Speicher hierfür geeignet.

Wichtig ist also, daß der kleinbauende Universalmotor trotzdem in seinem Ringraum unterhalb der drehenden Rotorglocke Platz läßt für einen Drehgeber, in dem sogar ortsfeste Leiterplatten am Umfang verteilt angeordnet sind und auf denen entsprechende Schaltungskomponenten integriert sind.

Von weiterem Vorteil ist die Ausbildung des Meßrades des Drehgebers als Maßverkörperung aus Messing mit einer Oberflächenbeschichtung aus Kobalt. Diese Beschichtung hat sehr gute hartmagnetische Eigenschaften und ist außerdem mechanisch sehr hart.

Auf dieser Kobaltbeschichtung werden vier parallele, magnetisierte Spuren von jeweils ca. 250 Mikrometer Länge abwechselnd in Form von Nord- und Südpolen aufgebracht, deren Phasenlagen zueinander sich stetig verändern.

Der Abtastblock besteht aus vier magnetoresistiven Vollbrücken zur Abtastung der Magnetspuren des Maßstabs. Eine Signalaufbereitung und Auswertung inklusive einer zugeordneten Schnittstelle ist unmittelbar auf den Leiterplatten am ortsfesten Teil des Drehgebers integriert.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellende Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Figur 1: Schnitt durch eine Ausführung eines Universalmotors nach der Erfindung;

Figur 2: Schnitt durch den Universalmotor nach Figur 1, jedoch mit vereinfachter Darstellung durch Weglassung bestimmter Teile;

1 Figur 3: die Draufsicht auf den Statorteil bei entferntem Rotordeckel;

Figur 4: die Draufsicht auf den Rotordeckel;
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Figur 5: perspektivische Darstellung des Drehgebers.

Der Universalmotor ist in den Figuren 1 und 2 schematisiert dargestellt.

Eine Statorbohrung 1 ist in einer Statorbüchse 2 eingearbeitet, die das Statorpaket 3 trägt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist statt der hohlen Statorbüchse 2 eine Vollwelle vorgesehen, welche also keine axiale Statorbohrung 1^; gemäß Figur 1 und 2 aufweist. Die hohle Statorbüchse 2 benötigt im Vergleich zur Vollwellen-Ausführung eine geringere Energiezufuhr, jedoch einen erhöhten Fertigungsaufwand, bietet aber die Möglichkeit der Durchführung insbesondere elektrischer Leitungen bei z.B. Montageautomaten. Hingegen ist die Vollwelle kostengünstiger und weist eine höhere Laufruhe bei erhöhtem Energieaufwand auf.

Diese Statorbüchse 2 kann ebenso wie die Vollwellen-Ausführung einen Außendurchmesser von über 50 mm besitzen, was beim Stand der Technik bisher aufgrund hoher Kosten nur mit Resolver-Drehgeber mit reduzierter Genauigkeit und nicht mit hoch auflösenden SinCos (magnetoresistiver) Drehgeber möglich war. ,

Aus Vereinfachungsgründen ist das aktive Statorteil in Figur 2 schematisiert dargestellt, während in Figur 1 das Statorpaket 3 als 2-phasiges Statorpaket einer Tranversalflußmaschine dargestellt ist.
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Jeder der beiden Flußwicklungen in Figur 1 des Statorpaketes 3 sind einer Reihe von Magnetstäben 36 zugeordnet, die gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet sind die radial außen von Kurzschlußblechen 37 eingefaßt sind.

Der Stator 2, 3 wird von einem glockenförmigen Rotor 4 umgeben, der drehend auf der Statorbüchse 2 aufgesetzt ist und lediglich von einem ringförmigen Kreuzrollenlager 8 getragen wird.

Die Magnetstäbe 36 und die Kurzschlußbleche 37 sind Teil des Rotors, während dem Stator lediglich der mit 3 bezeichnete Teil des Statorpaketes zugeordnet ist.

Der Rotor 4 ist aus montagetechnischen Gründen zweigeteilt. Er besteht aus einem hülsenförmigen Rotorunterteil 5 und aus einem darauf angesetzten Rotordeckel 6, wobei die beiden Teile über eine Trennfuge 7 miteinander verbunden sind, wobei im Bereich der Trennfuge nun das umlaufende Kreuzrollenlager 8 angeordnet ist.

Die beiden Teile 5, 6 werden durch die Verschraubungen 28 verbunden, die in Figur 4 den Rotordeckel 6 durchgreifen.

Der Rotor 4 bildet eine obere Rotorbohrung 10 aus, in welche z. B. ein lastübertragendes Teil eingreifen kann.

In einer anderen Ausgestaltung - siehe Figur 4 - ist ein Antriebsteil über Schrauben welche in die Gewindebohrungen 27 eingreifen mit dem Rotordeckel 6 drehfest verbunden. Der Rotordeckel 6 treibt also über diese lastübertragende Verbindung das Teil an, welches eine entsprechende Last auf den Rotordeckel 6 ausübt.

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Zur Abdichtung des Rotordeckels an der Statorbüchse 2 ist eine Dichtung 11 vorgesehen.

Neuerungsgemäss ist nun im Innenraum des Rotordeckels 6 ein umlaufender Ringraum 13 vorgesehen in dem der Drehgeber gemäss Figur 5 angeordnet ist.

Die Trennung zwischen Rotor 4 und Stator 1, 2 ist im übrigen durch einen Trennspalt 12 gemäss Figur 2 gegeben.

Der Drehgeber ist also unter Beanspruchung eines geringen Raumbedarfes in dem Ringraum 13 angeordnet und besteht im wesentlichen aus einem unteren, feststehenden Lagering 14, der über Schrauben 15 an zugeordneten Lagerflächen 16 des Stators stirnseitig befestigt ist.
Am Umfang des Lagerings 14 sind hierbei drei verschiedene Teile befestigt. Es sind zwei Leiterplatten 17, 18 befestigt, die über entsprechende Signalverbindungen miteinander verbunden sind und auf denen elektrische Komponenten und Speicherbausteine enthalten sind.

Ferner ist ein Abtastblock 19 auf dem Lagering 14 befestigt. Der Abtastblock 19 ist hierbei einseitig mit einer Paßschraube 22 auf dem Lagering 14 befestigt, während die gegenüberliegende Seite in radialer Richtung einstellbar und feststellbar ausgebildet ist.

Zur Einstellung des Abtastblockes 19 in Bezug zu dem innen, umlaufenden Meßrad 20 ist zunächst eine Einstellschraube 23 vorgesehen, die als Exzenterschraube ausgebildet ist und die sich exzentrisch an dem Lagering 14 abstützt.

Eine einmal gewählte Einstellung des Abtastblockes 19 in radialer Richtung wird dann mit der Klemmschraube 24 festgesetzt.
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Der Abtastblock 19 ist also in den Pfeilrichtungen 38 einstellbar und feststellbar auf dem Lagering 14 befestigt.

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Innen umlaufend ist ein Meßrad 20 vorgesehen, welches aus Messing besteht und welches wie vorher im allgemeinen Beschreibungsteil beschriebenen Kobaltbeschichtung trägt.
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Dieses Meßrad läuft bspw. in Pfeilrichtung 21 um.

Um den Abtastblock 19 mit den Einstellschrauben 22, 24 betätigen zu können ist im Rotordeckel eine Zugangsöffnung 26 vorgesehen, so daß bei einer bestimmten Drehlage des Rotordeckels die Einstellanordnung des Abtastblockes 19 frei von oben her zugänglich ist und leicht einstellbar ausgebildet ist.

In Figur 3 ist die Draufsicht auf den Geber schematisiert dargestellt, wo erkennbar ist, daß die einzelnen Teile 17,18,19 durch entsprechende Kabel 25 miteinander verbunden sind.
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Das mehradrige Kabel 25 kann dann durch eine entsprechende, sich in axialer Richtung erstreckende und durch den Stator greifende Statoröffnung 39 nach außen geführt werden.

Das in Pfeiirichtung 21 umlaufende Meßrad 20 trägt an seiner Stirnseite mehrere Bohrungen 35, in welche zugeordnete Schrauben 34 eingreifen, die im Rotordeckel 6 verankert sind.

Wichtig bei der Erfindung ist nun die Hintereinanderfolge von Antriebsteil 30, der sich axial daran anschließenden Lagerebene 31, der sich daran anschließenden Sensorebene 32 und dem sich daran in axialer Richtung anschließenden Lastbereich 33.

Es ergibt sich nämlich der Vorteil, daß der Lastbereich 33 unmittelbar an der Stirnseite der Rotorglocke angreift und das unmittelbar unter dieser Rotorglocke die Sensorebene 32 mit dem Ringraum 13 für die Aufnahme des Drehgebers nach Figur 5 angeordnet ist. In axialer Richtung dahinter folgt sofort die Lagerebene 31 für das

genannte Kreuzrollenlager, so daß evtl. auf die Rotorglocke einwirkende Kippmomente nur sich wenig auf die Sensorebene 32 auswirken, weil die Lagerebene 31 unmittelbar an die Sensorebene 32 in axialer Richtung anschließt. Derartige Kippmomente werden im übrigen auch von der unmittelbar sich daran anschließenden Lagerebene 31 aufgenommen, so daß also der Rotor gegen Verkippen in optimaler Weise gelagert ist. Dies war beim Stand der Technik nicht der Fall.

Erst jenseits der Lagerebene 31 schließt sich dann der Antriebsteil 30 an, der zum Drehantrieb des Rotors 4 bestimmt ist.

Es wurde bereits schon darauf hingewiesen, daß das Transversalflußprinzip ein bevorzugtes Antriebsprinzip der Erfindung ist, die Erfindung hierauf aber nicht beschränkt ist. Es können sämtliche andere Antriebsprinzipien verwendet werden, wesentlich bei der Erfindung ist nur, daß sich axial an das Antriebsteil 30 unmittelbar die Lagerebene 31 anschließt, daran axial die Sensorebene 32 und daran axial der Lastbereich 33.

Durch die Verwendung einer magnetoresistiven Sensorik werden zunächst einmal bessere Absolutwerte des Drehgebers erreicht als im Stand der Technik. Durch die verkippungssichere Lagerung des Rotors werden diese Werte nochmals verbessert, insbesondere aber auch die Wiederholbarkeit des Schrittwinkels.

Aufgrund der Möglichkeit der Anordnung von Speichermitteln im Drehgeber (siehe Leiterplatten 17, 18) ist es nun erstmals möglich auch die Motordaten in dem Drehgeber zu speichern und damit eine feste Zuordnung von Steuerung und Motor zu vermeiden. Jeder Steuerung ist also ein entsprechender Motor zugeordnet. Wird ein neuer Motor an die Steuerung angeschlossen, dann liest diese zunächst einmal die im Drehgeber gespeicherten Motordaten aus, um sich so auf den neuen Motor einzustellen. Es bedarf keiner Kalibrierung und keiner Meßvorgänge, weil aufgrund der im Drehgeber gespeicherten Motordaten jeder Motor individuell an die Steuerung angeschlossen wird und von der Steuerung als solche erkannt wird.

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	Zeichnunqsleaende
1 Statorbohrung	21 Pfeil richtung
2 Statorbüchse	22 Paßschraube
3 Statorpaket	23 Einstellschraube
4 Rotor	24 Klemmschraube
5 Rotorunterteil	25 Kabel
6 Rotordeckel	26 Zugangsöffnung
7 Trennfuge	27 Gewindebohrungen
8 Kreuzrollenlager	28 Verschraubung
9 Drehgeber	29 -
10 Rotorbohrung	30 Antriebsteil
11 Dichtung	31 Lagerebene
12 Trennspalt	32 Sensorebene
13 Ringraum	33 Lastbereich
14 Lagering (Geber)	34 Schraube
15 Schrauben	35 Bohrung
16 Lagerfläche	36 Magnetstab
17 Leiterplatte	37 Kurzschlußbleche
18 Leiterplatte	38 Pfeilrichtung
19 Abtastblock	39 Statoröffnung
20 Meßrad

Claims

1. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9), beinhaltend einen Stator (2, 3) und einen über ein Lager (8) an diesem drehbar gelagerten Rotor (4), wobei an den Antriebsmotor eine Last ankoppelbar ist, und wobei der Stator (2, 3) und der Rotor (4) sich mindestens teilweise innerhalb eines Antriebsbereiches (30) befinden, das Lager (8) sich mindestens teilweise innerhalb eines Lagerbereiches (31), der Drehgeber (9) sich mindestens teilweise innerhalb einer Sensorbereiches (32) und die Ankoppelung der Last sich mindestens teilweise innerhalb eines Lastbereiches (33) befindet und die Bereiche (30-33) axial aufeinander folgend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich axial an den Antriebsbereich (30) der Lagerbereich (31) anschließt, daran axial der Sensorbereich (31) und daran axial der Lastbereich (32).

2. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor mit in axialer Richtung gerichteten Statorwicklungen des Statorpaketes (3) versehen ist.

3. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotors als Transversalflußmaschine ausgebildet ist.

4. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (8) ein Kreuzrollenlager ist.

5. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) ein Rotorunterteil (5) und einen daran angebrachten Rotordeckel (6) beinhaltet, welcher Rotordeckel (6) sich in die Sensorebene (32) des Drehgebers (9) hinein erstreckt und die Last unmittelbar an der Stirnseite des Rotordeckels (6) ansetzt.

6. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeber (9) ein magnetoresistiver Sensor ist.

7. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Drehgebers (9) elektronische Speicherelemente vorgesehen sind, in welchen mindestens bestimmte Motorparameter speicherbar sind.

8. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente EPROMs und/oder EEPROMs sind.

9. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeber (9) mindestens ein Meßrad (20) und mindestens einen Abtastblock (19) beinhaltet.

10. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrad (20) des Drehgebers (9) aus einem Grundkörper aus Messing besteht, welcher mindestens teilweise eine Oberflächenbeschichtung aus Kobalt besitzt.

11. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Meßrades (20) des Drehgebers (9) parallele, magnetisierte Spuren abwechselnd in Form von Nord- und Südpolen aufgebracht sind, deren Phasenlagen zueinander sich stetig verändern.

12. Bürstenlosen Antriebsmotor mit Drehgeber (9) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Der Abtastblock (19) aus magnetoresistiven Vollbrücken zur Abtastung der Magnetspuren des Maßstabs besteht.