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Motor mit einer drehbaren Welle und einer optischen Erfassungseinheit - Dokument DE102006022140A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006022140A1 15.11.2007
Titel Motor mit einer drehbaren Welle und einer optischen Erfassungseinheit
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Eckert, Rainer, 97616 Bad Neustadt, DE;
Frank, Manfred, 97711 Maßbach, DE;
Reimann, Christian, 97616 Bad Neustadt, DE;
Zisler, Michael, 97717 Euerdorf, DE
DE-Anmeldedatum 11.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006022140
Offenlegungstag 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H02K 29/10(2006.01)A, F, I, 20060511, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 11/00(2006.01)A, L, I, 20060511, B, H, DE   
Zusammenfassung Der Motor (17) hat eine drehbare Welle (3, 9) und eine optische Erfassungseinheit (18) zur Erfassung einer Drehbewegung der Welle (3, 9). Die Erfassungseinheit (18) umfasst eine Lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Abfrage-Lichtsignals (E), an der Welle (3, 9) angebrachte und mit dem Abfrage-Lichtsignal (E) bestrahlte Wechselwirkungsmittel (11) sowie zumindest einen Lichtdetektor (16) zum Empfang eines aufgrund der Bestrahlung der Wechselwirkungsmittel (11) hervorgerufenen Antwort-Lichtsignals (A). Die Wechselwirkungsmittel (11) sind innerhalb und der Lichtdetektor (16) außerhalb eines Motorgehäuses (2) angeordnet. Ein zwischen den Wechselwirkungsmitteln (11) und dem Lichtdetektor (16) verlaufender Ausgangs-Lichtwellenleiter (14) ist zur Übertragung des Antwort-Lichtsignals (A) von den Wechselwirkungsmitteln (11) zu dem Lichtdetektor (16) vorgesehen. Dadurch wird das EMV-Verhalten verbessert und die Baugröße verringert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Motor mit einer drehbaren Welle und einer optischen Erfassungseinheit zur Erfassung einer Drehbewegung der Welle.

Bei einem derartigen Motor handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor, beispielsweise einen Synchron-Servomotor. Die optische Erfassungseinheit ist als hochgenauer optischer Geber ausgebildet, der z.B. eine an der Welle angebrachte mit drehende Glasscheibe sowie eine am Ständer des Motors angebrachte fest stehende Elektronikteileinheit umfasst. Die mit Strichmarkierungen versehene Glasscheibe wird mit einem von einer Leuchtdiode erzeugten Abfrage-Lichtsignal bestrahlt. Das passierende Licht wird als Antwort-Lichtsignal von einer oder mehreren Photodiode/n empfangen und in ein elektrisches Antwortsignal gewandelt, das in der Elektronikteileinheit aufbereitet wird. Die Leuchtdiode und die Photodiode sind Bestandteile der innerhalb des Motors angeordneten Elektronikteileinheit. Letztere ist mit bis zu fünfzehn elektrischen Leitungen an eine außerhalb des Motors angeordnete Auswerteelektronik angeschlossen.

Die Signalaufbereitung im Motor und die elektrische Signalführung zur externen Auswerteelektronik sind aufwändig und kostenträchtig. Die Elektronikkomponenten sind im Motorinnenraum hohen Rüttel-, Schock-, und Temperaturbelastungen ausgesetzt, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit steigt. Eine Reparatur dieser nur äußerst schwer zugänglichen Elektronikkomponenten ist praktisch nicht zu realisieren. Weiterhin ist die EMV-Belastung im Motorinnenraum sehr hoch. Die Schutzmaßnahmen z.B. in Gestalt eines gesonderten Metallgehäuses oder eines elektromagnetisch abgeschirmten Teilraums im Motor sind ebenfalls aufwändig. Aufgrund der integrierten Elektronikkomponenten erhöht sich außerdem die Baugröße des Motors.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Motor der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der eine störungsunempfindliche Erfassung der Drehbewegung der Welle ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Motor handelt es sich um einen solchen, bei dem

  • a) die Erfassungseinheit eine erste elektrooptische Komponente zur Erzeugung eines Abfrage-Lichtsignals, an der Welle angebrachte und mit dem Abfrage-Lichtsignal bestrahlte Wechselwirkungsmittel sowie mindestens eine zweite elektrooptische Komponente zum Empfang eines aufgrund der Bestrahlung der Wechselwirkungsmittel hervorgerufenen Antwort-Lichtsignals umfasst,
  • b) die Wechselwirkungsmittel innerhalb und mindestens eine der elektrooptischen Komponenten außerhalb eines Motorgehäuses angeordnet sind, und
  • c) ein zwischen den Wechselwirkungsmitteln und der außerhalb des Motorgehäuses angeordneten elektrooptischen Komponente verlaufender erster Lichtwellenleiter zur Übertragung des Abfrage- oder des Antwort-Lichtsignals von den Wechselwirkungsmitteln zu der außerhalb des Motorgehäuses angeordneten elektrooptischen Komponente vorgesehen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist zumindest ein Teil der zur Messwerterfassung und -auswertung benötigten (Opto-)Elektronikkomponenten in den Motoraußenraum verlagert. Dadurch werden Probleme wie hohe Rüttel-, Schock-, Temperatur- und EMV-Belastungen von vornherein vermieden. Es sind somit keine aufwändigen Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Die Verlagerung wird insbesondere durch die erfindungsgemäß vorgesehene optische Übertragung des Abfrage- oder Antwort-Lichtsignals mittels des ersten Lichtwellenleiters ermöglicht. Die Übertragung erfolgt dabei weitestgehend störungsfrei und vor allem unbehelligt durch die EMV-Strahlung innerhalb des Motors. Die Verlagerung von Komponenten in den Außenraum führt außerdem zu einer kürzeren Baulänge des Motors. Die Baugröße verringert sich. Insgesamt lässt sich der erfindungsgemäße Motor inklusive der Erfassungseinheit sehr preiswert realisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Motors ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der alle elektrooptischen Komponenten außerhalb des Motorgehäuses angeordnet sind, und insbesondere ein zweiter zwischen den elektrooptischen Komponenten und den Wechselwirkungsmitteln verlaufender Lichtwellenleiter vorgesehen ist, wobei der eine der beiden Lichtwellenleiter zur Übertragung des Abfrage-Lichtsignals und der andere zur Übertragung des Antwort-Lichtsignals vorgesehen ist. Dadurch werden weitere (Opto-)Elektronikkomponenten aus dem Motorinnenraum verlagert.

Ebenso ist es möglich, dass alle elektrooptischen Komponenten außerhalb des Motorgehäuses angeordnet sind und der erste Lichtwellenleiter zur Übertragung sowohl des Abfrage-Lichtsignals als des Antwort-Lichtsignals vorgesehen ist. Dadurch lässt sich ein Lichtwellenleiter einsparen. Der vorhandene Lichtwellenleiter wird dann sowohl zum Einspeisen als auch zum Auslesen verwendet. Dies ist insbesondere bei einem Pulsbetrieb vorteilhaft. Außerdem lässt sich diese Variante vorzugsweise dann einsetzen, wenn an den Wechselwirkungsmitteln eine Reflektion des eingestrahlten Abfrage-Lichtsignals stattfindet.

Gemäß einer anderen günstigen Variante sind zwischen den Wechselwirkungsmitteln einerseits und dem ersten und/oder zweiten Lichtwellenleiter andererseits optische Strahlformungsmittel angeordnet. Bei diesen Strahlformungs- oder Koppelmitteln kann es sich insbesondere um optische Linsen handeln. Sie erhöhen den Ein- bzw. Auskoppelwirkungsgrad. Man erhält dann einen höheren Signalpegel, sodass sich die Auswertung erleichtert. Andererseits könnte man aber auch mit einer niedrigeren optischen Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Abfrage-Lichtsignals arbeiten, wodurch sich die Kosten weiter reduzieren lassen.

Vorzugsweise ist es weiterhin vorgesehen, dass der erste oder der zweite Lichtwellenleiter mittels eines Leistungssteckers in das Motorgehäuse geführt ist. Selbstverständlich können auch beide Lichtwellenleiter so in das oder aus dem Motorgehäuse hinein- bzw. herausgeführt werden. Der Leistungsstecker ist insbesondere bei einem Elektromotor ohnehin vorhanden. Er dient insbesondere zum Anschluss der Motorwicklungen an das elektrische Netz mittels eines Um- oder Wechselrichters und umfasst Durchführungen für die dazu benötigten elektrischen Leistungszuleitungen. Verglichen mit diesen elektrischen Leistungszuleitungen haben die Lichtwellenleiter einen deutlich kleineren Querschnitt, sodass sie sich ohne weiteres mit in den Leistungsstecker integrieren lassen. Dann kann ein gesonderter Signalstecker für die Lichtwellenleiter entfallen. Dies führt zu einer Kostensenkung.

Günstig ist außerdem eine Variante, bei der die Erfassungseinheit eine Auswerte-Teileinheit umfasst, und die Auswerte-Teileinheit außen am Motorgehäuse angeordnet ist. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn am Motor oder motornah ohnehin eine andere Elektronikeinheit vorhanden ist, in die die Auswerte-Teileinheit der Erfassungseinheit problemlos mit integriert werden kann. Bei der anderen Elektronikeinheit kann es sich z.B. um eine Steuereinheit des Motors und/oder um einen Analog/Digital-Wandler handeln. Die bereits vorhandenen Elektronikkomponenten können dann zumindest teilweise auch für die in der Auswerte-Teileinheit anfallenden Aufgaben verwendet werden. Dies erhöht die Effizienz.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Motors mit einer einen Ausgangs-Lichtwellenleiter umfassenden Erfassungseinheit,

2 ein Ausführungsbeispiel eines Motors mit einer einen Eingangs-Lichtwellenleiter und einen Ausgangs-Lichtwellenleiter umfassenden Erfassungseinheit,

3 ein Ausführungsbeispiel eines Motors mit einer Erfassungseinheit gemäß 2, bei der die beiden Lichtwellenleiter durch einen Leistungsstecker in den Motor geführt sind, und

4 ein Ausführungsbeispiel eines Motors mit einer Erfassungseinheit gemäß 2, deren Auswerte-Teileinheit außen am Motorgehäuse angeordnet ist.

Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Motors 1 in einer Ausführungsform als Elektromotor, insbesondere als elektrischer Synchron-Servomotor schematisch dargestellt. Die Hauptkomponenten des Motors 1 sind in einem Motorgehäuse 2 untergebracht und aus der Darstellung gemäß 1 nicht ersichtlich. Eine (dreh)antreibbare Welle 3 reicht an einer ersten axialen Stirnseite 4 des Motors 1 aus dem Motorgehäuse 2 heraus, um sie mechanisch an eine anzutreibende in 1 nicht gezeigte Komponente anzuschließen. Die Ausgestaltung dieser anzutreibenden Komponente hängt vom Anwendungsfall ab. Elektrische Leistungszuleitungen 5 des Motors 1 sind mittels eines Leistungssteckers 6 durch die Wand des Motorgehäuses 2 in einen Motorinnenraum geführt. Dort sind sie elektrisch an nicht näher gezeigte Ständerwicklungen angeschlossen.

An einer zweiten axialen Stirnseite 7 des Motors 1 ist eine zumindest teilweise innerhalb des Motorgehäuses 2 untergebrachte Erfassungseinheit 8 zur Erfassung der Drehzahl und/oder des Drehmoments der Welle 3 angeordnet. Die Erfassungseinheit 8 kann auch als Geber bezeichnet werden. Die Welle 3 ist mechanisch mit einer Geberwelle 9 verbunden, die synchron mit der Welle 3 rotiert und die sich an der Stirnseite 7 in den Bereich des Motorgehäuses 2 erstreckt, in dem sich auch die übrigen innerhalb des Motorgehäuses 2 angeordneten Komponenten der Erfassungseinheit 8 befinden. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass sich anstelle der Geberwelle 9 unmittelbar die Welle 3 in den genannten Bereich des Motorgehäuses 2 erstreckt. Ebenso kann anstelle des einzigen, alle Komponenten aufnehmenden Motorgehäuses 2 eine Zweiteilung in ein erstes Gehäuse für die Motorhauptkomponenten, wie Ständer, Wicklungen und Läufer, und ein daran angefügtes zweites Gebergehäuse vorgesehen sein.

Die Erfassungseinheit 8 basiert auf einem optischen Prinzip. Sie umfasst innerhalb des Motorgehäuses 2 eine als Leuchtdiode ausgeführte Lichtquelle 10, eine an der Geberwelle 9 angebrachte und mit Strichmarkierungen versehene Geberscheibe 11 aus lichtdurchlässigem Glas, optische Koppelmittel 12 umfassend eine Einkoppellinse sowie einen mittels eines Signalsteckers 13 aus dem Motorgehäuse 2 herausgeführten Ausgangs-Lichtwellenleiter 14, der an eine externe Auswerte-Teileinheit 15 angeschlossen ist. Die Auswerte-Teileinheit 15 ist ebenfalls Bestandteil der Erfassungseinheit 8. Sie enthält einen als Photodiode ausgeführten Lichtdetektor 16. Die Lichtquelle 10 und der Lichtdetektor 16 sind elektrooptische Komponenten.

Grundsätzlich können auch mehrere Lichtdetektoren vorgesehen sein, wobei dann insbesondere jedem Lichtdetektor ein eigener aus dem Motorgehäuse 2 herausgeführter Ausgangs-Lichtwellenleiter zugeordnet ist.

Im Folgenden werden die Funktionsweise und besondere Vorteile des Motors 1 sowie der Erfassungseinheit 8 näher beschrieben.

Die Lichtquelle 10 erzeugt ein Abfrage-Lichtsignal E, das als Freilichtstrahl auf die mit der Geberwelle 9 mit rotierende Geberscheibe 11 gerichtet wird. Je nach der aktuellen Drehgeschwindigkeit, mit der sich auch die Strichmarkierungen der Geberscheibe 11 am Ort des Auftreffens der Abfrage-Lichtsignals E auf der Geberscheibe 11 vorbeibewegen, passiert ein Teil des Abfrage-Lichtsignals E die Geberscheibe 11, um auf der von der Lichtquelle 10 abgewandten Seite der Geberscheibe 11 als Antwort-Lichtsignal A in Erscheinung zu treten. Die Drehbewegungen der Strichmarkierungen bewirken im Antwort-Lichtsignal A einen charakteristischen und auswertbaren Signalverlauf. Die Geberscheibe 11 ist also ein Wechselwirkungsmittel, das das Antwort-Lichtsignal A in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit beeinflusst.

Das Antwort-Lichtsignal A wird mittels der optischen Koppelmittel 12 in den Ausgangs-Lichtwellenleiter 14 eingespeist und in diesem zur Auswerte-Teileinheit 15 geführt. Dort empfängt der Lichtdetektor 16 das ankommende Antwort-Lichtsignal A und wandelt es in ein weiter verarbeitbares elektrisches Signal um. Nach der anschließenden Auswertung steht am Ausgang der Auswerte-Teileinheit 15 ein elektrisches Ausgangssignal S mit einer Information über die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Welle 3 zur Verfügung, das je nach Bedarf als Eingangsgröße einer nicht gezeigten Steuer- oder Regeleinheit verwendet werden kann.

Aufgrund der optischen Übertragung des Antwort-Lichtsignals A in den Außenraum des Motors 1 kann zumindest ein Teil der ansonsten innerhalb des Motorgehäuses 2 vorgesehenen elektronischen Komponenten in den Außenraum verlagert werden. Dadurch sinkt die Störanfälligkeit, wobei zugleich der Aufwand für die Schutzmaßnahmen im Motor-Innenraum reduziert werden kann.

In 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Motors 17 mit einer Erfassungseinheit 18 gezeigt. Der Hauptunterschied zum Motor 1 besteht darin, dass die Lichtquelle 10 nicht innerhalb des Motorgehäuses 2, sondern wie auch der Lichtdetektor 16 in einer externen Auswerte-Teileinheit 19 der Erfassungseineinheit 18 angeordnet ist. Zur Zuführung des Abfrage-Lichtsignals E zur Geberscheibe 11 ist ein zwischen der Auswerte-Teileinheit 19 und dem Inneren des Motorgehäuses 2 verlaufender Eingangs-Lichtwellenleiter 20 vorgesehen. Am der Geberscheibe 11 zugewandten Ende des Eingangs-Lichtwellenleiters 20 sind außerdem optische Koppelmittel 21 in Form einer Einkoppellinse angeordnet.

In der Auswerte-Teileinheit 19 erfolgt die optische Einkopplung in den Eingangs-Lichtwellenleiter 21 ebenso wie die Auskopplung aus dem Ausgangs-Lichtwellenleiter 14 mittels optischer Leiterbahnen, die zusammen mit elektrischen Leiterbahnen in eine Hybrid-Leiterplatte integriert sind. Damit ist eine sehr genaue Lagejustage der optischen Ein- und Ausgänge möglich.

Der Aufbau des Motors 17 zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Erfassungseinheit 18 keine oder nur wenige – dann allerdings EMV-unkritische – innerhalb des Motorgehäuses 2 angeordneten elektronischen Komponenten enthält. Mit den beiden Lichtwellenleitern 14 und 20 sowie den Koppelmitteln 12 und 21 sind dort lediglich optische Komponenten vorhanden, die sich durch eine sehr hohe Resistenz gegenüber EMV-Störungen auszeichnen. Damit erübrigen sich aufwändige und ansonsten erforderliche EMV-Abschirmmaßnahmen. Außerdem ist der Platzbedarf der optischen Komponenten sehr gering, sodass der für die Erfassungseinheit 18 innerhalb des Motorgehäuses 2 bereitzustellende Bauraum stark verkleinert werden kann. Im Extremfall kann gegebenenfalls sogar komplett auf einen gesondert für die Erfassungseinheit 18 ausgewiesenen Bauraum verzichtet werden.

Ein in 3 gezeigtes Ausführungsbeispiel eines Motors 22 ist eine Abwandlung des Motors 17. Die beiden Lichtwellenleitern 14 und 20 sind zusammen mit den elektrischen Leistungszuleitungen 5 mittels eines modifizierten Leistungssteckers 23 in das Motorgehäuse 2 eingeführt. Auf diese Weise lässt sich der bei den Motoren 1 und 17 vorgesehene gesonderte Signalstecker 13 einsparen.

Bei dem in 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel eines Motors 24 ist die Auswerte-Teileinheit 19 der Erfassungseinheit 18 unmittelbar an einer Außenseite des Motorgehäuses 2 angeordnet. Sie ist in eine dort ohnehin vorhandene elektronische Baugruppe 25 einer übergeordneten Steuereinheit integriert. Dies spart Platz und ermöglicht eine teilweise Doppelnutzung bereits vorhandener Hardware- und Softwarekapazitäten. Außerdem kann der Signalstecker 13 entfallen. Der Eingangs-Lichtwellenleiter 20 und der Ausgangs-Lichtwellen 14 sind direkt in die angebaute Auswerte-Teileinheit 19 geführt.


Anspruch[de]
Motor mit einer drehbaren Welle (3,9) und einer optischen Erfassungseinheit (8;18) zur Erfassung einer Drehbewegung der Welle (3,9), wobei

a) die Erfassungseinheit (8;18) eine erste elektrooptische Komponente (10) zur Erzeugung eines Abfrage-Lichtsignals (E), an der Welle (3,9) angebrachte und mit dem Abfrage-Lichtsignal (E) bestrahlte Wechselwirkungsmittel (11) sowie mindestens eine zweite elektrooptische Komponente (16) zum Empfang eines aufgrund der Bestrahlung der Wechselwirkungsmittel (11) hervorgerufenen Antwort-Lichtsignals (A) umfasst,

b) die Wechselwirkungsmittel (11) innerhalb und mindestens eine der elektrooptischen Komponenten (10,16) außerhalb eines Motorgehäuses (2) angeordnet sind, und

c) ein zwischen den Wechselwirkungsmitteln (11) und der außerhalb des Motorgehäuses (2) angeordneten elektrooptischen Komponente (10,16) verlaufender erster Lichtwellenleiter (14) zur Übertragung des Abfrage- oder des Antwort-Lichtsignals (E,A) von den Wechselwirkungsmitteln (11) zu der außerhalb des Motorgehäuses (2) angeordneten elektrooptischen Komponente (10,16) vorgesehen ist.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrooptischen Komponenten (10,16) außerhalb des Motorgehäuses (2) angeordnet sind, und insbesondere ein zweiter zwischen den elektrooptischen Komponenten (10,16) und den Wechselwirkungsmitteln (11) verlaufender Lichtwellenleiter (20) vorgesehen ist, wobei der eine der beiden Lichtwellenleiter (14,20) zur Übertragung des Abfrage-Lichtsignals (E) und der andere zur Übertragung des Antwort-Lichtsignals (A) vorgesehen ist. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrooptischen Komponenten (10,16) außerhalb des Motorgehäuses (2) angeordnet sind, und der erste Lichtwellenleiter (14) zur Übertragung sowohl des Abfrage-Lichtsignals (E) als des Antwort-Lichtsignals (A) vorgesehen ist. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wechselwirkungsmitteln (11) einerseits und dem ersten oder zweiten Lichtwellenleiter (14, 20) andererseits optische Strahlformungsmittel (12,21) angeordnet sind. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite Lichtwellenleiter (14,20) mittels eines Leistungssteckers (23) in das Motorgehäuse (2) geführt ist. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (18) eine Auswerte-Teileinheit (19) umfasst, und die Auswerte-Teileinheit (19) außen am Motorgehäuse (2) angeordnet ist.






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