DE19845914A1 - Antriebsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Antriebsvorrichtung (10, 10a, 10b, 10c, 10d) vorgeschlagen, die ein Sonnenrad aufweist, das als Stator (12, 12a, 12b, 12c) ausgebildet ist, wobei in Längsrichtung mehrere Nuten (18, 18c) ausgebildet sind. Die Nuten bilden stegförmige, sich paarweise gegenüberliegende Pole (20), um die bestrombare Wicklungen (22) angeordnet sind. Die Antriebsvorrichtung (10, 10a, 10b, 10c, 10d) weist mindestens ein Planetenrad auf, das als Rotor (36, 36a, 36b) ausgebildet ist und wenigstens ein Element (28, 28a, 28b, 40, 54) zumindest zur drehbaren Lagerung des mindestens einen Rotors (36, 36a, 36b). Kern der Erfindung ist, daß ein Elektromotor und ein Umlauf-Rädergetriebe zu einer Antriebsvorrichtung (10, 10a, 10b, 10c, 10d) kombiniert werden. Dadurch werden zwei Komponenten zu einer vereinigt, was Bauraum, Gewicht und Kosten spart.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung. Es sind Antriebsvorrichtungen bekannt, die aus einem Elektromotor, insbesondere einem Reluktanzmotor, und einem angeflanschten Getriebe bestehen. Es handelt sich also um zwei Komponenten. Dies bedeutet, daß ein relativ großer Bauraum notwendig ist und ein entsprechendes Gewicht anfällt.

Ferner werden bei Elektromotoren durch den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor Verluste verursacht, die sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und somit die Leistung auswirken.

Vorteile der Erfindung

Die Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß ein Elektromotor und ein Getriebe zu einer Komponente vereinigt sind. Diese erfordert weniger Bauraum und weist ein niedrigeres Gewicht auf.

Der Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung ist gegenüber einem herkömmlichen Elektromotor erheblich verbessert, da die Oberfläche für den magnetischen Fluß vergrößert und der Luftspalt minimiert ist.

Wird in den Nuten der Pole ein nicht magnetisierbares Material so angeordnet, daß der Stator am ganzen, mit dem mindestens einen Rotor zusammenwirkenden Durchmesser eine Verzahnung aufweist, so ergibt sich ein guter Rundlauf. Dieser wir noch dadurch verbessert, daß mehrere Rotoren vorgesehen sind, die in einem Ringraum, der vom Stator und einem Element gebildet ist, angeordnet sind und daß das Element eine Verzahnung aufweist, die mit den verzahnten Rotoren kämmt.

Dadurch, daß die Verzahnungen des Elements, des Stators und der Rotoren parallel zur Statorachse verlaufen und daß das Element so aus der Antriebsvorrichtung herausragt, daß ein Drehmoment abgreifbar ist, läßt sich auf einfache Weise ein elektromotorisches Planetengetriebe realisieren.

Verlaufen die Verzahnungen des Elements, des Stators und der Rotoren schraubenlinienförmig zur Statorachse, so entspricht dies einem elektromotorischen Spindeltrieb, wobei sich für die Linearbewegung entweder die Rotoren oder das Element verwenden lassen.

Die Verzahnung des Stators kann an dessen Innendurchmesser oder Außendurchmesser ausgebildet werden, wodurch ein Innenläufer oder ein Außenläufer realisierbar ist.

Eine besonders einfache Ausbildung ergibt sich dadurch, daß ein Rotor vorgesehen ist, daß das Element als gekröpfte Welle ausgebildet ist, die in einer zentrischen Längsbohrung des Rotors drehbar angeordnet ist, daß die Welle an aus dem Rotor herausragenden Enden zwei parallele Stege aufweist, die senkrecht zur Welle angeordnet sind und zur Mittelachse des Stators reichen, und daß an den Stegen Wellenabschnitte ausgebildet sind, die in Längsrichtung aus der Antriebsvorrichtung ragen und an der Antriebsvorrichtung drehbar gelagert sind.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine vereinfachte Vorderansicht einer Antriebsvorrichtung,

Fig. 2 ein detaillierter Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer ersten Verzahnung,

Fig. 3 eine Seitenansicht von links gemäß Fig. 1 mit einer zweiten Verzahnung und einer ersten Möglichkeit der Lagerung,

Fig. 4 eine Seitenansicht von links gemäß Fig. 1 mit der Verzahnung nach Fig. 3 und einer zweiten Möglichkeit der Lagerung,

Fig. 5 eine vereinfachte Vorderansicht einer abgewandelten Antriebsvorrichtung,

Fig. 6 eine vereinfachte Vorderansicht einer weiteren abgewandelten Antriebsvorrichtung und

Fig. 7 eine Seitenansicht rechts gemäß Fig. 6.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist eine Antriebsvorrichtung 10 gezeigt. Die Antriebsvorrichtung 10 weist ein als Stator 12 ausgebildetes Sonnenrad auf. Der Stator 12 ist vorteilhafterweise als Statorblechpaket aufgebaut. In Längsrichtung der Antriebsvorrichtung 10, die der Statorachse 14 entspricht, sind am Innendurchmesser 16 in gleichmäßigen Abständen sechs schwalbenschwanzförmige Nuten 18 ausgebildet, die drei, sich diametral gegenüberliegende Nutpaare 18', 18'', 18''' bilden. Die sechs Nuten 18 bilden sechs stegförmige Pole 20, die ihrerseits drei, sich diametral gegenüberliegende Polpaare 20', 20'', 20''' bilden. Um jeden Pol 20 der Polpaare 20', 20'', 20''' ist eine bestrombare Wicklung 22 angeordnet. Der Stator 12 der Antriebsvorrichtung 10 weist somit den Aufbau des Stators eines sogenannten Reluktanzmotors auf. Die Wicklungen 22 der Polpaare 20', 20'', 20''' sind daher in bekannter Weise nacheinander so bestrombar, daß ein magnetisches Drehfeld erzeugbar ist. Vorteilhafterweise ist in den Nuten 18 ein nichtmagnetisierbares Material 24 so angeordnet, daß der Stator 12 am ganzen Innendurchmesser 16, auch an den durch die Nuten 20 unterbrochenen Stellen eine Verzahnung 26 aufweist. Bei dem Material 24 kann es sich beispielsweise um einen Kunststoff oder ein Harz handeln, mit dem der Stator 12 nach der Montage der Wicklungen 22 ausgegossen wird. Die Verzahnung 26 kann beispielsweise beim Ausgießen des Stators 12 mit einem entsprechend geformten Werkzeug, das in den Stator 12 geführt wird und die Form der Verzahnung 26 aufweist, hergestellt werden. Es ist auch möglich, die Verzahnung 26 nach dem Ausgießen durch eine spanende Bearbeitung herzustellen.

In Längsrichtung der Antriebsvorrichtung 10 beziehungsweise zentrisch zum Stator 12 und fluchtend mit der Statorachse 14 weist die Antriebsvorrichtung 10 ein drehbar an der Antriebsvorrichtung 10 gelagertes Element 28 auf, dessen Außendurchmesser 30 eine Verzahnung 32 aufweist. Das Element 28 hat die Funktion eines Abtriebselements. Das Element 28 ragt aus der Antriebsvorrichtung 10 heraus und hat außerhalb der Antriebsvorrichtung 10 die Form einer Abtriebswelle, wodurch ein Drehmoment am Element 28 abgreifbar ist. Die Lagerung erfolgt hierbei in bekannter Weise an nicht dargestellten Gehäuseteilen der Antriebsvorrichtung 10, beispielsweise einem vorderen und hinteren Flansch. Das Element 28 und der Innendurchmesser 16 des Stators 12 bilden einen Ringraum 34. Im Ringraum 34 sind vier als Rotoren 36 ausgebildete Planetenräder angeordnet, wobei auch eine andere Anzahl möglich ist. Die vier Rotoren 36 bilden zwei Rotorpaare 36', 36'', die sich diametral gegenüberliegen. Die Verzahnung 32 des Elements 28 kämmt mit einer Außenverzahnung 37 der Rotoren 36 und dient somit ebenfalls der drehbaren Lagerung der Rotoren 36. Hier zeigt sich auch, daß es vorteilhaft ist, in den Nuten 18 das nicht magnetisierbare Material 24 vorzusehen, da der Stator 12 dadurch am ganzen, mit den Rotoren 36 zusammenwirkenden Innendurchmesser 16 eine Verzahnung 26 aufweist, wodurch der Rundlauf der Antriebsvorrichtung 10 verbessert wird. Die Rotoren 36 können zur Lagerung an ihren Stirnseiten 38 mit jeweils einem - mit gestrichelten Linien angedeuteten - Ring 40 verbunden sein. Dadurch ist es möglich, auf das Material 24 zu verzichten.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, verlaufen die Verzahnung 26 des Stators 12, die Verzahnung 32 des Elements 28 und die Außenverzahnung 37 der Rotoren 32 parallel zur Längsrichtung der Antriebsvorrichtung 10 beziehungsweise zur Statorachse 14.

Werden die Wicklungen 22 der Polpaare 20', 20'', 20''' bestromt, so wird ein Magnetfeld aufgebaut, das auf Teile, die aus einem auf ein Magnetfeld reagierendes Material bestehen, eine Kraft ausübt. Durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen 22, wie es zum Beispiel bei einem Reluktanzmotor üblich ist, wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt, wodurch sich die Rotorpaare 36', 36'' drehen.

Bewegt sich ein als Rotor 36 ausgebildetes Planetenrad, so rollt es mit seiner Außenverzahnung 37 im Gegenuhrzeigersinn entlang der am Innendurchmesser 16 des Stators 12 ausgebildeten Verzahnung 26 ab und auf einen Pol 20 zu. Durch die Drehbewegung eines Rotors 36, die durch die magnetische Anziehungskraft eines Pols 20 ausgeübt wird, dreht sich zwangsläufig, wie bei einem Planetengetriebe, auch das Element 28. Rollt ein Rotor 36 entlang der Verzahnung 26 des Stators 12 im Uhrzeigersinn, so dreht sich ein Rotor 36 im Gegenuhrzeigersinn um die eigene Längsachse. Dadurch wird das Element 28 im Uhrzeigersinn gedreht. Die Drehbewegung des Elements 28 und das übertragbare Drehmoment lassen sich an einem aus der Antriebsvorrichtung 10 herausragenden Ende des Elements 28, das als Wellenende ausgebildet ist, in bekannter Weise abgreifen.

Die Antriebsvorrichtung 10 aus den Fig. 1 und 2 stellt die Vereinigung eines Räder-Umlaufgetriebes in Form eines Planetengetriebes und eines Elektromotors, insbesondere eines Reluktanzmotors dar. Auf diese Weise ist es also möglich, statt eines Elektromotors und eines angeflanschten Getriebes nur eine Komponente zu verwenden, wodurch Bauraum, Gewicht und Kosten einsparbar sind. Durch die ineinander greifenden Verzahnungen 37, 26 des Stators 12 und der Rotoren 36 ist die zwischen ihnen wirksame Oberfläche vergrößert, wodurch der Wirkungsgrad steigt und somit die Leistung. Die erforderliche Übersetzung kann auf einfache Weise wie bei einem Umlauf-Rädergetriebe durch die Wahl der Durchmesser des Stators 12, des Elements 28 sowie der Rotoren 36 erreicht werden.

In der Fig. 3 ist eine Antriebsvorrichtung 10a dargestellt, wobei die Verzahnung 26a des Stators 12a, die Verzahnung 32a des Elements 28a und die Verzahnung 37a der Rotoren 36a schraubenlinienförmig zur Längsrichtung der Antriebsvorrichtung 10 beziehungsweise zur Statorachse 14 verlaufen. Das Element 28a ist in diesem Fall axial festgelegt, beispielsweise - je nach Belastungsfall - durch ein oder zwei Kugellager 42, wobei in der Fig. 3 eines symbolisch dargestellt ist. Das Element 28a dient in diesem Fall alleine der Lagerung der Rotoren 36a. Die Rotoren 36a sind axial bewegbar. Sie sind drehbar auf Stangen 44 gelagert, die über die Antriebsvorrichtung 10a hinausragen. An den außerhalb der Antriebsvorrichtung 10a liegenden Enden der Stangen 44 ist eine Platte 46 angebracht. Eine solche Platte 46 kann auch an beiden Enden der Stangen 44 angebracht sein, wenn diese aus der Antriebsvorrichtung 10a herausragen. Die Stangen 44 sind axial verschiebbar gelagert. Bei einer Drehbewegung der Rotoren 36a um ihre eigene Achse, die einer Stange 44 entspricht, werden die Stangen 44 axial verschoben. Über die Platte 46 kann eine Zug- oder Druckkraft abgenommen werden. Auf diese Weise fungiert die Antriebsvorrichtung 10a als Steller, der wie ein Spindeltrieb einsetzbar ist. Für den erforderlichen Hub müssen die Längen des Stators 12a, des Elements 28a sowie der Rotoren 36 aufeinander abgestimmt sein. Der nutzbare Hub entspricht in etwa der Länge der Rotoren 36a abzüglich der Länge des Gehäuses der Antriebsvorrichtung 10a.

In der Fig. 4 ist eine Antriebsvorrichtung 10b gezeigt, die ähnlich der Antriebsvorrichtung 10a ist. Sie unterscheidet sich dadurch, daß das Element 28b axial bewegbar ist und daß die Rotoren 36b axial festgelegt sind. Die Rotoren sind vorteilhafterweise über Kugellager 48 axial festgelegt, wobei auch eine andere Lagerung geeignet sein kann. Dadurch können sich die Rotoren 36b um die eigene Achse drehen und auch entlang der Verzahnung 26b des Stators 12b umlaufen.

Das Element 28b ragt aus der Antriebsvorrichtung 10b heraus. Der nutzbare Hub entspricht in etwa der Länge des Elements 28b abzüglich der Länge des Gehäuses der Antriebsvorrichtung 10b. Das Element 28b dient in diesem Fall der Lagerung der Rotoren 36b und der Übertragung einer Zug- oder Druckkraft nach außen. Für diese Übertragung ist es vorteilhaft ein oder beide Enden des Elements 28b ähnlich der Welle eines an und für sich bekannten Spindeltriebs auszubilden.

Die in der Fig. 5 dargestellte Antriebsvorrichtung 10c entspricht einem Außenläufer. Der Stator 12c hat eine Sternform, wobei die sechs Pole 20c nach außen ragen und drei sich diametral gegenüberliegende Polpaare 20c', 20c'', 20c''' bilden. Die Nuten 18c zwischen den Polen 20c sind ebenfalls mit einem nicht magnetischen Material 24c versehen. Die Verzahnung 26c des Stators 12c ist an dessen Außendurchmesser 50 ausgebildet. Am Außendurchmesser 50 sind symmetrisch, beziehungsweise vier Rotoren 36 angeordnet, die zwei sich diametral gegenüberliegende Rotorpaare 36', 36'' bilden. Die Rotoren 36 sind an den Stirnseiten 38 über je einen Ring 40 miteinander verbunden, das als Element zur Lagerung der Rotoren 36 dient und an dem auch ein Drehmoment abgenommen werden kann.

Aus den Fig. 6 und 7 geht eine Antriebsvorrichtung 10d hervor, wobei der Stator 12 der Antriebsvorrichtung 10 verwendet wird. Es ist nur ein Rotor 52 vorgesehen, der eine Außenverzahnung 53 aufweist, die zum Eingriff in die Verzahnung 26 des Stators 12 bestimmt ist. Ein Element, das der Lagerung des Rotors 52 und der Übertragung eines Drehmoments dient, ist als gekröpfte Welle 54 ausgebildet. Die Welle 54 ist in einer zentrischen Längsbohrung 56 des Rotors 52 drehbar angeordnet. An den Enden der Welle 54, die aus dem Rotor 52 herausragen, weist die Welle 54 zwei parallele Stege 58 auf, die senkrecht zur Welle 54 angeordnet sind und zur Statorachse 14 reichen. An den Stegen 58 sind Wellenabschnitte 60 ausgebildet, die in Längsrichtung aus der Antriebsvorrichtung 12c ragen. Sie sind über Lager 62 der Antriebsvorrichtung 12d drehbar gelagert. Die Stege 58 können mit der Welle 54 und den Wellenabschnitten 60 beispielsweise verschraubt sein. Diese Antriebsvorrichtung 10d stellt eine besonders einfach aufgebaute Ausbildung dar.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur auf die beschriebene Antriebsvorrichtung und deren Abwandlungen beschränkt. Es ist auch möglich statt einer formschlüssigen Übertragung der Drehmomente durch die Verzahnungen 26, 37a, 53 der Antriebsvorrichtungen 10, 10c und 10d eine reibschlüssige Übertragung beispielsweise durch Reibräder vorzusehen. Kern der Erfindung ist, daß ein Elektromotor und ein umlauf-Rädergetriebe zu einer Antriebsvorrichtung kombiniert werden. Hierzu ist im wesentlichen das Sonnenrad als Stator eines Elektromotors, insbesondere eines Reluktanzmotors, auszubilden und das mindestens eine Planetenrad als Rotor, wobei noch wenigstens ein Element vorgesehen sein muß, das zumindest der Lagerung des mindestens eine Rotors dient. Es ist auch denkbar, für den oder die Rotoren zusätzliche Wicklungen vorzusehen, wodurch allerdings der Aufwand, diese elektrisch zu verbinden, größer wird.

Claims (10)

1. Antriebsvorrichtung (10, 10a, 10b, 10c, 10d) mit einem Sonnenrad, das als Stator (12, 12a, 12b, 12c) ausgebildet ist, wobei in Längsrichtung mehrere Nuten (18, 18c) ausgebildet sind, die stegförmige, sich paarweise gegenüberliegende Pole (20) bilden, um die bestrombare Wicklungen (22) angeordnet sind, mit mindestens einem Planetenrad, das als Rotor (36, 36a, 36b) ausgebildet ist und mit wenigstens einem Element (28, 28a, 28b, 40, 54) zumindest zur drehbaren Lagerung des mindestens einen Rotors (36, 36a, 36b).

2. Antriebsvorrichtung (10, 10a, 10b, 10c, 10d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nuten (18, 18c) ein nichtmagnetisierbares Material (24) so angeordnet ist, daß der Stator (12, 12a, 12b, 12c) am ganzen, mit einer Verzahnung (37, 37a, 53) des mindestens einen Rotors (36, 36a, 36b) zusammenwirkenden Durchmesser (16, 50) eine Verzahnung (26, 26a, 26b, 26c) aufweist.

3. Antriebsvorrichtung (10, 10a, 10b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rotoren (36, 36a, 36b) vorgesehen sind, die in einem Ringraum (34), der vom Stator (12, 12a, 12b) und dem wenigstens einen Element (28, 28a, 28b) gebildet ist, angeordnet sind und daß das Element (28, 28a, 28b) eine Verzahnung (32, 32a) aufweist, die mit den verzahnten Rotoren (36, 36a, 36b) kämmt.

4. Antriebsvorrichtung (10, 10c, 10d) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen (26, 37, 53) parallel zur Statorachse (14) verlaufen und daß am Element (28) ein Drehmoment abgreifbar ist.

5. Antriebsvorrichtung (10a, 10b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen (26a, 26b, 32a) schraubenlinienförmig zur Statorachse (14) verlaufen.

6. Antriebsvorrichtung (10a) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (28a) axial festgelegt ist, und daß die Rotoren (36a) axial bewegbar sind.

7. Antriebsvorrichtung (10b) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (36b) axial festgelegt sind, und daß das Element (28b) axial bewegbar ist.

8. Antriebsvorrichtung (10, 10a, 10b, 10d) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung (26, 26a, 26b) des Stators (12, 12a, 12b) an dessen Innendurchmesser (16) ausgebildet ist.

9. Antriebsvorrichtung (10c) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung (26c) des Stators (12c) an dessen Außendurchmesser (50) ausgebildet ist.

10. Antriebsvorrichtung (10d) nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (52) vorgesehen ist, daß das Element als gekröpfte Welle (54) ausgebildet ist, die in einer zentrischen Längsbohrung (56) des Rotors (52) drehbar angeordnet ist, daß die Welle (54) an aus dem Rotor (52) herausragenden Enden zwei parallele Stege (58) aufweist, die senkrecht zur Welle (54) angeordnet sind und zur Statorachse (14) reichen, und daß an den Stegen (58) Wellenabschnitte (60) ausgebildet sind, die in Längsrichtung aus der Antriebsvorrichtung (10d) ragen und an der Antriebsvorrichtung (10d) drehbar gelagert sind.