DE10158870A1 - Redundant electric drive device for driving the rudder on a ship/boat has thread gearing with a threaded spindle, a spindle nut and electric torque motors to drive a rotary part. - Google Patents

Abstract

A drive device has thread gearing (25) with a threaded spindle (26) and a spindle nut (27). It also has two electric torque motors (11,12) that have a common hollow shaft (16) and fit one after the other concentric to the thread gearing. A rotary part for the thread gearing links to the hollow shaft so as to lock against twisting.

Description

Die Erfindung betrifft eine redundante elektrische Antriebsvorrichtung, die insbesondere zum Antrieb eines Ruders an einem Schiff Antriebsvorrichtung verwendet werden soll und die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufweist. The invention relates to a redundant electric drive device, the used in particular to drive a rudder on a ship drive device to be and the features from the preamble of claim 1 having.

Eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der US-A 4 289 996 bekannt. Bei dieser Antriebsvorrichtung besitzt jeder Torquemotor seine eigene Hohlwelle. Die beiden Hohlwellen haben axial einen Abstand voneinander und sind an ihren einander zugewandten Stirnseiten mit einem kegelverzahnten Sonnenrad eines Planetengetriebes versehen. Die Spindelmutter des Gewindetriebes befindet sich innerhalb der Hohlwellen. An Ihr sind im Bereich axial zwischen den beiden Hohlwellen an sich in radiale Richtung weisende Lagerzapfen mehrere kegelverzahnte Planetenräder drehbar gelagert, die mit den beiden Sonnenrädern kämmen. A drive device with the features from the preamble of Claim 1 is known from US-A 4 289 996. With this drive device each torque motor has its own hollow shaft. The two hollow shafts have axially a distance from each other and are facing each other End faces with a bevel-toothed sun gear of a planetary gear. The spindle nut of the screw drive is located inside the hollow shafts. On You are in the area axially between the two hollow shafts in radial Direction bearing journals, several bevel-toothed planet gears can be rotated stored, which mesh with the two sun gears.

Im normalen Betrieb werden die beiden Torquemotoren in die gleiche Richtung drehend angesteuert und bewegen gemeinsam über den Gewindetrieb das zu verstellende Element. Blockiert einer der beiden Motoren mechanisch, so kann der andere Motor aufgrund des Planetengetriebes die Spindelmutter noch antreiben, wobei jedoch bei einer bestimmten Drehzahl des Motors die Drehzahl der Spindelmutter nur halb so groß wie bei einem Antrieb durch beiden Motoren ist. Fällt ein Motor aufgrund eines Fehlers in der Elektrik aus, ohne mechanisch blockiert zu werden, so muß er gezielt blockiert werden, da sonst wegen des als Differential wirkenden Planetengetriebes ein Antrieb der Spindelmutter durch den anderen Motor nicht möglich wäre. In normal operation, the two torque motors move in the same direction controlled by rotation and move this together via the screw drive adjusting element. If one of the two motors is blocked mechanically, the other motor still drive the spindle nut due to the planetary gear, however, at a certain speed of the engine, the speed of the Spindle nut is only half the size of a drive by both motors. falls an engine due to a fault in the electrical system without being mechanically blocked to be, it must be specifically blocked, otherwise because of the differential acting planetary gear a drive of the spindle nut by the other Engine would not be possible.

Aus der US-A 4 179 944 ist ebenfalls eine elektrische Antriebsvorrichtung mit zwei als Hohlwellenmotoren ausgebildeten Torquemotoren und mit einem Gewindetrieb bekannt. Dort ist allerdings vorgesehen, daß der eine Motor die Gewindespindel in die eine Richtung und der andere Motor die Gewindespindel in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Redundanz wird dadurch erreicht, daß für das zu verstellende Element mehrere Antriebsvorrichtungen der bezeichneten Art vorhanden sind und jede Antriebsvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Verstellung durch eine andere Antriebsvorrichtung nicht behindert. From US-A 4 179 944 is also an electric drive device with two Torque motors designed as hollow shaft motors and with a screw drive known. There, however, it is provided that one motor drives the threaded spindle in one direction and the other motor the threaded spindle in the opposite direction moves. Redundancy is achieved in that for the adjusting element several drive devices of the type described available are and each drive device is designed so that the adjustment by another drive device is not hindered.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufweist, so weiterzuentwickeln, daß sie in ihrem Aufbau vereinfacht und dadurch kostengünstiger herzustellen ist. The invention has for its object a drive device that the Features from the preamble of claim 1, so to further develop that it is simplified in structure and is therefore cheaper to manufacture.

Das gesetzte Ziel wird dadurch erreicht, daß die Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff erfindungsgemäß auch die Merkmale aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufweist. Bei einer solchen Antriebsvorrichtung besitzen die beiden Elektromotoren eine gemeinsame Hohlwelle und das drehbare Teil des Gewindetriebs ist verdrehsicher mit der Hohlwelle verbunden oder ist die Hohlwelle selbst. Die Erfindung fußt auf der Überlegung, daß eine mechanische Blockierung eines verwendeten Torquemotors aufgrund des erreichten Entwicklungsstandes praktisch ausgeschlossen ist. Ein Differentialgetriebe zwischen den beiden Elektromotoren und der Spindelmutter ist deshalb nicht notwendig. Aber nicht nur dieses entfällt, sondern auch die Blockiervorrichtung für jeden Motor, die bei einem elektrischen Ausfall eines Motors ohne mechanische Blockierung greifen muß. The goal is achieved in that the drive device with the Features from the preamble according to the invention also the features from the characterizing part of claim 1. With one Drive device, the two electric motors have a common hollow shaft and the rotatable part of the screw drive is secured against rotation with the hollow shaft connected or is the hollow shaft itself. The invention is based on the consideration that a mechanical blocking of a torque motor used due to the achieved development level is practically excluded. On Differential gear between the two electric motors and the spindle nut is therefore unnecessary. But not only this is omitted, but also that Blocking device for each engine, in the event of an electrical failure of an engine without mechanical blocking must grip.

Als Motoren können insbesondere Torquemotoren der Baureihe MBT der Anmelderin eingesetzt werden. Diese sind Synchron-Bausatzmotoren, die für hohe Drehmomente optimiert worden sind. Sie bestehen aus einem Stator mit der Drehstromwicklung sowie aus einem Rotor mit Permanentmagneten. Die Hauptmerkmale sind: Hohes Drehmoment bei geringen Drehzahlen, hohe Polzahlen, kurze Bauform bei großem Durchmesser. Außerdem zeichnet sich die Baureihe durch folgende Merkmale aus:
Baukastensystem mit unterschiedlichen Motorbaugrößen und -längen; Maximaldrehmomente bis 4500 Nm;
Bemessungsdrehzahlen von 100 bis 750 Umdrehungen pro Minute; extrem geringe Drehmomentwelligkeit;
optionale Flüssigkeitskühlung inkl. Thermokapselung;
Schutz der Motorwicklung gegen thermische Überlastung durch integrierte Temperatursensoren;
standardisierte Anschlußtechnik für Leistung und Kühlung;
Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung kann man den Unteransprüchen entnehmen. Torque motors of the applicant's MBT series can be used in particular. These are synchronous kit motors that have been optimized for high torques. They consist of a stator with a three-phase winding and a rotor with permanent magnets. The main features are: high torque at low speeds, high number of poles, short design with large diameter. The series also features the following features:
Modular system with different motor sizes and lengths; Maximum torques up to 4500 Nm;
Rated speeds from 100 to 750 revolutions per minute; extremely low torque ripple;
optional liquid cooling including thermal encapsulation;
Protection of the motor winding against thermal overload through integrated temperature sensors;
standardized connection technology for power and cooling;
Advantageous embodiments of a drive device according to the invention can be found in the subclaims.

In besonders vorteilhafter Weise befindet sich gemäß Patentanspruch 3 die Spindelmutter an der vorderen Stirnseite der Hohlwelle, aus der die Gewindespindel zum zu verstellenden Element hin austritt. Dann kann die gesamte Baulänge der beiden hintereinanderliegenden Torquemotoren zur Aufnahme der Gewindespindel ausgenutzt werden. Der notwendige Einbauraum wird dadurch klein gehalten. In a particularly advantageous manner, according to claim 3 Spindle nut on the front end of the hollow shaft, from which the threaded spindle emerges towards the element to be adjusted. Then the entire length of the two successive torque motors to accommodate the Threaded spindle can be used. The necessary installation space is kept small.

Insbesondere ist gemäß Patentanspruch 5 vorgesehen, daß Antriebsmittel vorhanden sind, über die die Hohlwelle unabhängig von den Elektromotoren drehend antreibbar ist. Damit kann in dem an sich unwahrscheinlichen Fall, daß beide Elektromotoren ausfallen, die Hohlwelle gegebenenfalls auch per Notantrieb, z. B. per Hand gedreht werden und dadurch die Gewindespindel aus- und eingefahren werden. In particular, it is provided according to claim 5 that drive means are available, through which the hollow shaft rotates independently of the electric motors is drivable. In the unlikely event that both Electric motors fail, the hollow shaft, if necessary, also by emergency drive, e.g. B. can be turned by hand, thereby extending and retracting the threaded spindle become.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt. Anhand dieser Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert. An embodiment of a drive device according to the invention is in the Drawing shown. Based on this drawing, the invention will now be closer explained.

Gemäß der Zeichnung befinden sich in einem Gehäuse 10 axial hintereinander angeordnet zwei elektrische Torquemotoren 11 und 12, von denen jeder einen ortsfest im Gehäuse aufgenommenen Stator 13 mit Wicklung und einen Rotor 14 mit Permanentmagneten aufweist und in entgegengesetzte Drehrichtungen betreibbar ist. Die Wicklung eines jeden Stators ist mit einem Kühlmantel 15 zur Flüssigkeitskühlung des Stators umgeben. According to the drawing, two electrical torque motors 11 and 12 are arranged axially one behind the other in a housing 10 , each of which has a stator 13 with winding and a rotor 14 with permanent magnets accommodated in the housing and can be operated in opposite directions of rotation. The winding of each stator is surrounded by a cooling jacket 15 for liquid cooling of the stator.

Die beiden Rotoren 14 sitzen auf einer gemeinsamen Hohlwelle 16, mit der sie über Paßfedern 17 verdrehsicher verbunden sind. Die Hohlwelle 16 ist über Wälzlager 18 drehbar im Gehäuse 10 gelagert. The two rotors 14 sit on a common hollow shaft 16 , with which they are connected in a rotationally secure manner via feather keys 17 . The hollow shaft 16 is rotatably mounted in the housing 10 via roller bearings 18 .

Zu der Antriebsvorrichtung gehört ein Gewindetrieb 25, der aus einer Gewindespindel 26, die koaxial zur Hohlwelle 16 angeordnet und in dieser axial bewegbar ist, und einer Spindelmutter 27 besteht, die von der einen Stirnseite her in die Hohlwelle 16 eingesetzt und über eine Paßfeder 28 verdrehsicher mit der Hohlwelle verbunden ist. Die Spindelmutter ist eine Flanschmutter mit einem Flansch 29, der an einer Stirnseite der Hohlwelle anliegt und die Hohlwelle radial überragt. Auf der einen Seite des Flansches 29 befindet sich eines der Wälzlager 18 für die Hohlwelle 16, auf der anderen Seite ist ein zusätzliches Wälzlager 30 angeordnet. Über diese beiden Wälzlager ist die Spindelmutter 27 axial nach entgegengesetzten Richtungen am Gehäuse 10 abgestützt. Die Spindelmutter 27 sitzt an der Stirnseite der Hohlwelle 16, an der die Gewindespindel 26 die Hohlwelle zum zu verstellenden Element, zum Beispiel zum Ruder eines Schiffes hin verläßt. Auf diese Weise kann die gesamte Baulänge der beiden hintereinanderliegenden Torquemotoren 11 und 12 zur Aufnahme der Gewindespindel 26 ausgenutzt werden. Der notwendige Einbauraum wird dadurch klein gehalten. Nur wenn der maximale Verstellweg größer als diese Baulänge ist, steht die Gewindespindel über die andere Stirnseite der Hohlwelle vor, so daß dort zusätzlicher Raum vorhanden sein muß. The drive device includes a screw drive 25 , which consists of a threaded spindle 26 , which is arranged coaxially with the hollow shaft 16 and is axially movable in the latter, and a spindle nut 27 , which is inserted into the hollow shaft 16 from one end face and secured against rotation via a parallel key 28 is connected to the hollow shaft. The spindle nut is a flange nut with a flange 29 which abuts an end face of the hollow shaft and projects radially beyond the hollow shaft. One of the roller bearings 18 for the hollow shaft 16 is located on one side of the flange 29 , and an additional roller bearing 30 is arranged on the other side. The spindle nut 27 is supported axially in opposite directions on the housing 10 by means of these two roller bearings. The spindle nut 27 sits on the end face of the hollow shaft 16 , on which the threaded spindle 26 leaves the hollow shaft to the element to be adjusted, for example to the rudder of a ship. In this way, the entire length of the two torque motors 11 and 12 located one behind the other can be used to accommodate the threaded spindle 26 . The necessary installation space is kept small. Only if the maximum adjustment path is greater than this overall length does the threaded spindle project beyond the other end face of the hollow shaft, so that additional space must be available there.

Die beiden Torquemotoren 11 und 12 sind so ausgelegt, daß jeder für sich allein das zu verstellende Element bewegen kann. Je nach Auslegung der elektrischen Ansteuerung wird im Normalbetrieb das zu verstellende Element durch nur einen der beiden Torquemotoren oder durch beide Torquemotoren verstellt. Bei Ansteuerung wird von den Rotoren 14 die Hohlwelle 16 und von dieser die Spindelmutter 27 mitgedreht. Aufgrund des Schraubgelenks zwischen der Spindelmutter 27 und der Gewindespindel 26 und einer Blockierung der Gewindespindel gegen Drehung bewegt sich die Gewindespindel axial in die eine Richtung. Bei umgekehrter Drehrichtung der Rotoren 14 bewegt sich die Gewindespindel in die entgegengesetzte axiale Richtung. Bei Antrieb der Spindelmutter im Normalbetrieb durch nur einen der beiden Motoren oder bei Ausfall eines der beiden Motoren wird der Rotor 14 des nicht angesteuerten oder nicht benutzbaren Motors 11 oder 12 frei mitgedreht. The two torque motors 11 and 12 are designed so that each can move the element to be adjusted individually. Depending on the design of the electrical control, the element to be adjusted is adjusted in normal operation by only one of the two torque motors or by both torque motors. When actuated, the hollow shaft 16 is rotated by the rotors 14 and the spindle nut 27 is rotated by the latter. Due to the screw joint between the spindle nut 27 and the threaded spindle 26 and a blocking of the threaded spindle against rotation, the threaded spindle moves axially in one direction. In the opposite direction of rotation of the rotors 14 , the threaded spindle moves in the opposite axial direction. When the spindle nut is driven in normal operation by only one of the two motors or if one of the two motors fails, the rotor 14 of the uncontrolled or unusable motor 11 or 12 is rotated freely.

Für den sehr unwahrscheinlichen Fall, daß beide Torquemotoren 11 und 12 ausgefallen sind, ist die gezeigte Antriebsvorrichtung mit Mitteln für eine Notbetätigung ausgestattet. Und zwar sitzt, von der Spindelmutter 27 aus gesehen, jenseits der beiden Motoren 11 und 12 auf der Hohlwelle verdrehsicher ein Zahnrad 35 großen Durchmessers, daß mit einem am Gehäuse 10 drehbar gelagerten Ritzel 36 kämmt. Dieses Ritzel ist über eine nicht dargestellte Kurbel von Hand drehbar. Ritzel 36 und Zahnrad 35 bilden ein Untersetzungsgetriebe für die Notbetätigung. In the very unlikely event that both torque motors 11 and 12 have failed, the drive device shown is equipped with means for an emergency actuation. That is, seen from the spindle nut 27 , beyond the two motors 11 and 12 on the hollow shaft against rotation a gear 35 of large diameter that meshes with a pinion 36 rotatably mounted on the housing 10 . This pinion can be rotated by hand via a crank, not shown. Pinion 36 and gear 35 form a reduction gear for emergency actuation.

Claims (5)

1. Redundante elektrische Antriebsvorrichtung, insbesondere zum Antrieb eines Ruders an einem Schiff, mit einem eine Gewindespindel (26) und eine Spindelmutter (27) aufweisenden Gewindetrieb (25) und mit zwei elektrischen Drehmomentmotoren (Torquemotoren) (11, 12), die eine Hohlwelle (16) aufweisen, die hintereinander konzentrisch zu dem Gewindetrieb (25) angeordnet sind und die das eine Teil (27) des Gewindetriebs (25) gemeinsam oder einzeln in entgegengesetzte Drehrichtungen anzutreiben vermögen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektromotoren (11, 12) eine gemeinsame Hohlwelle (16) besitzen und daß das drehbare Teil (27) des Gewindetriebs (25) verdrehsicher mit der Hohlwelle (16) verbunden oder die Hohlwelle selbst ist. 1. Redundant electric drive device, in particular for driving a rudder on a ship, with a threaded spindle ( 26 ) and a spindle nut ( 27 ) having a screw drive ( 25 ) and with two electric torque motors (torque motors) ( 11 , 12 ) which have a hollow shaft ( 16 ) which are arranged one after the other concentrically to the screw drive ( 25 ) and which are able to drive one part ( 27 ) of the screw drive ( 25 ) jointly or individually in opposite directions of rotation, characterized in that the two electric motors ( 11 , 12 ) have a common hollow shaft ( 16 ) and that the rotatable part ( 27 ) of the screw drive ( 25 ) is connected to the hollow shaft ( 16 ) such that it cannot rotate, or that the hollow shaft is itself. 2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (27) als Flanschmutter ausgebildet ist und am Flansch (29) über Axiallager (18, 30) axial abgestützt ist. 2. Drive device according to claim 1, characterized in that the spindle nut ( 27 ) is designed as a flange nut and is axially supported on the flange ( 29 ) via axial bearings ( 18 , 30 ). 3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spindelmutter (27) an der vorderen Stirnseite der Hohlwelle (16) befindet, aus der die Gewindespindel (26) zum zu verstellenden Element hin austritt. 3. Drive device according to claim 1 or 2, characterized in that the spindle nut ( 27 ) is located on the front end face of the hollow shaft ( 16 ) from which the threaded spindle ( 26 ) exits to the element to be adjusted. 4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotoren (11, 12) flüssigkeitsgekühlt sind. 4. Drive device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the electric motors ( 11 , 12 ) are liquid-cooled. 5. Antriebsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsmittel (35, 36) vorhanden sind, über die die Hohlwelle (16) unabhängig von den Elektromotoren (11, 12) drehend antreibbar ist. 5. Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that drive means ( 35 , 36 ) are provided, via which the hollow shaft ( 16 ) can be driven to rotate independently of the electric motors ( 11 , 12 ).