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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit.
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II. Technischer Hintergrund
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Elektrische
Antriebseinheiten umfassen wenigstens einen Elektromotor sowie – je nach
dem geforderten Drehmoment und der geforderten Drehzahl – ein nachgeschaltetes
mechanisches Getriebe.
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Denn
herkömmliche
elektrische Antriebe weisen Unzulänglichkeiten auf:
- – Bei
niedrigen Drehzahlen, also im Anlaufbereich, besitzen Elektromotore
ein sehr geringes Drehmoment. Wenn also hohe Gewichte langsam angetrieben
bzw. aus dem Stillstand beschleunigt werden müssen, werden hierfür häufig großvolumige
Elektromotoren eingesetzt, und deren Drehzahl mit aufwendigen großen und
schweren mechanischen Getrieben untersetzt und dabei deren Drehmoment
vergrößert.
- – Auf
der anderen Seite besitzen übliche
Elektromotore eine hohe Massenträgheit,
sind also bei hohen Drehzahlen zwar hinsichtlich der Drehzahl steuerbar,
aber davon angetriebene Bauteile nur mit großem Aufwand so steuerbar, dass
exakte Positionen präzise
anfahrbar sind. Insbesondere stellt es einen hohen Aufwand dar,
flexible Drehmoment- bzw. Drehzahlverläufe mit ein und derselben Antriebseinheit
zu lösen,
wie es typischerweise dann benötigt
wird, wenn zunächst
ein großer
Weg mit geringem Kraftaufwand schnell überwunden werden soll, und
danach ein z.B. kurzer Weg mit hohem Drehmoment bewältigt werden muss,
wie dies bei vielen Anwendungen der Fall ist.
- – Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass herkömmliche Elektromotoren – in Relation
zum zu erbringenden Drehmoment – hohe
Strom- und/oder Spannungswerte benötigen, ein hohes Gewicht besitzen
und/oder viel Bauraum benötigen.
Gleiches
gilt auch für
die einem Elektromotor im Falle von Antriebsaufgaben mit hohem Drehmoment
nachgeschalteten mechanischen Getriebe.
- – Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Ausfall des Elektromotors
in der Regel die gesamte Antriebseinheit außer Funktion ist und längere Zeit
außer
Funktion bleibt, bis der Elektromotor repariert oder ausgetauscht
ist.
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Aus
der
EP 0 211 000 war
es bereits bekannt, mehrere Elektromotore mit ihren Abtriebsritzeln
jeweils gemeinsam auf ein zentrales Mittenzahnrad arbeiten zu lassen.
Nachteilig sind dabei jedoch die mangelhafte Abstützung der
einzelnen Motorritzel auf der Außenseite sowie das feststehende und
nicht allzu hohe Untersetzungsverhältnis dieser bekannten Antriebseinheit.
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III. Darstellung
der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es
ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung,
eine Antriebseinheit zu schaffen, die die Nachteile des Standes
der Technik vermeidet.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 16 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch
die Anordnung einer innenverzahnten Außenhülse auf der Außenseite
der Motorritzel, die mit diesen kämmt, wird zum einen eine höhere mechanische
Stabilität
des Getriebes erreicht und zum anderen eine zweite Abtriebsmöglichkeit
für die
Antriebseinheit geschaffen, die eine Flexibilität im Untersetzungsverhältnis bietet.
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Diese
Flexibilität
kann in Form eines Getriebebausatzes noch gesteigert werden, indem
der Bausatz unterschiedlich große
Motorritzel umfasst und analog dazu unterschiedlich große Außenhülsen und/oder
Mittenzahnräder.
Falls dabei das Mittenzahnrad im Gehäuse drehbar gelagert ist, können die Motore
ortsfest angeordnet sein, und die gegenüber dem Mittenzahnrad dann
nochmals deutlich langsamer drehende Außenhülse als Abtriebswelle der Antriebseinheit
verwendet werden, wodurch eine höhere
Untersetzung als bei bisher bekannten Getrieben erzielt wird.
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Vorzugsweise
ist dabei das Getriebe so gestaltet, dass wahlweise das drehende
Mittenzahnrad oder die drehende Außenhülse als Abtriebswelle benutzt
werden, und dadurch – auch
bei laufenden Motoren – eine
Umschaltung des Untersetzungsverhältnisses möglich ist.
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So
kann man sich beispielsweise vorstellen, dass die Motorritzel genauso
groß sind
wie das Mittenzahnrad.
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Bei
Anwendungen, bei denen zunächst
ein langer Weg bei geringem Kraftaufwand schnell überwunden
werden soll, und anschließend
ein kurzer Weg mit hohem Kraftaufwand (typischer Vorgang: schließen einer
Schleuse oder eines Ventils), so kann der lange Weg schnell überwunden
werden, indem hierbei das Mittenzahnrad der Antriebseinheit als
Abtriebswelle benutzt wird mit der Folge, dass sich die Abtriebswelle
so schnell dreht wie die einzelnen Elektromotore, allerdings keine
Vervielfachung des Drehmoments gegenüber der Summe der Momente der Motoren
erzielt wird.
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Wenn
dann gegen Ende der Bewegung ein hohes Drehmoment benötigt wird
und nur noch ein geringer Restweg zu überwinden ist, wird auf die
Außenhülse als
Abtriebselement umgeschaltet mit der Folge, dass sich die Abtriebswelle
sehr viel langsamer dreht, dabei jedoch ein sehr viel höheres Drehmoment
als zuvor das Mittenzahnrad zur Verfügung stellt. Die Größe der Motorritzel
hängt dabei
unter anderem davon ab, wie groß der
Unterschied im Untersetzungsverhältnis
des Getriebes zwischen Mittenzahnrad und Außenhülse sein soll. Als besonders vorteilhaft
hat sich jedoch die Anordnung von drei bis sechs Elektromotoren über den
Umfang des Mittenzahnrades verteilt erwiesen, auch was die mechanische
Stabilität
des Getriebes angeht:
Da die Verzahnungen solcher Getriebe
hohen Belastungen ausgesetzt sind, ist es sinnvoll, diese Belastungen
auf eine möglichst
große
Anzahl von gleichzeitig im Eingriff befindlichen Zahnpaarungen zu
verteilen. Diese Anzahl der Zahnpaarungen hängt von der Anzahl der eingesetzten
Motorritzel und damit Motore ab.
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Um
möglichst
viele einzelne Motore auf ein Mittenzahnrad bzw. eines der erfindungsgemäßen Getriebe
wirken zu lassen, sind die Motoren meist schlank, beinahe stiftförmig, mit
einer axialen Erstreckung, die mindestens das dreifache, besser
das fünffache
ihres Durchmessers beträgt,
gestaltet und ragen z.B. in unterschiedliche Richtungen von der Ebene
des Mittenzahnrades ab, sei es in unterschiedliche radiale Richtungen
oder in die beiden unterschiedlichen axialen Richtungen.
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Vor
allem beim Abragen in die axialen Richtungen können derartige Antriebseinheiten
in fast beliebiger Anzahl kaskadiert werden und auf eine über mehrere
Antriebseinheiten axial durchgehende gemeinsame Außenhülse und
Mittenzahnrad arbeiten.
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Die
innerhalb einer Antriebseinheit auf ein Getriebe arbeitenden Elektromotore
benötigen
wegen ihrer mechanischen Kopplung keine aufwendige elektronische
Synchronisation, sondern es genügt der
Betrieb mit den gleichen elektrischen Parametern.
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Gleiches
gilt auch für
die innerhalb einer Baugruppe mehreren zusammengeschalteten und auf
eine gemeinsame Außenhülse bzw.
Mittenzahnrad arbeitenden mehreren Antriebseinheiten und deren Elektromotore.
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Dabei
kann insbesondere die Zentralwelle, die die Mittenzahnräder miteinander
verbindet, als Hohlwelle ausgebildet sein und durch diese hindurch Steuerleitungen
und/oder Stromversorgungsleitungen zu den einzelnen ortsfest montierten
Elektromotoren geführt
werden.
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Vor
allem bei der kaskadierten Bauform ist darauf zu achten, dass dennoch
die einfache Austauschbarkeit der einzelnen Motore, insbesondere deren
Einschiebbarkeit in axialer Richtung, erhalten bleibt, um einen
der Hauptvorteile der elektrischen Antriebseinheit nutzen zu können:
Falls
nämlich
einer der Elektromotore defekt ist, kann er bei entsprechender Ausbildung
seiner Halterung einfach in axialer Richtung samt seiner Abtriebswelle und
des darauf befestigten Ritzels aus dem Getriebe herausgezogen werden,
ohne dass die Antriebseinheit stillgesetzt werden muss. Diese verliert
lediglich an Leistung aufgrund eines fehlenden Elektromotors.
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Anschließend kann
ein Ersatzmotor oder auch der reparierte defekte Motor ebenfalls
ohne Stillsetzung der Antriebseinheit wieder mit seinem Ritzel zwischen
Mittenzahnrad und Außenhülse eingeschoben
werden.
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Eine
Betriebsunterbrechung der von der Antriebseinheit angetriebenen
Vorrichtung ist dabei nicht nötig,
was insbesondere für
alle sicherheitsrelevanten Anwendungen von großer Bedeutung ist, in denen
bisher Elektromotore komplett redundant zur Verfügung gestellt werden mussten.
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Da
eine elektrische Synchronisation der einzelnen Motore nicht notwendig
ist, fällt
auch die notwendige elektronische Steuerung relativ einfach aus und
kann zumindest eine komplette Antriebseinheit mit allen Elektromotoren
gemeinsam steuern, insbesondere bei Kaskadierung mehrerer Antriebseinheiten
in einer Baugruppe die Motore der gesamten Baugruppe.
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Dadurch,
dass sehr kleine und mit Niederspannung betreibbare Motoren verwendet
werden, können
die Motore so ausgelegt werden, dass sie direkt mit den Spannungswerten
arbeiten können,
die von handelsüblichen
Solarzellen zur Verfügung
gestellt werden bzw. von einem von Solarzellen als Zwischenpuffer
gespeisten elektrischen Akkumulator.
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Auf
diese Art und Weise können
vor allem in abgelegenen Gebieten der dritten Welt auch sicherheitsrelevante,
einer hohen Ausfallsicherheit bedürfende, elektrische Vorrichtung
abseits aller konventionellen Stromnetze betrieben werden.
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Falls
eine noch stärkere
Drehzahluntersetzung und einhergehende Drehmoment-Multiplikation erforderlich
ist als durch die z.B. axiale Kaskadierung von erfindungsgemäßen Antriebseinheiten
erzielbar, können
solche Antriebseinheiten auch mit ihren jeweiligen Abtriebswellen
als Planetenräder
in einem Planetengetriebe einer übergeordneten
Antriebsbaugruppe fungieren.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
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1: eine erfindungsgemäße Antriebseinheit,
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2:
eine axial kaskadierte Baugruppe und
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3:
eine radial kaskadierte Baugruppe.
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1a zeigt
die erfindungsgemäße Antriebseinheit
in axialer Richtung und 1b im
Axialschnitt.
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1a zeigt
am besten, wie die Ritzel 4, die auf den Abtriebswellen 3a,
b der einzelnen Elektromotore 1a, b angeordnet sind, kreisförmig um
ein Mittenzahnrad 5 herum angeordnet sind und auf ihrer
Innenseite mit der Außenverzahnung 7 dieses
Mittenzahnrades 5 kämmen,
und gleichzeitig auf ihrer Außenseite
mit der Innenverzahnung 8 einer alle Ritzel 4 außen umlaufenden
Außenhülse 6,
die konzentrisch zum Mittenzahnrad angeordnet ist.
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Da
die Motore 1 dabei ortsfest im normalerweise die gesamte
Antriebseinheit umgebenden Gehäuse 12 angeordnet
sind, drehen sich bei Betrieb der Motore, also der Ritzel 4,
sowohl das Mittenzahnrad 5 als auch die Außenhülse 6,
jedoch in entgegengesetzte Richtungen und mit unterschiedlicher
Drehzahl.
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Da
alle Ritzel 4 mit denselben gemeinsamen Zahnrädern 5, 6 kämmen, erfolgt
eine zwangsweise mechanische Synchronisation, so dass eine genaue elektrische
Synchronisation der einzelnen Motoren 1a, b nicht notwendig
ist.
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Durch
die Außenhülse 6 werden
die Ritzel 4 zwangsweise im Eingriff mit dem Mittenzahnrad 5 gehalten,
so dass deren Paarung nicht außer
Eingriff geraten kann, da die Ritzel 4 nicht radial nach
außen weggedrückt werden
können.
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1b zeigt,
dass sich die in der Regel schlanken, zylindrischen Elektromotore 1a von
der Ebene des Mittenzahnrades 5 und der Außenverzahnung 7 der
Außenhülse 6 axial
weg erstrecken, in 1b alle in die gleiche axiale
Richtung 10.
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1b zeigt
ferner, dass alle Elektromotore 1b von der gleichen elektronischen
Steuerung 9 aus gesteuert und mit elektrischer Energie
versorgt werden, die vorzugsweise direkt oder zwischengepuffert über einen
elektrischen Akkumulator 14 von einer Solarzelle 13 stammt,
deren erzeugter Strom jedoch mit dem ursprünglichen Spannungswert verwendet und
nicht hochtransformiert wird.
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1b zeigt
ferner in der linken Hälfte,
dass der Elektromotor z. B. 1a mittels
einer Haltevorrichtung 19 so im Gehäuse 12 befestigt ist,
dass er durch einfaches Ein- und Ausschieben in axialer Richtung
gewechselt werden kann und dabei auch sein Ritzel 4 außer bzw.
in Eingriff mit der Außenhülse 6 sowie
dem Mittenzahnrad 5 gelangt.
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Während in
der linken Bildhälfte
der 1b die Außenhülse 6 als
Zentralwelle 15 und damit Abtrieb der Antriebseinheit dient,
umfasst in der rechten Hälfte
die Zentralwelle 15 ein Schaltrad 18, mittels dessen
die Zentralwelle 15 wahlweise vom Mittenzahnrad 5 oder
von der Außenhülse 6 angetrieben werden
kann.
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Zu
diesem Zweck besteht eine der möglichen
Lösungen
darin, auch das Mittenzahnrad 5 radial nach außen zu verlängern bis
auf den Außenumfang
der Außenhülse 6,
und auf beiden eine Außenverzahnung
einzubringen, die jedoch in axialer Richtung voneinander beabstandet
sind.
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In
dem ein ringförmig
beide umgebendes Schaltrad 18 mit der Zentralwelle 5 drehfest
verbunden ist, jedoch axial verschoben werden kann, kann es wahlweise
mit dem Mittenzahnrad 5 oder der Außenhülse 6 in Eingriff
gebracht werden. Das Schaltrad kann auch – wie ein Motorritzel – radial
zwischen Mittenzahnrad und Außenhülse 6 kämmen.
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1c zeigt
ferner die Teile eines Bausatzes, in dem hinsichtlich des Durchmessers
unterschiedlich große
Ritzel 4, 4', 4'' verfügbar sind um auf die Abtriebswellen 3 aller
Motoren 1 einer Antriebseinheit aufgesetzt zu werden, dann
natürlich
von jeweils gleicher Größe.
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Da
die Ritzel 4, 4', 4'' alle die gleiche Art der Verzahnung
besitzen, können
sie jeweils mit dem gleichen Mitenzahnrad 5 kämmen, und
benötigen
lediglich entsprechend unterschiedlich große Außenhülsen 6, 6', 6''.
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Wie 1c anschaulich
zeigt, unterscheidet sich die Drehzahl zwischen Mittenzahnrad 5 und
Außenhülse 6 bzw. 6' bzw. 6'' – abgesehen von der Drehrichtung – umso stärker, je
größer die
dazwischen angeordneten Ritzel 4, 4', 4'' sind.
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2 zeigt
eine Vervielfachung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit in axialer
Richtung:
Wie in der linken Bildhälfte dargestellt, können Mittenzahnrad 5 und
Außenhülse 6 in
axialer Richtung und modulartig formschlüssig vielfach aneinander gesetzt
werden, wobei von jeder Ebene der Mittenzahnräder 5 aus die Elektromotore 1 nur
in eine Richtung abstehen, vorzugsweise in die Richtung, in welche
sich die als Hohlwelle ausgebildete Zentralwelle 15 und/oder
die Außenhülse 6 ebenfalls
erstrecken.
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Auf
diese Art und Weise kann eine in axialer Richtung kaskadierte Baugruppe
geschaffen werden, die in Abtriebsdrehzahl der Abtriebsdrehzahl
einer einzelnen Antriebseinheit entspricht, deren Drehmoment jedoch
der Summe der Drehmomente der einzelnen Antriebseinheiten entspricht.
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Dagegen
zeigt 3 eine radial kaskadierte Baugruppe, bei der mehrere
Antriebseinheiten mit ihren Zentralwellen 15 als Planetenräder in einem
Planetengetriebe laufen, wobei wahlweise das Sonnenrad oder die
Außenhülse dieses
Planetengetriebes als Abtriebswelle der Baugruppe dienen.
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Bei
dieser Lösung
ist zwar die Anzahl der Antriebseinheiten, die auf diese Art und
Weise gekoppelt werden können,
aus Gründen
des Bauraumes begrenzt, jedoch bietet diese radiale Kaskadierung den
Vorteil, dass dabei die gesamte Baugruppe hinsichtlich ihrer Abtriebsdrehzahl
nochmals gegenüber den
Abtriebsdrehzahlen der einzelnen Antriebseinheiten untersetzt ist
und dementsprechend das von der Baugruppe erzeugte Drehmoment höher ist
als die Summe der Drehmomente der einzelnen Antriebseinheiten.
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- 1a,
b
- Elektromotor
- 2
- Getriebe
- 3a,
b
- Motorwelle
- 4
- Ritzel
- 5
- Mittenzahnrad
- 6
- Außenhülse
- 7
- Außenverzahnung
- 8
- Innenverzahnung
- 9
- Steuerung
- 10
- axiale
Richtung
- 11
- Antriebseinheit
- 12
- Gehäuse
- 13
- Solarzelle
- 14
- Akku
- 15
- Zentralwelle
- 16
- Planetengetriebe
- 17
- Baugruppe
- 18
- Schaltrad