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Die vorliegende Erfindung betrifft eine drehzahlveränderliche Maschinen-Getriebe-Einheit.
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GB 1 305 393 A (W. H. Allen Sons & Co. Ltd.) 31.01.1973 beschreibt einen drehzahlveränderlichen Antrieb, der einen größeren drehzahlkonstanten Elektromotor, einen kleineren drehzahlveränderlichen Elektromotor und ein dreiwelliges Umlaufgetriebe aufweist. Die beiden antreibenden Elektromotoren und eine Abtriebswelle können in jeder beliebigen Kombination jeweils mit dem Sonnenrad, dem Planetenträger und dem Hohlrad des Getriebes verbunden sein.
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DE 36 40 146 A1 (H.-G. Eckhardt) 01.06.1988 beschreibt einen drehzahlveränderlichen Antrieb mit einem dreiwelligen Planetengetriebe, dessen zwei Antriebswellen mit voneinander unabhängig betriebenen Antriebsmaschinen verbunden sind. Dabei kann die eine, drehzahlveränderliche, Antriebsmaschine auch als Generator betrieben werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Getriebe bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine drehzahlveränderliche Maschinen-Getriebe-Einheit gemäß Anspruch 1.
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Die drehzahlveränderliche Maschinen-Getriebe-Einheit umfasst eine drehzahlveränderliche elektrische Maschine und ein mit der elektrischen Maschine rotatorisch gekoppeltes Überlagerungsgetriebe. Die elektrische Maschine und das Getriebe sind als eine Baueinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Mit dem Begriff „elektrische Maschine“ sind solche elektrischen Maschinen gemeint, welche, je nach dem Betriebspunkt der Maschine, sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden können. Der Leistungsfluss ist je nach dem Betriebspunkt der Maschine motorisch oder generatorisch.
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Das gemeinsame Gehäuse kann aus zwei oder mehr Komponenten, wie z.B. Grundkörper, Deckel, Flansche, Schilde, zusammengesetzt sein.
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Die vorliegende Erfindung, bei der eine auch „Regulator“ genannte drehzahlvariable elektrische Maschine, wie sie insbesondere in einem drehzahlvariablen Antrieb, umfassend einen drehzahlkonstanten Elektromotor und eine drehzahlvariable elektrische Maschine, zum Einsatz kommt, in ein Getriebe integriert ist, hat den Vorteil, dass die somit gebildete integrierte Maschinen-Getriebe-Einheit bzw. Regulator-Getriebe-Einheit auf einfache Weise mit einem drehzahlkonstanten Standard-Elektromotor verbunden werden kann.
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Durch die Integration des Regulators in das Getriebe wird eine kompakte Bauweise der Maschinen-Getriebe-Einheit erreicht. Gegenüber herkömmlichen Lösungen können somit Kupplungen zwischen der drehzahlvariablen elektrischen Maschine und dem Getriebe entfallen. Die Lagerung von drehenden Teilen des Regulators kann von Bauteilen im Getriebe übernommen werden.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen drehzahlveränderlichen Antrieb nach Anspruch 4. Der drehzahlveränderliche Antrieb umfasst eine drehzahlveränderliche Maschinen-Getriebe-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einen drehzahlkonstanten Elektromotor. Dabei ist ein erstes drehbar gelagertes Bauelement des Getriebes mit der drehzahlveränderlichen elektrischen Maschine rotatorisch gekoppelt. Außerdem ist ein zweites drehbar gelagertes Bauelement des Getriebes mit dem drehzahlkonstanten Elektromotor rotatorisch gekoppelt. Während der drehzahlkonstante Elektromotor ständig motorisch betrieben wird, arbeitet die drehzahlvariable elektrische Maschine je nach Betriebspunkt als Motor oder als Generator. Der Leistungsfluss ist also je nach dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine motorisch oder generatorisch.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen Motor-Baukasten nach Anspruch 6. Der Motor-Baukasten ist geeignet für drehzahlveränderliche Antriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 5. Der Motor-Baukasten umfasst eine Elektromotor-Baureihe von drehzahlkonstanten Elektromotoren und eine Baureihe von drehzahlveränderlichen elektrischen Maschinen. Die Baureihe von drehzahlveränderlichen elektrischen Maschinen umfasst Gruppen von je zwei oder mehr drehzahlveränderlichen elektrischen Maschinen, die zur Kombination mit je einem drehzahlkonstanten Elektromotor der Elektromotor-Baureihe geeignet sind.
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Für eine kostengünstige Fertigung und Lagerhaltung ist es vorteilhaft, die verschiedenen Motoren einer Motorreihe mit möglichst vielen gleichartigen Komponenten nach dem Baukastenprinzip aufbauen zu können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der drehzahlveränderlichen Maschinen-Getriebe-Einheit umfasst die elektrische Maschine einen Stator und einen Rotor. Dabei ist der Rotor mit einem drehbar gelagerten Bauelement des Getriebes verbunden. Es ist möglich, dass die elektrische Maschine als ein Innenläufer-Torquemotor ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der drehzahlveränderlichen Maschinen-Getriebe-Einheit weist das Gehäuse an einer seiner Stirnseiten einen Flansch zur Montage an einen Anschlussflansch eines Standard-Elektromotors auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der drehzahlveränderlichen Maschinen-Getriebe-Einheit ist der drehzahlkonstante Elektromotor ein Motor einer Elektromotor-Baureihe, vorzugsweise einer Baureihe von Standardmotoren, und/oder die drehzahlveränderliche elektrische Maschine eine elektrische Maschine aus einer Baureihe von elektrischen Maschinen ist. Für eine kostengünstige Fertigung und Lagerhaltung ist es vorteilhaft, die verschiedenen Motoren einer Motorreihe mit möglichst vielen gleichartigen Komponenten nach dem Baukastenprinzip aufbauen zu können. Somit können Standardmotoren zur Erweiterung bestehender Baureihen genutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der drehzahlveränderlichen Maschinen-Getriebe-Einheit erfolgt die Steuerung der Drehzahl der drehzahlvariablen elektrischen Maschine mittels eines Frequenzumrichters.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung erläutert. Es zeigt
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1 ein Konzept eines herkömmlichen drehzahlvariablen Antriebs;
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2 ein Konzept eines drehzahlvariablen Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Maschinen-Getriebe-Kombination;
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3 ein erstes Getriebeschema eines in der Maschinen-Getriebe-Kombination enthaltenen Getriebes;
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4 ein weiteres Getriebeschema eines in der Maschinen-Getriebe-Kombination enthaltenen Getriebes;
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5 ein weiteres Getriebeschema eines in der Maschinen-Getriebe-Kombination enthaltenen Getriebes;
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6 ein Beispiel einer konkreten Ausgestaltung einer Maschinen-Getriebe-Kombination; und
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7 eine schematische Darstellung einer Maschinen-Getriebe-Kombination, die mit einem Elektromotor verbunden ist.
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1 zeigt einen herkömmlichen drehzahlvariablen Antrieb, der eine elektrische Maschine R, einen Elektromotor M und ein dreiwelliges Überlagerungsgetriebe P umfasst. Mittels der Schalter S können die elektrische Maschine R und der Elektromotor M jeweils mit einem elektrischen Spannungsnetz N verbunden werden. Die elektrische Maschine R kann mittels eines Umrichters C drehzahlvariabel betrieben werden. Die elektrische Maschine R arbeitet je nach Betriebspunkt als Motor oder als Generator, wohingegen der Elektromotor M drehzahlkonstant als Motor arbeitet. Die elektrische Maschine R ist mittels einer ersten Antriebswelle 5, der Elektromotor M mittels einer zweiten Antriebswelle 6 jeweils mit dem Überlagerungsgetriebe P rotatorisch gekoppelt. Das Überlagerungsgetriebe P kann mittels einer Abtriebswelle 10 mit einer Arbeitsmaschine verbunden werden. Der Antrieb des Getriebes P erfolgt durch die zwei Antriebswellen 5 und 6, wobei die erste Antriebswelle 5 auch Leistung an die drehzahlvariable elektrische Maschine R zurückspeisen kann, welche dann generatorisch arbeitet.
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Ein Vorteil dieses drehzahlvariablen Antriebs, der einen größeren drehzahlkonstanten Elektromotor mit einer kleineren drehzahlveränderlichen elektrischen Maschine kombiniert, gegenüber Lösungen mit nur einem drehzahlvariablen Motor liegt darin, dass die relativ kleine drehzahlveränderliche elektrische Maschine des drehzahlvariablen Antriebs mit einem deutlich kleineren Umrichter als bei der einmotorigen Lösung betrieben werden kann.
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2 illustriert schematisch die vorliegende Erfindung, bei der die auch „Regulator“ genannte drehzahlvariable elektrische Maschine des drehzahlvariablen Antriebs in das Getriebe integriert ist, so dass die integrierte drehzahlvariable Maschinen-Getriebe-Einheit mit einem Standard-Motor betrieben werden kann.
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Das dreiwellige Überlagerungsgetriebe kann als ein Planetengetriebe ausgeführt werden. In den 3 bis 5 sind verschiedene Schemata eines Planetengetriebes P dargestellt, welche je nach gewünschter Übersetzung gewählt werden können.
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3 zeigt ein erstes Getriebeschema des Planetengetriebes P, bei welcher der Planetenträger PS mit der ersten Antriebswelle 7 des Planetengetriebes P und das Sonnenrad P1 mit der zweiten Antriebswelle 8 des Planetengetriebes P verbunden ist. Die in dem Planetenträger PS gelagerten Planeten PP kämmen mit dem rotierbar gelagerten Hohlrad P2, welches mit der Abtriebswelle 10 des Planetengetriebes P verbunden ist.
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4 zeigt ein weiteres Getriebeschema des Planetengetriebes P, bei welcher das Hohlrad P2 mit der ersten Antriebswelle 7 des Planetengetriebes P und das Sonnenrad P1 mit der zweiten Antriebswelle 8 des Planetengetriebes P verbunden ist. Der Planetenträger PS ist mit der Abtriebswelle 10 des Planetengetriebes P verbunden.
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5 zeigt ein weiteres Getriebeschema des Planetengetriebes P, bei welcher das Hohlrad P2 mit der ersten Antriebswelle 7 des Planetengetriebes P und der Planetenträger PS mit der zweiten Antriebswelle 8 des Planetengetriebes P verbunden ist. Das Sonnenrad P1 ist mit der Abtriebswelle 10 des Planetengetriebes P verbunden.
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In allen drei beschriebenen Getriebeschemata kann die zweite Antriebswelle 8 des Planetengetriebes P mit dem drehzahlkonstanten Motor M verbunden werden. Die Abtriebswelle 10 des Planetengetriebes P bildet eine Verbindung zu einer Arbeitsmaschine. Die erste Antriebswelle 7 des Planetengetriebes P kann mit der drehzahlvariablen elektrischen Maschine (Regulator) verbunden werden. Durch die Integration von Regulator und Getriebe in eine bauliche Einheit ist die erste Antriebswelle 7 des Planetengetriebes P somit in die Maschinen-Getriebe-Einheit integriert.
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6 zeigt eine Maschinen-Getriebe-Kombination mit dem in 3 gezeigten Getriebeschema, umfassend einen Regulator R und ein Überlagerungsgetriebe P, wobei der Begriff „Regulator“ ein Synonym für eine drehzahlvariable elektrische Maschine ist. Der Regulator R wird je nach Betriebspunkt der Maschinen-Getriebe-Kombination motorisch oder generatorisch betrieben. In der Regel wird die Drehzahländerung des drehzahlvariablen Elektromotors R durch einen Umrichter erreicht.
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Die Maschinen-Getriebe-Kombination R, P ist in einem gemeinsamen Gehäuse 4 untergebracht. Der Einfachheit halber sind die einzelnen Komponenten des Gehäuses 4, aus denen das Gehäuse aus Gründen der Montierbarkeit der Maschinen-Getriebe-Kombination zusammengesetzt ist, in 6 nicht dargestellt. Das Gehäuse 4 weist an seinen beiden entgegengesetzten Stirnseiten je eine Wellendurchführung für eine Antriebswelle 8 und eine koaxial zur Antriebswelle 8 angeordnete Abtriebswelle 10 auf. Am getriebeseitigen Ende der Antriebswelle 8 ist ein Sonnenrad P1 des Getriebes P drehfest angeordnet bzw. ist die Antriebswelle 8 als ein Sonnenrad P1 ausgebildet, während die Abtriebswelle 10 drehfest mit einem drehbar gelagerten Hohlrad P2 des Getriebes P verbunden ist.
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Das Getriebegehäuse 4 weist stirnseitig jeweils einen ringförmigen Lagerstutzen 18, 20 zur Durchführung und Lagerung der Antriebswelle 8 und der Abtriebswelle 10 auf. Die Lagerstutzen 18, 20 weisen Aufnahmen bzw. Führungselemente für erste Lager L1, L2 bzw. eine Wellendichtung D1 der Antriebswelle 8 und zweite Lager L5, L6 bzw. eine Wellendichtung D4 der Abtriebswelle 10 auf.
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Die Antriebswelle 8 ist mit den ersten Lagern L1, L2 in dem Lagerstutzen 18 an der Antriebsseite der Maschinen-Getriebe-Kombination R, P gelagert. An der vom Getriebeinneren abgewandten Seite der ersten Lager L1, L2 ist zwischen der Antriebswelle 8 und dem Gehäuse eine Dichtung D1 angeordnet, die verhindert, dass Schmutz von außen in das Gehäuseinnere eindringt und Schmierstoff aus dem Gehäuseinneren entweicht. Die Lagerung des Sonnenrad P1 gegenüber dem Gehäuse 4 erfolgt also mittels der ersten Lager L1, L2.
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In einem als Motorraum ausgebildeten ersten Gehäuseabschnitt sind die Bauteile des Regulators R angeordnet: ein an dem Gehäuse 4 fixierter Stator 1 und ein drehbar in dem Gehäuse gelagerter Rotor 2. Der von dem Stator 1 durch einen ringförmigen Luftspalt beabstandete Rotor 2 ist über eine elektrische Isolierung IS drehfest an einem Planetenträger PS, auch als Steg bezeichnet, befestigt, welcher mittels dritter Lager L3, L4 drehbar in dem Gehäuse 4 gelagert ist. Dabei ist der die elektrischen Bauteile Stator 1 und Rotor 2 enthaltende Motorraum R durch Dichtungen D2 und D3 gegenüber dem ein Schmiermittel enthaltenden Getrieberaum P abgedichtet. Diese Dichtungen D2, D3 liegen einerseits an dem Außenumfang eines Hohlwellenstumpfs des Planetenträgers PS und andererseits an zwei ringförmigen Rippen an, die von der Innenseite des Gehäuses 4 abstehen.
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Der Arbeitsraum der elektrischen Maschine R und des Getriebes P sind gegeneinander abgedichtet. Auf diese Weise kann der Schmierstoff vom Getriebe nicht zur elektrischen Maschine gelangen. Die Positionen der Dichtungen können auch von denen in 6 gezeigten Positionen abweichen. In einer alternativen Ausführung des Maschinen-Getriebe-Kombination kann vorgesehen sein, dass ein Getriebe-Schmierstoff wie Getriebeöl auch als Kühlmittel dient, sowohl für das Getriebe als auch für den Regulator. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Dichtungen D2 und D3, welche in 6 den Motorraum R gegenüber dem ein Schmiermittel enthaltenden Getrieberaum P abdichten, entfallen.
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In einem als Getrieberaum ausgebildeten zweiten Gehäuseabschnitt sind die Bauteile des Planetengetriebes P angeordnet. Die auf in dem Planetenträger PS angeordneten Planetenachsen PA gelagerten Planeten PP kämmen einerseits mit dem Sonnenrad P1 und andererseits mit einem Hohlrad P2. Dabei ist der Planetenträger PS auf einer Seite über ein Lager L4 gegen das Gehäuse 4 und auf der anderen Seite über ein Lager L3 gegen das Hohlrad P2 gelagert. Das Hohlrad P2 ist mit der Abtriebswelle 10 drehfest verbunden und über diese in den zweiten Lagern L5, L6 in dem Getriebegehäuse gelagert. Auf der von dem Regulator R abgewandten Seite der zweiten Lager L5, L6 schützt die Dichtung D4 den Getrieberaum gegen ein Eindringen von Schmutz bzw. gegen ein Entweichen von Schmierstoff.
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Durch die Kombination einer drehzahlveränderlichen elektrischen Maschine R mit einem Standard-Elektromotor M kann der Anwendungsbereich einer existierenden Baureihe des Standard-Elektromotors M auf einfache Weise erweitert werden.
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Alternativ zu der in 6 gezeigten Ausgestaltung, bei der Regulator R auf der linken Seite des Getriebes P angeordnet ist, kann der Regulator R auch auf der entgegengesetzten, rechten Seite des Getriebes P angeordnet sein.
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Alternativ zu der in 6 gezeigten Ausgestaltung, bei der die Lager L3, L4 des Planetenträger PS auf beiden Stirnseiten der Planetenräder PP angeordnet sind, können die Lager L3, L4 des Planetenträger PS auch auf derselben Stirnseite der Planetenräder PP angeordnet sein, d.h. entweder rechts oder links.
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Es ist auch möglich, dass die Sonne P1 relativ zu dem Planetenträger PS gelagert ist.
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Es ist auch möglich, dass das Planetengetriebe P ein Getriebe der in den 4 oder 5 gezeigten Getriebeschemata ist.
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7 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Maschinen-Getriebe-Kombination P, R wie in 6, die mittels einer Flanschverbindung F1, F2 mit einem Elektromotor M verbunden ist. Das Gehäuse 4 der Maschinen-Getriebe-Kombination P, R weist zwei Stirnseiten 41, 42 auf. An einer Stirnseite 41 des Gehäuses 4 ist ein Flansch F2 ausgebildet, an dem ein Anschlussflansch F1 eines Standard-Elektromotors M montiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 1305393 A [0002]
- DE 3640146 A1 [0003]
