DE1613087A1 - Elektromotor mit hochfrequenter Wechselstromspeisung - Google Patents

Description

• Blektromotor mit hochfreguente.r Wechselstromspeisung.
• Die im lolgenden beschriebene Erfindung versucht die Aufgabe zulösen, möglichst viele elektromechaniche Arbeitsspiele pro Sekunde in eine langsame Umdrehung-einer Motorwelle umzuäetzens Ä., ohne dabei Lagerungen-für hohe Drehzehlen, Kollektoren öder CD Schleifringe und zusätzliche Getriebe zu benutzen.
• Damit soll bezweckt werden, Langsamläufer mit günst igem Leistungsgewicht und leichter elek6nischer Steuerbarkeit zu erhalten. Außer elektromagnetischen sollen auch piezöelektrische oder magnetostriktive Wandler in Betracht kommen.
• Grundgedanke ist, die hochfrequenten-Arbeitsspiele nicht als Rotdion sondern als elastische Schwingung zu erzeugen, - etwa im nahen Ultraschallbereich - und-diese'Schwingung in eine langsame Umdrehung zu verwandeln.
• Es sind Planetengetriebe bekannt, bei denen um ein außenverzahntes Stirnzahnrad ein innen..verzahntes Rad gl * eichen Moduls mit nur wenig höherer Zahnzahl liegt. Ist eines der Räder um seine Achse drehbar gelagert, so kann das andere Rad s'eine langsame Umdrehung veranlassen, indem es kreisförpie SchwingMaßen , d#.h. zwei räumlich und in der Phase 0 um 90 gegeneinander verschobene Sinusschwringungen,- jedoch. keine Drehung ausführt. Die Lösung des ge-Ltellten Problems liegt also darin, daß diese Schwingungen viele Arbeitszyklen pro Sek-unde.erzeugen, ohne daß Lager- und Zentrifugalprobleme auftreten und aus denen eine langsame Drehung hohen Drehmoments resultiert. Natürlich kann auch das eine Rad ganz fpst sein und das schwingende sich gleichzeitlig,dr.ehen.
• Laut Prospekt'"Harmonic Drive" der International Division der United Shoe leiachinery CorDoration, Boston, Mass. USA.existiert bereits ein Motor-dieses Prinzips unter dem Namen '-'Responsyn. Actuator". Bei ihm ist-das innere, außen verzahate Rad elastisc"h verforäbar. Es wird durch ein magnetisches Drehfeld verformt -und steht an gegenüberliegenden Stellen im 1-,ingriff.
• Jedoch ist die#ßer Motor nicht zur Lösung der oben genannten Aufgabe gebaut, hohe Leistung bei kleinerem Gewicht abzugeben. Er dient vielmehr nur ald Synchronmotor mit 60 Hz Betriebsfr'äquenz und als Schrittmotor fÜr digitale iwecke. IlTerden bei letzterem bis zu 1400 Hz zugelassen, so au--gesprochen nicht, #um höhere Leistung zu-erzielen, sondern "at light loads".
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, dieses Antriebsprinzip für hoheleistungen nutzbar zu machen.
• Gegenstand der Erfindung-ist ein Elektromotor, bei dem durch elastische Kreisschwingungen eines Rads-eines Planetengetriebes eine Drehung kleinerer Frequenz-erzeugt wird. Er zeichnet sich gegenüber dem genannten bekannten Motor dadurch aus, daß bei gleichzeitiger Verkleinerung des Zahnaioduls das Übersetzungsverhältnis el. Antriebsfrequenz - mech-Abtriebfrequenz auf eine Größenordung über 100 bis 1000 :'l gesteigert ist, daß die elstischen Schwingungen bei voller Drehzahl im Ultraschallbereich liegen, und daß als speisende Quelle ein D.rehstromerzeuger synchron gesteuerter Fiequenz und variabler Spannung vorhanden ist.
• Als Antriebssystem für die Erzeugung der Kreisschwingungen könna piezoelektrische oder magneto.§triktive Wandier Verwendung finden. A uch kann ein hydraulischer Wandler zwischen-Geschaltet sein, cTer mit einem,Kolben oder'Faltenbä-lg gerInseren Querschnitts eine ausreichende Amplitude erzeugf* Auch mit magnetischen Kräften ist ein solcher Hochleistungs-Motor betreibbar , wenn ein hochfrequentes Drehfeld (bei weichmagnetischem. Material einseitig) umläuft, welches zwei Ferritringe ineinander abrollen läßt.
• Bei solchen Fdrritringen kann die Zahnijn& sogar weg- elassen und durch die Oberflächenrauheit und die magnetische Haftkraft ersetzt',ribrden. Wenn es" wie in diesem Fall J wegender Sp:i2ödigkeit des MFaterials nicht möglich ist, durch elastische Verformung der M-- rollenden Zahnkränze Eingriffe an gegEnÜberliegenden Stellen zu verursachen, so können Trägheits,kräfte entstehen. Um- diese zu vermeiden,-'setzt man . zwei -oder.' n gleiche 1.rLotore dicht hintereinander auf di*e gleiche' Ach se und läßt sie mit 1800 bzw. 3600 Phasenverschiebung arbeiten.: Der zum Betrieb der l#.-lotören notwendige zwei- oder'Mehrphasige Drehstromerzeuger enthält für jede Phase einen Kraftverstär-ker, der vcn"die Lage des Schwingers abtastenden, Sensoren gesteuert wird.
• Der Vortell des neuen Motors. liegt in seiner Leistungssteigerung. Dabei wird das Gewicht dadurch -niedrig -gehalten, daß das Getriebe Teil des 'Motors splbst ist.-Schließlich sind keine Verschleißteile., wie Lager fÜrhohe Drehzahlen.-Kollektoren oder Schleifringe-vorhanddn.
• So wird er besaders zum Antrieb von Fahrzeugen geeIgnet. CD Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweisel.an Hand von Zeichnungen erläutert-. Eä zeigen' Fig. 1 und 2 ein Planetengetriebe, mit dem die Grundlage der Antriebsart erläutert. wird, sowie (Fig.2) ein Antriebssystem zu diesem Getriebe.
• Fig.3 -Eine Ausführungsart--des neuen leotors mit piezo elektrischem Antrieb., Fig,. 4 Eine andere AusfÜhrungsart dieses Motors mit Yerritringen-und magnetischem Antrieb, In Fig,. 1 ist ein Planetengetriebe-mit den Rädern-1 und 2 gezeigt. Das äußere Rad besitzt 100, das innere -Rad, 90 Zähne. Da der Zahnmodul gleich ist-, verhalten sich die'Teilkreisdurchmessäer wie 10 : g. i#ührei., nun, Wie Gestiiehelt di-e Punkte 3,4,5 'und - 6 und damit- # alle Teile des Rades 1 #-ey-no,hrön-kre:'Lsfdrmige- Beviegungen aus" so rollt das Rad-2" welches-u-m- eine feste- Achse drehbar a-ägtordnet- ist, bei jeder- Kreisbewegung um 10 Zäne weiter.
• Ist allgemein z a die Zahl der Zähne, d a der TeilkreUsdurchmesser des ab-etriebenen Rades, Az die Differenz der Zähne-U zahl und,4 d die Differenz der Te-ilkreisdurchmesser beider Räder, . so wird das Übersetzungsverhältnis Ü e1. Prequenz des Antriebs : mech. Frequenz des Abtriebs Der Durchmesser der Kreisschwingung =" doppelte Amplitude der be . iden 900 phasenvers-chobenen Sinusschwingungen ist ebenf alls A d.
• In Rig.2 ist schematisch eine Aufhängung-und ein Antrieb für das Rad7 1 dargestellt. Es ist an den Stellen 7 fest mit Blattfedern 8 verbünden, die ihrerseits durch starre Stege9. verbunden sind.So kann das Rad 1 waagerecht in Y.-Richtung schwingen. Die Stege 9 sind mit Blattfedern 10 an einem Rahmen 11 befest#-igt,'so daß sie senkrecht, d.h. in y-Richtung schwingen können. Die Antriebssysteme 12 und 13, die z.B.
• aus Zugmagneten oder Tauchspulsystemen bestehen können, erzeugen die Scirwingbewegungen, wobei sie mit geeigneten #liechselströmen,erregt werden.
• Das bisher betrachtete Beispiel mit Ü 9 entspricht noch nicht den Kennzeichen der Erfindung; für die geforderte An- näherung an T!erte zwischen Ü = 100 und 1000 ist jedoch folgendes daraus abzuleiten: a) Das innere Rad kann sich nicht anders bewegen, als auf dem Innenkreid des äußeren abzurolleni Eine Bewegung auf einer Sehne, damit ein Heraussprihgen aus der Zahnung wird durch den schrägen Eingriff der Zähne zu beiden Seiten des Berührungspunkts verhindeit. Dies ist noch deutlicher zu erkennen, wenn, bei größerem die Zähne' seitlich bis annähernd 900 ineinandergreifen. Das bedeutet, daß der elektrische Antrieb nicht. kritisch ist, da die genaue Amplitude und Phase derBewegung durch das Abrollen erzwungen werden. b) Beim Erhöhen von tY muß der Zahnmodul verkleinert werden.-Es ist leicht zu sehen, daß bei einer geometrisch ähnlichen Verkleinerung die Verringerung der einzelnen Zahnflankenflädhen durch die höhere Zahl von Zähnen kompensiert wird. Dadurch bleibt das übertragbare Drehmoment unveg#ändert. In Fig. 3 ist mit 20 das äußeremit 23 das innere Rad eines Getriebes bezeichnet. In diesem-Beispiel ist das äußere Rad mit der Abtriebswelle .21 in einem Lager 22 drehbar gelagert, "ährend das innere Rad 23 mittels Laschen 24, Doppelblattfedern 25 und dreier Federgeg,enlager'26 elastisch'mit-de.m Gehäuse 27 verbundene Die Teile 25 und--26'sind der Übersichtlichkeit halber nur einmal'dai-gestellt.-Der Teilkreis-unter-Isc hied.Ad ist aus dem gleichen Grund viel zu groß gezeichnet.' Ist der Teilkreisdurchmesser z.B. 20 cm# so wÜrde#der Luftspalt, (in Fig.3 oben) nur noch 012 mm" die'Zahnhöhe-nur etwa 0,1 mm betragen, wenn Ü = 1000 sein soll-. Sol,.! die Aähse 21 sich mit 20 U/sec. drehen,-.(was an der Hinterachse eines.Autos etwa 13,0 km/h entspriel#--t), so muß also die Frequenz"der Antriebsschwingung 20 kHz ihre A litude 0,1 mm betragen.
• ulp Zum Antrieb dieser Schwingungen sind piezoelektrische Viandleze, 29 (Z.B.- Bariumtitanat) vorg _gesehen,-welche sich auf einem gehäusefesten Dorn 28 abstÜtzen. Über ZuleituAgen 30 werden sie elektrißch versorgt. VTenn der Hub dieser T9e4idler zu klein, die Kraft aber zu groß ist, go-setzen hydraulische TJandler 31 diese l',lerte um. Die Kolben 32 di-eser INandler besitzen dann eine um den Umwandlungsfal#tor kleinere Pläche.
• Statt der piezoelektrischen le.',landler 29 können auch magneto, striktive li'iaiidler eingesetzt werden. Selbstverständlich sind' die Antriebsspann-Unden im'Fall der Fig.3 um 120 0 phasenverschob.ene Sinusspannungen.
• Die Anordnung derFig- 3 läßt sich leicht in eine solche verändern, bei der die Reaktionskräfte nach-außen 'praktisch kompensiert sind. Dazu ist das'Innenrad 23 über den g , anzen Umfang in der Mitte gespalten ( gestricheAte.-Linie 32) . jed.es dieser Einzelräder ist für sichvon 3 IT.landlern angetrieben, die dicht beieinander auf d'em gleichen Dorn 28 sitzen, aber gegenphasige Spaftnungen erhalten...Dadurch schwingen die beiden Teilräder 23 gegenphasig, und die.Reaktionskräfte heben sich auf.
• Bei dem in Fig.4 gezeigten Beispiel bestehen dasäußere Rad-40 und das innere Rad 45 aus weichmagnetischem Ferrit. Das äuflere Rad hat Nuten 41, in die eine - nur teilweise gezeichnete wicklung 42 eingelegt ist. Auch hier ist die Tellkreisdifferenz zu groß gezeichnet. Mlit Doppelblattfe.dern 43 ist das Rad'40 elastisch am Gehäuse 44 befestigt.
• Das innere Rad 45 sitzt auf einer Scheibe 46, die mit einem Flansch 47 au-f der Welle 48 -angebracht ist,9 In der gezeichneten. Stellung liegt der Beriihrungspunkt der Räder oben.
• CD diesem Augenblick alle Spulen der linken Hälfte vTerden in eingeschaltet, so daß abwechselnd Nord- und Südpole zwischen den Nuten entstehen, so wird der Berührungspunkt nach-links wandern. Dabei. .müss.en alle Spulen hinter dem BerÜhrungspunkt abgeschaltet werden, da ihre magnetischen Kräfte sonst das Loslösen erschweren würden. Keue Spulen, bis an die Stelle des größten Luftspalts müssen dafÜr zugeschaltet werden..
• Es ist leicht vorstellbar und deshalb zeichnerisch nicht dargestellt, daß über den Umfang des Rads 40 mehrere Fühler z.B. induktiver Art, verteilt sind, welche über Halbleiterschaltelemente die zugeordneten Spulengruppen in der besehriebenen lleise zu- und abschalten. - Wird dabei- der Strom erhöht oder läßt die Belastung,der-VITelle 48 nach, so -wird automatisch die Frequenz höher werden und umGekehrt. Ein gleiches manetischei Verhalten ergibt sich aber auch, wenn die Spulen für ein normales zwei- oder dreiphasiges Drehfeld gewickelt und vers'chaltet, jedoch über Dioden.angeschloss-en sind, so daß immer nur eine Hälfte umlaufend erregt ist. Die Frequenz des Drehstroms , muß natürlich wieder -von der Schwingung abgegriffen werden.
• So hat der neue Motor mit den bekannten "kollektorlosen Gleichstrommotoren'it gemeinsam., wi e ein Synchronmotor zu arbeiten, der sich für die verschiedenen Drehzahlen die synchrone Antriebsfrequenz selbst herstellt.
• Außer den in Fig.3 und 4 dargebtellten Beispielen sind noch viele Variationen und Kombinationen möglich. So kann in Ab- wandlung der Beschreibung zu Fig.4 per.manentmagnetischer Ferrit CD -für das Rad 45 verwendet werden, der achsial über d,en ganzen Umfang gleich magnetisiert ist. Dann müssen im Rad.-40 ebenfalls achsiale Nord- und Südpole erregt-werden. Auch eine radiale "magnetische Verzahnung" ist möglich, bei der,4z = 1 sein kann. Bei 'der Verwendung hartmagnetischer Materialien braucht das Magnetf el d nicht mehr "einseitig" umzulaufen, da jetzt durch Umpolung eine Abstoßung erzielt wird.
• Auch kann ein ma,-,netischer Antrieb mit- normalen Zahnrädern des Planetensetriebes kombiniert sein.

Claims (1)

1. Elektromotor, bei dem durch elastische KreisschwingungEn eines Rads eines Planetengetriebes eine.Drehung.kleinerer Irequenz erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger'.Verkleinerung des Zahnmoduls das Ulbersetzungsverhältnis =,el. Antri.ebsfg:,qaenz mech.Abtriebsfrequenz auf eine Größenordnung- Über 100 -bis 1000 : 1 -gesteigert ist, daß die elast-ischen Schwingungen bei voller Drehzähl-im Ultraschallbereich lieg.en und daß als 'speisende Quelle ein Drehs-tromerzeuger synchron gesteu,--2-rter Frequenz und..vari abler. Spannung vorhanden ist. 2. Elektromotor nach Anspruch 1, da'urch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Kreiszchwingungen piezoele . ktrische Viandler(29)-vorhanden sind. 3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Kreis sch,.ljingungen magnetostriktive Wandler vorhanden sind. 4-. Elektromotor nach einem der AnsprÜche 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tandler (29) und Zahnrad (2-3 hydrau-, lische Anpassungsglieder (31) vorhanden sind, 5. Elektromotor hach Anspruch 1, dadurch gekenn zeiz"hnet., daß zwei durch ein hoc--hfrequentes magnetisches Drehfeld-beaufschlagte, ineinander abrollende Ferr'Itrinße (40,45) vorhanden sind. 6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeie hnet, daß die Zahnung durch die Oberflächenrauhheit und die -1Iiagne.-tisähe Haftkraft der Ferritringe ersetzt ist. Elektromotoi- nach einem der Ansprüche 1 - 6, bei dem starfe, nicht verformbare Zahnräder um- elastische -.Auf hängungen ihre Kreisschwingung-ausführen,-dadurch gekennzeichnet" daß zur Vermeidung von ]Reaktionskräften,_zwei oder n-Motore dicht hintereinander auf der gleichen Achse sitzen und mit 1800 bzw. 1-3600 Phasenverschiebung arbeiten.' n 8. Elektromotor nach einem der 1-ns-or;dehe 1 dadurch gekennzeichnet, daß er den Drehstromerzeuger steuernde Sensoren aufweist.