CN106163951A - 包括电机和传动装置的驱动系统 - Google Patents

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CN106163951A CN201580018287.3A CN201580018287A CN106163951A CN 106163951 A CN106163951 A CN 106163951A CN 201580018287 A CN201580018287 A CN 201580018287A CN 106163951 A CN106163951 A CN 106163951A
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Abstract

本发明涉及一种驱动系统，该驱动系统特别应用于输送技术和食品工业，该驱动系统包括：固定的轴(1)；电机(2)，其具有定子(6)和可绕着轴(1)转动的转子(3)；传动装置(16)，其用于降低转子(3)的转速；和，滚筒(13)，其可被传动装置(16)以降低的转速驱动并可绕着轴同心地转动。转子(3)和传动装置(16)被设置在滚筒(13)内。电机(2)的定子(6)被设置在滚筒(13)外。优选地，定子(6)整体地包围滚筒(13)，或部分地包围滚筒(13)，特别是实质上在滚筒(13)内设置有转子(3)的轴向区域(B)处包围滚筒(13)。还可能有利的是，定子(6)仅部分地包围滚筒(13)，特别地，以半壳体(25)的形式仅围绕滚筒(13)的外周(15)的180°或以下的区域。尽管需要小的空间，但本发明允许大的扭矩以较低转速传递到可转动的滚筒，并且在具有润滑剂的空间内不需要使部件转动的供电线或不需要馈线。这使得本发明特别适用于输送系统，尤其是用于在卫生和清洁度方面有严格要求的食品工业。

Description

包括电机和传动装置的驱动系统
本发明涉及一种驱动系统，该驱动系统具有用于驱动可转动滚筒的电机和传动装置(Getriebe)，该驱动系统特别用于输送技术和/或在清洁度方面有严格要求(Sauberkeitsanforderung)的场合。
传动电机(Getriebemotor)应用于机械工程的多个领域，用来产生转动或直线运动。然而，即使仅为了产生较低的扭矩，电机通常也要以较高转速运行。借助于传动装置，能够以适当比率降低转速(Drehzahl)，其中扭矩被相应地增大。
具有传动装置的电机常常应用于输送技术，以便直接地或借助于皮带(特别是齿形带)来驱动辊或输送器。
在仅有少量空间可用和/或在清洁度和卫生方面有特定要求的部分应用中，传统的传动电机无法以最优的形式使用。传统的传动电机常常需要过多的空间和/或无法以合理成本水平来清洁。对于这些应用，常常使用所谓的滚筒式电机，如在WO2013/143550A1中说明的。由于滚筒内的自由空间(Volumen)被用来容纳电机和相关传动装置，因此这种驱动装置是非常紧凑的。扭矩在滚筒内产生并传递到滚筒并由此驱动负载。因此，滚筒式电机具有固定的内轴，该内轴具有绕其转动的滚筒，并且驱动装置容纳在该滚筒内。这需要一般在固定的轴内布线(verlegen)的供电线。而将该滚筒相对于(可能沿着供电线蔓延的)的润滑油进行密封是很难实现的，并且如果在食品工业中使用的话还可能会引起与卫生相关的问题。
此外，GB 2472020 A公开了一种滚筒式电机，其具有外侧的定子和内侧的转子，并且定子和转子设置在滚筒内。
其它的基本问题还在于：在滚筒内，电机仅能有较小的直径，而电机的转子和定子不得不受限于该直径内。由于能够产生的电机扭矩大致与电机的直径的平方成比例增大，因此一般来说上述具有较小的直径的情况代表仅能产生较低的扭矩。此外，在电机中，随着功率的增大导致产生越来越多的、必须要被耗散掉的热，而这些热在实践中仅能(在滚筒式电机的情况下)经由滚筒的表面耗散掉，由此对滚筒内部的电机的功率造成了限制。
从这种情况出发，本发明的目的是提供一种驱动系统，该驱动系统在很大程度上避免了前述缺点，然而却具有简单的构造、易于清洁并且能够在空间受限和在清洁度方面有严格要求的场合下使用。
该目的是通过如权利要求1所述的驱动系统实现的。单独的或在技术上有意义而被彼此组合的、属于本发明的有利构造在从属权利要求中说明。
根据本发明的驱动系统具有：固定的轴；电机，该电机具有定子和能够绕着轴转动的转子；传动装置，该传动装置用于降低转子的转速；以及，滚筒，该滚筒能够被传动装置以降低的转速驱动并且能够绕着轴同心地转动，其中转子和传动装置被设置在滚筒内，该驱动系统的特征在于，电机的定子被设置在滚筒外。根据本发明，滚筒在电机的定子与转子之间的气隙内转动，这在设计和出于构造系统的目的的方面产生很大优点。不同于传统的滚筒式电机，根据本发明的驱动系统具有两个在机械上独立的组成部件，也就是说，内部带有转子和传动装置的滚筒和设置在该滚筒外的定子。由于电机的直径不再受限于滚筒的直径，因而电机能够产生比传统的滚筒式电机大很多的扭矩量。在滚筒式电机内可用于定子和转子的总共的空间现在可几乎完全被用于转子。
本发明的优点可以通过不同类型的电机以类似的方式实现，而不是受限于特定类型的电机。关键步骤在于，仅仅将电机的转子设置在滚筒内。除了明显可能需要提供更大的功率量和更高的扭矩以外，滚筒式电机已知的其余组成部件(特别是传动装置)可以几乎不进行任何改变就移植过来。还应当指出的是，根据传动装置的类型，固定的轴无需是连续的；相反，该轴可以通过被构造为两个轴件(Wellenstücken)的连接件的传动装置实现中断，例如在行星传动装置系统(Planetengetrieben)中就可以是这种情况。
在本发明的优选实施方式中，定子整体地包围滚筒，或者是部分地(确切地说实质上仅在滚筒内设置有转子的轴向区域处)包围滚筒。通常的情况下，转子被设置在滚筒的一个端部区域，但这决不是唯一可能的实施方式。也可以是按以下构造：例如，转子和(设置在外部的)定子被设置在滚筒的大致中央位置处。
特别有利的是，构造定子使得其仅部分地包围滚筒，特别地，以半壳体或部分壳体的形式仅围绕该滚筒的外周的180°或以下的区域。此种对于各种类型的电机没有任何严重缺点地构造的实施方式具有以下优点：在滚筒被安装好的情况下，能够容易地移除并且例如更换或清洁定子。
半壳体形式的定子还使得能够实现如下系统：即其中，如果需要的话，一个半壳体形式的定子能够被第二半壳体形式的定子补充以形成完全包围滚筒的定子。一方面，由两个半壳体合到一起构成的定子特别适用于简洁的安装和清洁；另一方面，根据所需的扭矩，可以仅设置一个半壳体，如果需要较高扭矩，则可以通过第二半壳体补充。有利的是，第二半壳体被构造成使得其能够被插接到第一半壳体上，特别是还具有用于第二半壳体内的感应线圈的供电线的插入式连接件(Steckverbindung)。另外，两件式的定子的两个半定子可以是对称构造的。
如已经解释的，滚筒在转子与定子之间的气隙内转动，因此，从技术上说，通常被称为电机的气隙的、在定子与转子之间的距离由转子的外周与滚筒的内周之间的内侧气隙、滚筒的厚度、和滚筒与定子之间的外侧气隙共同构成。优选地，在转子与滚筒的内周之间的内侧气隙具有0.5-2mm的第一宽度，在滚筒的外周与定子的内周之间的外侧气隙同样具有该宽度。滚筒自身具有0.2到5mm之间的厚度。总的来说，当然期望保持转子与定子之间的距离尽可能小，但即使在转子与定子之间有不同的热膨胀量或小的失调量(Dejustierung)的情况下以及在受污染的情况下，滚筒也必须能够在转子与定子之间至少以非接触的方式转动。
对于本发明而言，特别优选的实施方式如下：定子具有感应线圈，用于产生电场，并且能够优选经由具有至少一个可拆卸的插入式连接件的供电线与电源进行电连接。由于使电机运行所需的电能被供给到位于滚筒外部的定子，因此能够同时实现两个优点。一方面，对在电机内产生的、主要在感应线圈中出现的热进行散热的任务能够比从滚筒的内部散热容易得多且更有效率。另一方面，定子不包含任何必须用润滑油进行润滑的可移动的组成部件，因此也无需考虑密封供电线以防止润滑油流出的问题。如果使用可拆卸的插入式连接件，那么即使没有专业知识也能够容易地移除和清洁定子或更换另一定子，例如更换为不同供电电压或功率等级的定子。
在本发明的优选实施方式中，转子配备有相对的磁极，其还可以是永磁体，由此在滚筒内部的转子的构造是非常简洁的。
对于高的功率等级，建议为定子配备无源或有源的冷却部件。在最简单的情况下，特别地，在定子的外部有冷却肋(Kühlmitteln)。然而，还可以具有范围从风扇到水冷回路的有源冷却部件。
根据本发明的设计允许在构造整个驱动系统时有一定自由度，这是由于较大尺寸的转子能够产生更大的扭矩并因此无需提供如高转速所需的那么多的功率。总的来说，这使得传动装置优选按照10到100的系数实现转子的转速减速，而扭矩则被相应地增大。
由于滚筒在转子与定子之间运动，因此有利的是，滚筒由非铁磁材料制成，优选由不锈钢制成。通常，不锈钢特别适用于在卫生方面有严格要求的食品工业，这是因为不锈钢能够耐受频繁的清洁。还可能是以下情况：低导电率等级或由相对于彼此绝缘的薄金属片制成的构造是有利的，以便将滚筒内的涡流和相关损失保持在低水平。由于仅需要经由滚筒的表面耗散掉少量的热，因此对于滚筒来说还可以考虑使用导热性差的材料，特别是塑料材料或复合材料。
对于本发明的优选实施方式而言，电机和传动装置在轴向上一前一后地设置，在具有机械传动装置的传统的滚筒式电机的情况下也是如此。根据空间条件，特别是如果基于传动装置的构造不可能使轴通过整个传动装置，则可能必要的是出于支撑组成部件的目的，将相对于滚筒同心定位的内管设置在气隙内，然而这不会对系统的功能有任何大的不利的影响。在实践中，转子与定子之间的距离要容纳通过三个气隙分隔开的两个同心的组成部件。
然而，对于另一优选实施方式而言，将传动装置相对于电机的转子大致同心地设置。在WO 07125284A1中对此类装置(其还被称为电磁传动装置)的功能进行了阐述。其原理可以与本发明中的滚筒有利地结合，在任何情况下都要在电机之间的气隙内转动的滚筒，其在转子与定子之间的区域中在该滚筒的外周上配备有铁磁元件，特别是轴向延伸的杆，即其数量和方向能够使得滚筒以降低的转速被直接驱动，如在WO 07125284A1中关于转动较慢的转子说明的。具有同心传动装置的电机的原理还在“Proceedings ofthe2008International Conference on Electrical Machines(电气机械2008国际会议的会议记录)”中由Kais Atallah等人所发表的文章“A New PM Machine Topology for Low-Speed,High-Torque Drives(低速、高扭矩驱动器的新式PM机械拓扑)”(论文编号1455)中有所说明，在该文章中还能够找到适用于本发明的、线圈和相对的磁极的适当设置的示例。在本文中，全面参考该文章及其公开内容。
以下参照附图更详细地解释本发明的示例性实施方式，但本发明不限于这些示例性实施方式，在附图中：
图1示出了根据本发明的驱动系统的示意性纵截面图，
图2示出了图1的从电机区域的截面图出发的示意立体图，以及
图3示出了具有半壳体形式的定子的示例性实施方式的电气装置的示意图。
图1示出了根据本发明的驱动系统的示意性纵截面图。电机2的转子3借助于轴承22以可转动的方式安装于固定的轴1。在本示例性实施方式中，转子3具有相对的磁极5，并因此能够借助于从外部施加的磁场来使转子3转动。该转动借助于转子联轴器(Rotorkupplung)23传递到传动装置16的输入轴17。传动齿轮以本身已知的方式向下传递该转动，并因此传动装置16(或者根据构造，传动装置16的壳体)的输出轴18比输入轴17更慢地转动，但提供了相对高的扭矩。借助于滚筒联轴器24，该转动传递至滚筒13，滚筒13包围转子3和传动装置16。该滚筒借助于滚筒轴承部件21以可转动的方式安装在固定的轴1上，并且具有实质上圆柱的形状(然而该滚筒13还可包括具有不同直径的部分)。转子3位于滚筒13的特定区域B中。在该区域B中，滚筒13至少部分地被定子6从外部包围，该定子6具有用于产生磁场的感应线圈7。从电源26经由供电线8为感应线圈7供电，其中存在有可拆卸的插入式连接件9以方便定子6的移除。具有0.2-2mm(毫米)的第一宽度L1的外侧气隙20位于定子6的内周10与滚筒13的外周15之间。此外，具有同样大约0.2-2mm的第二宽度L2的内侧气隙19位于转子3的外周4与滚筒13的内周14之间。在区域B中，滚筒13自身的厚度为0.5-5mm，因此，对于电机2整体来说，转子3与定子6之间的距离为0.9-9mm。电机2的效率随着该距离减小而增大，但滚筒13必须始终能够在转子3与定子6之间自由转动，也就是说即使在这些组成部件有不同的热膨胀量的情况下、或者在滚筒13略微弯曲、失衡(Unwucht)或被污染的情况下，滚筒13也必须始终能够在转子3与定子6之间自由转动。
图2示意性地示出了从设置有电机2的区域B的截面出发的驱动系统的立体图。轴1被转子3的轴承22和被转子3本身同心地包围。具有宽度L2(出于清楚的目的，宽度L2已在本图中被放大尺寸)的内侧气隙19位于转子3的外周4与滚筒13的内周14之间。具有宽度L1(同样放大尺寸)的外侧气隙20位于滚筒13的外周15与定子6的内周10之间。在滚筒13外部，根据本发明，可以按不同方式构造的定子6相对于固定的轴1、转子3和滚筒13同心地定位。如由虚线表示的，定子6可以完全包围滚筒13，而且还可以由多个部分壳体中的两个或更多个部分构成或者甚至只包括一个半壳体25，该半壳体25仅包围滚筒13外周的180°或以下的区域。对于该实施方式，可容易地移除定子6，这对于清洁或改造的目的或者在改变系统的功率或电源的情况下可能是有用的。如果定子6由两个对称的半壳体25合到一起构成，则特别有利的是在两个半壳体25之间设置电气的插入式连接件27，使得在组装两个半壳体25以形成定子6时，能够同时连接两个半壳体内的感应线圈7的电源。优选地，定子6配备有冷却部件12(在本示例性实施方式中为冷却肋)，这确保了良好的散热。定子不包含任何可移动部分，并且可以被容纳在完全闭合的壳体11内，特别是由不锈钢制成的完全闭合的壳体11内。完成所有这些所需的是，供电线8向外布线穿过该壳体11。不同于通入滚筒13内部的供电线(来自传动装置16或轴承21、22的润滑油可能位于滚筒13的内部)，对到达定子的馈线(Durchführung)不会带来任何问题。
图3示出了本发明的示例性实施方式的、具有半壳体形状的定子6的电构造和/或磁构造的示意截面图。在本示例性实施方式中，定子6包含三个感应线圈7和五个完整磁极27和两个半磁极27。确切地说，该定子对应于具有12个磁极的半个定子，并且通过两个磁极将定子分成两半。三个感应线圈17被供给电流R、S、T，这些电流R、S、T具有使转子3转动的旋转电场。在本示例性实施方式中，转子3具有通过槽(Schlitze)28间隔开的10个相对的磁极5。根据期望的转速，还可以设置更多或更少的相对磁极5。在该图中，滚筒13仅由虚线表示。如果使用电磁传动装置来驱动滚筒13，则如在WO 07125284A1中说明的，滚筒13可以同样地配备有适当数量的铁磁元件。
对于本发明来说，基本上能够使用由传统的滚筒式电机已知的磁性装置。如果使用半壳体形式的定子和电磁传动装置，则需要满足进一步的条件。如果使用半壳体形式的定子和多相电源，则磁极的数量(两个半磁极算为一个磁极)等于偶数倍的相数量，也就是说，在三相电流(R、S、T)的情况下，磁极的数量为6个、12个、18个等。对于电磁传动装置而言，不同的减速等级使用适当的磁性装置能够从文献获知。
本发明使得能够提供滚筒式电机方式的驱动系统，其具有较高等级的功率和更好的散热，其中单独设置在外部的定子允许高的灵活性。特别地，能够在无需整体拆除滚筒的情况下更换定子，以便改变功率等级或适应不同的电源。另一方面，在定子固定到系统上的情况下，还可以单独取出或更换滚筒。在使用包括一个或两个半壳体的定子的情况下，还能够进一步增大配置的灵活性。这使得本发明特别适用于输送系统，并且非常特别适用于在卫生和清洁方面有严格要求的食品工业。
附图标记列表
1 固定的轴
2 电机
3 转子
4 转子的外周
5 相对的磁极
6 定子
7 感应线圈
8 供电线
9 可拆卸的插入式连接件
10 定子的内周
11 定子的壳体
12 冷却部件
13 滚筒
14 滚筒的内周
15 滚筒的外周
16 传动装置
17 输入轴
18 输出轴
19 内侧气隙
20 外侧气隙
21 滚筒轴承部件
22 转子的轴承
23 转子联轴器
24 滚筒联轴器
25 半壳体
26 电源
27 电气的插入式连接件
L1 外侧气隙的第一宽度
L2 内侧气隙的第二宽度
B 转子的区域
R、S、T 相

Claims (13)

1.一种驱动系统，包括
-固定的轴(1)；
-电机(2)，所述电机(2)具有转子(3)和定子(6)，所述转子(3)能够绕着所述轴(1)转动；
-传动装置(16)，所述传动装置(16)用于降低所述转子(3)的转速；以及
-滚筒(13)，所述滚筒(13)能够被所述传动装置(16)以降低的转速驱动并且能够绕着所述轴同心地转动，其中所述转子(3)和所述传动装置(16)被设置在所述滚筒(13)内，
其特征在于，
所述电机(2)的定子(6)被设置在所述滚筒(13)外。
2.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述定子(6)整体地包围所述滚筒(13)，或者是部分地包围所述滚筒(13)，所述部分地包围所述滚筒(13)是实质上在所述滚筒(13)内设置有所述转子(3)的轴向区域(B)处包围所述滚筒(13)。
3.如权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，所述定子(6)沿周向仅部分地包围所述滚筒(13)，特别是以半壳体(25)的形式仅围绕所述滚筒(13)的外周(15)的180°或以下的区域。
4.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述定子由两个半壳体(25)形成，所述两个半壳体(25)被合在一起时能够沿周向完全包围所述滚筒(13)，其中特别地，所述半壳体(25)能够被插接在一起以便同时在所述半壳体(25)之间生成电气连接件(27)
5.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，在所述转子(3)的外周(4)与所述滚筒(13)的内周(14)之间存在内侧气隙(19)，所述内侧气隙(19)优选具有0.5至2mm的第一宽度(L2)。
6.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，在所述定子(6)的内周(10)与所述滚筒(13)的外周(15)之间存在外侧气隙(20)，所述外侧气隙(20)优选具有0.5至2mm的第二宽度(L1)。
7.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述定子(6)具有感应线圈(7)，所述感应线圈(7)能够优选经由具有至少一个可拆卸的插入式连接件(9)的供电线(8)与电源(26)进行电连接。
8.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述转子(3)配备有相对的磁极(5)。
9.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述定子(6)具有无源的或有源的冷却部件(12)，特别是冷却肋。
10.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述传动装置(16)被构造成用于按照3到100的系数实现所述转子(3)的转速减速，而扭矩被相应地增大。
11.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述滚筒(13)和/或所述定子(6)的壳体(11)由非铁磁材料，优选不锈钢构成。
12.如前述权利要求中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述传动装置在轴向上靠近所述转子设置。
13.如权利要求1至11中的任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述传动装置相对于所述转子同心地设置，在所述转子的区域，所述滚筒沿周向设置有杆状的铁磁元件，所述杆状的铁磁元件在所述定子和所述转子的磁场下以降低的速度驱动所述滚筒。
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