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Die Erfindung betrifft einen Antrieb, umfassend ein Taumelgetriebe.
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Aus der Veröffentlichung KEM 1997, Digest Seite 94 ist ein Taumelgetriebe bekannt, das von einem Motor angetrieben wird. Der Motor führt dabei der Eintriebswelle des Taumelgetriebes Drehmoment über seinen Rotor zu. Vorteilhaft ist dabei, dass das Taumelgetriebe ein sehr kompaktes Getriebe ist und große Untersetzungen ermöglicht. Nachteilig ist bei der Konstruktion, dass der Motor ein großes Bauvolumen beansprucht.
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Aus der
DE 195 33 084 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Getriebe bekannt.
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Aus der
US 5 804 898 A ist ein Elektromotor bekannt, der magnetische Energie eines Dauermagneten nutzt.
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Aus der
DE 29 910 731 U1 ist eine Schaltungsanordnung zum pulsweitenmodulierten Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers bekannt.
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Aus der
US 3 428 839 A ist ein elektrischer Aktuator mit einem Taumelscheibengetriebe bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen kompakten Antrieb, umfassend Getriebe und Motor, aufzuzeigen und weiterzubilden, wobei ein möglichst kleines Bauvolumen der gesamten Konstruktion beansprucht wird und die Lösung kostengünstig ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antrieb nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren zum Betreiben eines Antriebs nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass der Antrieb derart ausgeführt ist, dass ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld auf die Taumelscheibe derart einwirkt, dass ein Drehmoment über die abtreibende Welle des Taumelgetriebes abgebbar ist. Dabei ist vorteilhaft, dass die Taumelscheibe als Getriebeteil nicht nur mechanisches Getriebeteil ist sondern zusätzlich ein Teil des elektrischen oder elektromagnetischen Motors ist. Somit wird die Kraft oder das Drehmoment in der Taumelscheibe direkt erzeugt. Somit ist der Antrieb äußerst kompakt ausführbar und es entfallen alle sonst üblichen Teile für den Transfer des vom Motor erzeugten Drehmoments, wie beispielsweise Passfederverbindung, Adapter, Kupplung, Lager oder dergleichen. Der Antrieb weist also bei äußerst kleinem Bauvolumen ein hohes Abtriebs-Drehmoment auf. Die weiteren Vorteile des Taumelgetriebes bleiben natürlich erhalten, insbesondere die Kompaktheit und die Möglichkeit große Untersetzungen zu ermöglichen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Antrieb motorisch oder generatorisch betreibbar. Von Vorteil ist dabei, dass der Antrieb nicht nur ein Drehmoment abgeben kann sondern auch ein Drehmoment als Generator zur Energieerzeugung aufnehmen kann. Insbesondere ist er in Anlagen einsetzbar, bei denen eine Energierückgewinnung oder ein bremsen mittels des Antriebs erforderlich ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Taumelscheibe derart ausgelegt und die Einwirkung der elektrischen, magnetischen und/oder elektromagnetischen Felder auf die Taumelscheibe derartig ist, dass ein Drehmoment für die Taumelscheibe erzeugt wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Taumelscheibe und/oder die zu ihr zählenden Teile aus derartigen Materialien aufgebaut ist, dass in der Taumelscheibe ein Drehmoment erzeugbar ist. Insbesondere ist sie aus elektrisch isolierenden und/oder aus elektrisch leitenden Materialien aufbaubar.
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Erfindungsgemäß ist der Antrieb derart mit elektrisch isolierenden Materialien ausgeführt und umfasst zumindest drei nicht mitdrehende, derart angeordnete Kondensatorplatten und die Taumelscheibe umfasst mindestens drei mitdrehende, derart angeordnete Kondensatorplatten, dass mittels eines elektrischen Feldes je nach an die nichtdrehenden Kondensatorplatten angelegter Spannung ein Drehmoment für die Taumelscheibe erzeugbar ist, und/oder dass die mitdrehenden Kondensatorplatten der Taumelscheibe stets auf dasselbe elektrische Potential gebracht werden. Von Vorteil ist dabei, dass besonders hohe Drehzahlen erreichbar sind, da nur die Kondensatoranordnung elektrisch geladen und entladen wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antrieb zumindest einen nicht mitdrehenden Spulenkörper mit einer oder mehreren Spulen. Von Vorteil ist dabei, dass ein hohes Drehmoment erzeugbar ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung arbeitet der Antrieb nach dem Prinzip eines Asynchronmotors, und/oder weist die Taumelscheibe mindestens eine Kurzschlusswicklung auf. Von Vorteil ist dabei, dass zum Betrieb der Spulen Umrichter einsetzbar sind, die zumindest Teile eines Steuer- und Regelverfahrens für Servomotoren verwenden. Zusätzlich wirken die dem Fachmann bekannten Vorteile des Servomotors.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung arbeitet der Antrieb nach dem Prinzip eines Reluktanzmotors, und/oder dass die Taumelscheibe mindestens zwei magnetisch herausragende Pole umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass zum Betrieb der Spulen Umrichter einsetzbar sind, die zumindest Teile eines Steuer- und Regelverfahrens für Reluktanzmotoren verwenden. Darüber hinaus wirken die dem Fachmann bekannten Vorteile des Reluktanzmotors.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung arbeitet der Antrieb nach dem Prinzip eines Servomotors, und/oder dass die Taumelscheibe mindestens zwei Permanentmagnete umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass zum Betrieb der Spulen Umrichter einsetzbar sind, die zumindest Teile eines Steuer- und Regelverfahrens für Reluktanzmotoren verwenden. Zusätzlich wirken die dem Fachmann bekannten Vorteile des Reluktanzmotors.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Spulen von einer elektronischen Schaltung versorgt, insbesondere pulsweitenmoduliert. Von Vorteil ist dabei, dass die Spannung an den Spulen steuerbar wird und der Strom regelbar ist. Außerdem sind Pulsweitenmodulatoren kostengünstig einsetzbar, da sie in großen Stückzahlen in der Industrie eingesetzt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen Taumelscheibe und Spulenkörper ein Luftspalt. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Kräfte und somit auch ein hohes Drehmoment erreichbar ist.
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Erfindungsgemäß weist die Taumelscheibe an ihrer planen Seite eine Verzahnung auf, die mit einer ebenfalls planverzahnten, nicht mitdrehenden Scheibe im Eingriff steht. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Untersetzungszahlen in einem sehr kompakten Getriebe realisierbar sind und die Taumelscheibe ein sehr viel höheres Drehmoment an die abtreibende Welle abgibt, als in ihr oder ihren Teilen mittels der Einwirkung der elektromagnetischen Felder erzeugt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Taumelscheibe und die planverzahnte, nicht mitdrehende Scheibe mit Evolventen, Zykloiden oder Trochoiden verzahnt oder als Stirnplanräder mit Hirth-Verzahnung verzahnt. Von Vorteil ist dabei, dass kostengünstig herstellbare Verzahnungen verwendbar sind.
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Wesentliche Merkmale bei einem Verfahren sind, dass ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld auf die Taumelscheibe derart einwirkt, dass ein Drehmoment über die abtreibende Welle des Taumelgetriebes abgegeben wird. Wesentlicher Vorteil dabei ist, dass mittels des Feldes Kraftdichteverteilungen in der Taumelscheibe erzeugt werden, die im Wesentlichen axial wirken und somit das Kippen der Taumelscheibe bewirken. Mittels der Verzahnung der Taumelscheibe wird dann radiale Kraftdichteverteilung erzeugbar, die ein mittels des Untersetzungsverhältnisses verstärktes Drehmoment erzeugen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Spulen des Antriebs gesteuert und/oder geregelt betrieben. Von Vorteil ist dabei, dass mit Spulen Magnetfelder erzeugbar sind, die insbesondere zusammen mit Permanentmagneten erhebliche Kräfte ausüben. Insbesondere sind auch statisch große Kräfte erzeugbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Antrieb nach dem Prinzip eines Asynchronmotors betrieben, und/oder die Taumelscheibe umfasst eine Kurzschlusswicklung. Von Vorteil ist dabei, dass die Kurzschlusswicklung kostengünstiger ist als teure Permanentmagnete.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Antrieb nach dem Prinzip eines Relukztanzmotors betrieben, und/oder die Taumelscheibe umfasst mindestens zwei magnetisch herausragende Pole. Von Vorteil ist dabei, dass magnetisch herausragende Pole sehr kostengünstig herstellbar sind, beispielhaft aus entsprechend geeigneten Stanzteilen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Antrieb nach dem Prinzip eines Servomotors betrieben, und/oder die Taumelscheibe umfasst mindestens zwei Permanentmagnete. Von Vorteil ist dabei, dass sehr starke Kräfte kostengünstig und auf kleinem Bauvolumen erzeugbar sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Taumelscheibe an ihrer planen Seite eine Verzahnung mit Zähnezahl Z1 auf, die mit einer ebenfalls planverzahnten, nicht mitdrehenden Scheibe mit Zähnezahl Z2 im Eingriff steht und das Untersetzungsverhältnis des Taumelgetriebes ist Z2/(Z2-Z1). Von Vorteil ist dabei, dass hohe Untersetzungszahlen bei hohem Abtriebsmoment und kleinstem Bauvolumen erzeugbar sind.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- 1 zeigt einen Querschnitt durch erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
- 2 zeigt einen A-B-Schnitt senkrecht dazu.
- 3 zeigt eine axiale Draufsicht beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
- 4 verdeutlicht als Prinzipskizze das Funktionsprinzip der Erfindung.
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Eine planverzahnte, nicht mitdrehende Scheibe 5 und eine ebenfalls planverzahnte, aber drehbar gelagerte Taumelscheibe 6 weisen eine geringe Zähnezahldifferenz auf. Die Verzahnung 13 der Scheibe 5 und die Verzahnung der Taumelscheibe 6 sind im Eingriff. Die Taumelscheibe 6 ist über ein Viergelenk 12 mit der abtreibenden Welle 1 verbunden. Die abtreibende Welle 1 ist über das Lager 3 im Gehäuse 4 gelagert und über Lager 10 im Spulenkörper 8 gelagert, der auch Gehäusefunktion hat. Die Dichtung 2 und die Verschlusskappe 11 dichtet den Innenraum des Getriebes gegen Schmiermittelaustritt ab und verhindert das Eindringen von Schmutz.
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Auf der Taumelscheibe sind Permanentmagnete 7 angebracht. Der nichtdrehende Spulenkörper 8 und die jeweils bestromten, über den Umfang verteilten Spulen 9 erzeugen ein Magnetfeld, das auf die Permanentmagnete 7 wirkt und somit eine im Wesentlichen axiale Kraft dort ausübt, wo bestromte Spulen 9 ein Magnetfeld erzeugen und die eine passende Polung aufweisenden Permanentmagnete 7 auf der Taumelscheibe 6 sich befinden. Die Position des zugehörigen mittleren Kraftvektors ist festlegbar durch die jeweils bestromte Spule 9.
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Bei Änderung der Bestromung ändert sich auch diese Position. Dies wird beispielsweise durch Abschalten des Stromes der bestromten Spulen 9 und Anschalten des Stromes zumindest einer benachbarten Spule 9 erreicht. Die Taumelscheibe 6 muss sich demgemäß in eine der neuen Position des zugehörigen mittleren Kraftvektors entsprechende Kippstellung bewegen. Da die Verzahnung der Taumelscheibe 6 und der Scheibe 5 ineinander greifen, ist die Taumelscheibe 6 gezwungen sich dabei um einen Winkelbetrag weiterzudrehen.
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Durch ständiges, aufeinander folgendes Bestromen der Spulen 9 kann somit eine taumelnde Bewegung der Taumelscheibe 6 erzeugt werden, wobei die auf 360° durchgelaufene Taumelbewegung der Taumelscheibe 6 die Abtriebswelle 1 um die Zahndifferenz weiterdreht. Das Untersetzungsverhältnis ist somit
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Bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden als Verzahnungen Stirnplanverzahnung eingesetzt, wobei die Zahnbreite dabei nicht konstant ist sondern sich zum Mittelpunkt der Taumelscheibe 6 hin verengt.)
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden die Evolventen geeignet modifiziert mit Zahnflanken-, Zahnkopf-, Zahnfußkorrekturen oder dergleichen. Auch andere geeignete Zahnformen sind verwendbar. Besonders geeignet sind auch kurvenförmige Verzahnungen, wie Zykloiden-, Kreis-Verzahnungen, Kettenverzahnung, Spiroid-Verzahnung, gerad- oder spiralverzahnte Kegelradverzahnung oder dergleichen.
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In der 1 ist mit dem Bezugszeichen 13 die Verzahnung der planverzahnten, nicht mitdrehenden Scheibe 5 bezeichnet, wobei die Verzahnung der Taumelscheibe 6 ebenfalls für den Fall angedeutet ist, dass die Taumelscheibe 6 um 180° taumelnd weitergedreht ist als in der in der 1 eingezeichneten Position der Taumelscheibe 6.
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2 zeigt den in 1 angedeuteten A-B-Schnitt. Der Spulenkörper 8 umgibt die Spulen 9.
abwechseln. Am Umfang der Taumelscheibe sind 8 Spulen 9 angebracht. Die Steuerung der Spulen 9 erfolgt durch eine elektronische Steuerung, die pulsweitenmoduliert betrieben wird.
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Die Taumelscheibe ist über das Viergelenk 12 mit der abtreibenden Welle verbunden.
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Das Viergelenk 12 ist als vereinfachtes Funktionsprinzip dargestellt. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind andere Arten von Viergelenken, wie beispielsweise das Kardangelenk verwendbar.
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4 zeigt das Funktionsprinzip in einer nicht maßstäblichen Prinzipskizze. Die Taumelscheibe 29 ist mit Permanentmagneten 27 derart belegt, dass Nord- und Südpole der Permanentmagnete 27 in sich abwechselnder Reihenfolge auf dem Umfang angeordnet sind.
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Die Taumelscheibe 29 stützt sich beim Abwälzen auf der feststehenden Planscheibe 28 mit Verzahnung 26 ab und dreht sich bei einer vollständigen Taumelbewegung um die Teilungsdifferenz der Verzahnung 26 weiter. Die Verzahnung der Taumelscheibe 29 ist in der 4 nur angedeutet. Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Verzahnung jedoch über den gesamten Umfang erstreckt. Die Richtungen 24,25 des Viergelenks 12 sind in der 4 als gestrichelte Linien eingetragen. Bei 4 ist die Taumelscheibe um die Richtung 25 gekippt auf den Betrachter zu.
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Das Drehmoment wird auf die Abtriebswelle 1 mittels des Viergelenks 12 übertragen. Zwischen Taumelscheibe 6 und Spulenkörper 8 mit Spulen 9 ist ein Luftspalt.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Luftspalt zwischen den Permanentmagneten 7 und dem Spulenkörper 8 mit Spulen 9 mit Material gefüllt, wie Kunststoff oder dergleichen. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Taumelscheibe 6 und der Spulenkörper 8 derart ausgeführt, dass kein oder zumindest kein wesentlicher Luftspalt vorhanden ist.
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Wenn alle Spulen unbestromt sind, kann die Taumelscheibe 6, 29 aus der Verzahnung 13, 26 herausgleiten, insbesondere bei auf die abtreibende Welle beispielsweise von der Last her wirkendem Drehmoment. Dann dreht die abtreibende Welle frei. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden daher Maßnahmen getroffen, die auch im unbestromten Fall die Taumelscheibe 6, 29 in die Verzahnung 26, 13 drücken, also die Verzahnung in Eingriff halten. Beispielsweise wird der Spulenkörper mit einigen schwachen Permanentmagneten belegt oder die Taumelscheibe wird mit einem drehbaren Exzenterhebel derart zwangsgeführt, dass sie immer in einer gekippten Stellung bleibt. Eine andere solche Maßnahme ist ein federndes Teil, das an der Taumelscheibe 6, 29 und an der abtreibenden Welle 1 derart befestigt ist, dass die Befestigungspunkte jeweils drehbar sind. Je nach Kippstellung wandert in diesem Fall der Befestigungspunkt am Umfang der abtreibenden Welle 1 herum und der andere Befestigungspunkt am Umfang der Taumelscheibe 6, 29 herum. Somit wird die Taumelscheibe 6, 29 auch bei Stromausfall in einer gekippten Stellung gehalten.
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Das beschriebene Funktionsprinzip entspricht also im Wesentlichen dem eines Synchronmotors, wobei hier 8 Spulen 9 verwendet werden.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird eine andere Anzahl von Spulen 9 und/oder Permanentmagneten 7 verwendet.
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In analoger Weise lassen sich bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch andere Funktionsprinzipien einsetzen.
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Beispielsweise ist das Reluktanzprinzip verwendbar. Dabei werden statt der Permanentmagnete 7 Materialerhöhungen und -vertiefungen auf die Taumelscheibe 6 aufgesetzt. Bei 4 sind also beispielhaft die Nordpole N herauszunehmen und die Südpole S als magnetisierbares Material auszuführen. Bei Bestromung einer Spule wird dann ein solchermaßen ersetzter Südpol ein magnetisch herausragender Pol. Auf diesen wirkt gemäß des Reluktanzprinzips eine derartige Kraft, dass die Taumelscheibe 6, 29 wiederum gekippt wird. Bei Bestromung einer anderen Spule verändert die Taumelscheibe 6, 29 ihre Kippposition entsprechend. Durch geeignetes aufeinander folgendes Bestromen der Spulen 9 wird die Taumelscheibe 6, 29 wiederum in eine taumelnde Drehbewegung versetzt und die abtreibende Welle 1 angetrieben.
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Die Materialvertiefungen können bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel auch aufgefüllt werden mit einem nicht magnetisierbaren Material, wie Kunststoff oder dergleichen. Dies beeinträchtigt die erfindungsgemäße Wirkungsweise nicht.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Funktionsprinzip eines Asynchronmotors anwendbar. Dabei trägt die Taumelscheibe 6, 29 mindestens eine Kurzschlusswicklung. Die Spulen 9 werden derart bestromt, dass ein sich veränderndes elektromagnetisches Feld entsteht, das Ströme in der Kurzschlusswicklung derart induziert, dass auf die Taumelscheibe 6, 29 zur Erzeugung der taumelnden Drehbewegung Kräfte im Wesentlichen in axialer Richtung wirken.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Funktionsprinzip mittels elektrisch geladener Kondensatoren ausgeführt. In 4 sind in diesem Fall die Südpole S als elektrische Kondensatorplatten ausgeführt, die Nordpole N sind aus elektrisch isolierenden Stoffen ausgeführt oder nicht vorhanden. Die Kondensatorplatten können in axialer Richtung derart verformt sein, dass sie zur Bildung eines starken elektrischen Feldes Spitzen zum Spulenkörper 8 hinaufweisen. Der Spulenkörper weist ebenfalls elektrisch aufladbare Kondensatorplatten oder elektrisch aufladbare Kondensatorplatten mit Spitzen auf, die jeweils gegeneinander isoliert sind. Die Kondensatorplatten sind dabei jeweils einzeln aufladbar. Spulen sind bei einem solchen Ausführungsbeispiel nicht notwendig. In einer beispielhaften Ausführungsform werden sehr viele, beispielsweise 180, Kondensatorplatten, die Rasierklingen ähneln am Spulenkörper und entsprechend an der Taumelscheibe angebracht.
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Die Kondensatorplatten der Taumelscheibe 6, 29 sind bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform isoliert gegeneinander, bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Kondensatorplatten elektrisch miteinander und mit der elektrischen Erde verbunden.
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Geeignet aufeinander folgendes Auf- und Entladen der Kondensatorplatten am Spulenkörper erzeugt einen, seine Position wechselnden, mittleren Kraftvektor und die Taumelscheibe wird in taumelnde Drehbewegung versetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- abtreibende Welle
- 2
- Dichtung
- 3
- Lager
- 4
- Gehäuse
- 5,28
- planverzahnte, nicht mitdrehende Scheibe
- 6,29
- Taumelscheibe
- 7,27
- Permanentmagnet der Taumelscheibe
- 8
- Spulenkörper
- 9
- Spulen
- 10
- Lager
- 11
- Verschlusskappe
- 12
- Viergelenk
- 13,26
- Verzahnung
- 24,25
- Richtungen des Viergelenks
