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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb, aufweisend mindestens einen Antriebsmotor, mindestens ein Getriebe, insbesondere ein Überlagerungsgetriebe, mindestens einen Steuermotor sowie mindestens eine elektronische Steuerung.
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Überlagerungsgetriebe sind eine besondere Form von Umlaufrädergetrieben, auch Planetengetriebe genannt. Dabei handelt es sich um Zahn- oder Reibradgetriebe, die neben gestellfesten Wellen auch Achsen besitzen, die auf Kreisbahnen im Gestell umlaufen, wobei die umlaufenden Achsen parallel zu den gestellfesten Wellen verlaufen können. Der Umlauf des Rades, das eine umlaufende Achse aufweist, erfolgt koaxial zu beiden umkreisten Rädern, mit denen es gepaart ist. Dieses Rad wird als Planetenrad bezeichnet, während die beiden gestellfesten Räder als Zentralräder bezeichnet werden. In einer Bauform ist ein Zentralrad als Hohlrad mit einer Innenverzahnung ausgeführt, wobei das andere Zentralrad als Sonnenrad eine zentrale Position in dem Getriebe aufweist. Das Planetenrad ist üblicherweise an einem mit umlaufenden Steg befestigt. Üblicherweise weist ein Planetengetriebe mehrere Planetenräder auf, die über den Steg miteinander verbunden sind.
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In einem Überlagerungsgetriebe ist das Hohlrad nicht fest mit dem Gehäuse verbunden, sondern rotatorisch beweglich. Im Allgemeinen besteht ein Überlagerungetriebe grundsätzlich aus mindestens drei beweglichen Teilen, nämlich mindestens einem Sonnenrad, mindestens einem Satz Planetenräder und mindestens einem Hohlrad.
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Der Antriebsmotor wie auch der Steuermotor werden jeweils mit einer der drei Getriebe-Komponenten fest verbunden. Die verbleibende dritte Getriebe-Komponente wird mit der Getriebe-Abtriebswelle verbunden und überträgt das Drehmoment an die Arbeitsmaschine weiter. In einer Ausführungsform wird das Hohlrad über den Steuermotor angetrieben, während der Antrieb über das Sonnenrad oder den Steg der Planetenräder und der Abtrieb über die jeweils verbleibende andere Getriebe-Komponente erfolgen. Dabei kann je nach Drehrichtung des Hohlrads die Abtriebsdrehzahl positiv oder negativ beeinflusst werden.
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Sind beide Motoren direkt am Getriebe-Gehäuse angeflanscht, so entsteht eine schwere, große und teure Konstruktion, da die Gehäusestabilität auf entsprechend hohe statische sowie dynamische Belastungen ausgelegt werden muss.
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Weiterhin beinhalten solche Antriebe die gleichen Merkmale wie die in der Antriebstechnik weit verbreiteten Getriebemotoren, welche die Abtriebsdrehzahl mit Hilfe des integrierten Getriebes je nach Bedarf und Übersetzungsverhältnis erhöhen bzw. reduzieren können, eine Drehmomentanpassung an die Arbeitsmaschine erlauben und mit dem Antriebsmotor fest verbunden sind, was eine kompakte und platzsparende Einheit entstehen lässt sowie dem Endanwender Montage- und Ausrichtungsarbeiten erspart.
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Als Antriebsmotoren kommen beispielsweise Kurzschlussläufermotoren zum Einsatz. Allerdings erzeugen Kurzschlussläufermotoren baubedingt sehr hohe Einschaltströme, welche das Achtfache des Nennstroms betragen können. Insbesondere große Motoren belasten so während des Einschaltvorgangs sehr stark die Stromnetze.
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Effiziente und Strom sparende Permanentmagnet-Synchronmotoren können nicht als preisgünstige netzgeführte Motoren verwendet werden, da diese erst auf die Netzfrequenz beschleunigt werden müssen.
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In vielen Fällen werden deshalb Frequenzumrichter verwendet, welche die hohen Einschaltströme der Kurzschlussläufermotoren reduzieren sowie auch Synchronmotoren antreiben können. Weiter können Frequenzumrichter die Motordrehzahl und somit die Drehzahl beziehungsweise Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine verändern.
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Frequenzumrichter bringen aber Nachteile mit sich wie beispielsweise Netzrückwirkungen wie Oberwellen oder Ableitströme, Lagerströme oder EMV Probleme und beeinflussen so oft negativ die Lebensdauer des Antriebsmotors.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kompakten und einfach herstellbaren elektrischen Antrieb anzugeben, der die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des elektrischen Antriebs ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–15.
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Ein erfindungsgemäßer elektrischer Antrieb weist mindestens einen Antriebsmotor und mindestens ein Getriebe auf, wobei das Getriebe in einem Gehäuse angeordnet ist und ein gehäusefestes Gestell und mindestens eine gestellfeste Achse sowie mindestens eine auf einer Kreisbahn im Gestell umlaufende Achse aufweist, wobei um die Achsen jeweils mindestens ein rotierbares Rad angeordnet ist. Dabei ist mindestens ein Rad als rotatorisch bewegbares Hohlrad ausgeführt. Mindestens eines der Räder ist durch den Antriebsmotor antreibbar. Weiterhin weist das Getriebe mindestens einen Steuermotor sowie mindestens eine elektronische Steuerung auf. Der erfindungsgemäße elektrische Antrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Motoren, das heißt der Steuermotor und/oder der Antriebsmotor, in dem Gehäuse integriert ist. Damit entsteht ein kompakter und einfach herstellbarer Antrieb, wobei das Getriebe als Überlagerungsgetriebe benutzbar ist.
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Als Steuermotor kann ein drehzahlgeregelter Motor, vorzugsweise ein DC-Motor eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein mit Hilfe eines Frequenzumrichters geregelter AC-Motor zum Einsatz kommen. Der Steuermotor kann sowohl ein Innenläufer, wie auch vorzugsweise ein Außenläufer sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Steuermotor des Getriebes in dem Gehäuse integriert. Der Steuermotor ist im Allgemeinen kleiner als der Antriebsmotor, wodurch bei Integration dieses Motors in das Getriebegehäuse ein besonders kompakter und einfach herstellbarer Antrieb entsteht. Alternativ kann auch der Antriebsmotor in das Getriebegehäuse integriert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eines der Räder durch den Steuermotor antreibbar und/oder abbremsbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Hohlrad über den Steuermotor angetrieben, während der Antriebsmotor auf das Sonnenrad oder den Steg der Planetenräder wirkt und der Abtrieb über die jeweils verbleibende andere Getriebe-Komponente erfolgt. Dabei kann je nach Drehrichtung des Hohlrads die Abtriebsdrehzahl positiv oder negativ beeinflusst werden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Läufer des Steuermotors direkt mit einem der Räder verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Läufer des Steuermotors direkt mit dem Hohlrad verbunden ist. Der Steuermotor weist beispielsweise einen Läufer, einen Stator und einen Permanentmagneten oder Trafobleche auf, wobei der Steuermotor-Läufer fest mit dem Hohlrad verbunden ist, indem er beispielsweise einstückig mit dem Hohlrad ausgeführt ist. Dadurch wir eine besonders kompakte Bauform und besonders einfache Herstellbarkeit des Antriebs erreicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Drehzahl des Steuermotors mittels der elektronischen Steuerung veränderbar. Durch die Drehzahlveränderung des Steuermotors lässt sich die Drehzahl der Abtriebswelle besonders einfach verändern.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der Steuermotor mittels der elektronischen Steuerung auch generatorisch betreibbar ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist im generatorischen Betrieb des Steuermotors die vom Steuermotor erzeugte elektrische Energie über die elektronische Steuerung in ein Versorgungsnetz einspeisbar, so dass in bestimmten Betriebszuständen des Antriebs Energie zurückgewonnen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Drehzahl des Antriebsmotors mittels der elektronischen Steuerung veränderbar. Die Drehzahlregelung sowohl des Steuermotors als auch des Antriebsmotors mit derselben elektronischen Steuerung bedeutet dabei die Einsparung einer separaten Steuerung für den Antriebsmotor.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die elektronische Steuerung einen frei programmierbaren PID-Regler aufweist. Sie kann deshalb über eine analoge Schnittstelle oder alternativ über ein Bussystem Regelungsaufgaben übernehmen. Der Regler kann dabei zur Regelung von Steuermotor- und/oder Antriebsmotordrehzahl in einem geschlossenen Regelkreis einen Soll-Istwert-Vergleich der mit einem Sensor gemessenen Drehzahl der Getriebeabtriebswelle mit einer zuvor eingestellten Solldrehzahl durchführen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die elektronische Steuerung einen elektrischen Bypass auf, der einen netzgeführten Betrieb des Antriebsmotors erlaubt. Im stromlosen Zustand des Steuermotors ist das Hohlrad frei beweglich. Der Antriebsmotor ist so von der Arbeitsmaschine getrennt und kann ohne nennenswerten Widerstand durch die elektronische Steuerung auf seine Synchrondrehzahl beschleunigt werden. Ist die Nenndrehzahl erreicht, schaltet die elektronische Steuerung auf den Bypass zur direkten Netzspeisung um. Der Antriebsmotor läuft danach netzgeführt mit seiner Nenndrehzahl weiter.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Abtriebswelle mit der Symmetrieachse des Steuermotors zusammen fällt. Dadurch baut der Antrieb besonders kompakt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Antriebsmotor am Gehäuse des Getriebes befestigt. Dadurch ist der Antriebsmotor fest mit dem Getriebe verbunden, wobei der Antrieb weiter an Kompaktheit gewinnt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die elektronische Steuerung einen Frequenzumrichter oder eine Kommutierungsschaltung auf. Die Steuerelektronik kann sowohl den Hauptantriebsmotor lastlos auf seine Nenndrehzahl beschleunigen, als auch die Abtriebsdrehzahl mit Hilfe des Steuermotors im Nebenkraftfluss regeln.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der elektrische Antrieb Sensoren zur Messung der Drehzahlen des Antriebsmotors, des Steuermotors und der Abtriebswelle aufweist. Die gemessenen Drehzahlen werden der elektronischen Steuerung übermittelt, wodurch der Regler der elektronischen Steuerung die Regelung des Steuermotors und/oder des Antriebsmotors durchführen kann.
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Im stromlosen Zustand des Steuermotors ist das Hohlrad frei beweglich. Der Antriebsmotor ist so von der Arbeitsmaschine getrennt und kann ohne nennenswerten Widerstand durch die elektronische Steuerung auf seine Synchrondrehzahl beschleunigt werden. Ist die Nenndrehzahl erreicht, schaltet die elektronische Steuerung auf Bypass zur direkten Netzspeisung um. Der Antriebsmotor läuft danach netzgeführt mit seiner Nenndrehzahl weiter.
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Wird das Räderwerk des Überlagerungsgetriebes durch den Antriebsmotor angetrieben, so rotiert auch der mit dem Getriebe verbundene Läufer des Steuermotors. Die Abtriebswelle und somit die Arbeitsmaschine stehen jedoch still. Der Beschleunigungsvorgang der Arbeitsmaschine beginnt, indem der Steuermotor seiner Drehbewegung ein Bremsmoment entgegenbringt, und seine Drehzahl kontinuierlich reduziert. Im gleichen Maße wie die Drehzahl des Steuermotor-Läufers abnimmt, steigt die Drehzahl der Abtriebswelle und somit der Arbeitsmaschine.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Von den Abbildungen zeigt:
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1 einen erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb in einer schematischen Darstellung
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2 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs in einer schematischen Darstellung
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer elektrischen Antrieb in einer schematischen Darstellung gezeigt. Der Steuermotor 10 weist einen Läufer 11, einen Stator 10, einen Permanentmagneten 9 auf und ist direkt im Gehäuse 12 des Überlagerungsgetriebes integriert. Statt des Permanentmagneten 9 ist auch die Verwendung von Trafoblechen vorstellbar. Das Getriebe weist ein Hohlrad 5, ein Sonnenrad 14 und mindestens zwei Planetenräder 3 auf, die über einen Steg 4 miteinander verbunden sind. Der Läufer 11 ist direkt mit dem Hohlrad 5 verbunden. Der Antriebsmotor 16 ist an einem Flansch 2 des Gehäuses 12 des Überlagerungsgetriebes angeflanscht. Das Sonnenrad 14 ist mit der Welle 15 des Antriebsmotors 16 fest verbunden und leitet das Antriebsdrehmoment an die mit dem Steg 4 verbundenen Planetenräder 3 weiter. Der Steg 4 ist fest mit der Abtriebswelle 7 verbunden. Das erste Lager 13 der Abtriebswelle 7 ist fliegend auf der Antriebsmotorwelle 15 gelagert. Das zweite Lager 8 der Abtriebswelle 7 ist als Festlager im Gehäuse 12 des Überlagerungsgetriebes gelagert.
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Die elektronische Steuerung 6 weist entweder einen Frequenzumrichter oder eine Kommutierungselektronik auf. Sie kann einen PID Regler beinhalten und kann deshalb über eine analoge Schnittstelle oder alternativ über ein Bussystem Regelungsaufgaben übernehmen. Sie ist über einen Motoranschlusskasten 1 mit einem Versorgungsnetz 18 verbunden. Sie kann sowohl den Antriebsmotor als auch den Steuermotor ansteuern.
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Als Steuermotor kann ein drehzahlgeregelter Motor, vorzugsweise ein DC Motor eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein mit Hilfe eines Frequenzumrichters geregelter AC Motor zum Einsatz kommen. Der Steuermotor kann sowohl ein Innenläufer wie auch vorzugsweise ein Außenläufer sein. Die elektronische Steuerung 6 ist sowohl mit dem Steuermotor als auch mit dem Antriebsmotor 16 verbunden und ist in der Lage, sowohl die Drehzahl des Antriebsmotors 16 als auch die des Steuermotors anzusteuern.
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Der elektrische Antrieb weist Sensoren 17, 19, 20 zur Messung der Drehzahlen des Antriebsmotors 16, des Steuermotors 10 und der Abtriebswelle 7 auf. Die gemessenen Drehzahlen werden der elektronischen Steuerung 6 übermittelt, wodurch der Regler der elektronischen Steuerung 6 die Regelung des Steuermotors und/oder des Antriebsmotors 16 durchführen kann.
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Im stromlosen Zustand des Steuermotors ist das Hohlrad 5 frei beweglich. Der Antriebsmotor 16 ist so von der Arbeitsmaschine getrennt und kann ohne nennenswerten Widerstand durch die elektronische Steuerung 6 auf seine Synchrondrehzahl beschleunigt werden. Ist die Nenndrehzahl erreicht, schaltet die elektronische Steuerung 6 auf Bypass zur direkten Netzspeisung um. Der Antriebsmotor 16 läuft danach netzgeführt mit seiner Nenndrehzahl weiter.
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Wird das Räderwerk des Überlagerungsgetriebes durch den Antriebsmotor 16 angetrieben, so rotiert auch der mit dem Getriebe verbundene Läufer 11 des Steuermotors. Die Abtriebswelle 7 und somit die Arbeitsmaschine stehen jedoch still. Der Beschleunigungsvorgang der Arbeitsmaschine beginnt, indem der Steuermotor seiner Drehbewegung ein Bremsmoment entgegenbringt, und seine Drehzahl kontinuierlich reduziert. Im gleichen Maße wie die Drehzahl des Läufers des Steuermotors abnimmt, steigt die Drehzahl der Abtriebswelle 7 und somit die der Arbeitsmaschine.
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2 stellt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs dar. Der Antriebsmotor 16 ist mit dem Steg 4 verbunden und treibt hierüber die Planetenräder 3 an. Die Abtriebswelle 7 ist direkt mit dem Sonnenrad 14 verbunden. Die Funktionsweise entspricht im Übrigen der in 1 beschriebenen Ausführungsform.
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Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motoranschlusskasten
- 2
- Flansch
- 3
- Planetenrad
- 4
- Steg
- 5
- Hohlrad
- 6
- Elektronische Steuerung
- 7
- Abtriebswelle
- 8
- zweites Lager
- 9
- Permanentmagnet
- 10
- Stator
- 11
- Läufer
- 12
- Gehäuse
- 13
- erstes Lager
- 14
- Sonnenrad
- 15
- Antriebsmotorwelle
- 16
- Antriebsmotor
- 17
- Sensor
- 18
- Versorgungsnetz
- 19
- Sensor
- 20
- Sensor
