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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckluft-Flügelzellenmotor in Außenrotorbauweise gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Druckluftmotoren, d. h. durch Druckluft angetriebene Motoren, sind für verschiedene Anwendungsgebiete attraktiv. Hierzu zählt insbesondere alle Anwendungen mit Explosionsschutzauflagen, wo Elektromotoren nicht oder nur mit zusätzlicher aufwendiger Sicherheitsausstattung eingesetzt werden können. Auch für diverse Werkstattanwendungen, wo Druckluft ohnehin verfügbar ist, sind Druckluftmotoren attraktiv. Gegenüber Elektromotoren sind auch die Abwesenheit einer Wärmeentwicklung sowie (jedenfalls gegenüber herkömmlichen kommutierten Elektromotoren) die Abwesenheit einer Funkstörung Vorteile eines Druckluftmotors, die letzteren für bestimmte Anwendungen attraktiv machen.
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Die
DE 11 05 430 A offenbart u. a. einen in Außenrotorbauweise ausgeführten Druckluft-Flügelzellenmotor der gattungsgemäßen Art, bei dem die beiden Flügel Teil eines starren Schiebers sind, der in dem Statorkern in einem diesen durchsetzenden Durchbruch als Ganzes verschiebbar gelagert ist. Zur Luftzufuhr zum bzw. Luftabfuhr vom jeweiligen Arbeitsraum sind in dem Rotor radial außerhalb des den Stator aufnehmenden Hohlraums Luftströmungskanäle vorgesehen, welche in den Hohlraum münden.
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Im Lichte dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckluftmotor bereitzustellen, der sich konstruktionsbedingt bei zuverlässiger und einfacher Ausführung der Steuerung der Druckluftzuführung zu und Abluftabführung von den Arbeitsräumen zur Abgabe eines vergleichsweise hohen Drehmoments eignet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, dass bei einem Druckluft-Flügelzellenmotor der gattungsgemäßen, im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art der Schieber an seiner Oberfläche Luftströmungsnuten aufweist, die jeweils mit in dem Statorkern angeordneten Luftströmungskanälen (Druckluftkanälen und Abluftkanälen) kommunizieren und jeweils dergestalt Teil eines durch den Schieber und den Durchbruch des Statorkerns gebildeten Schieberventils sind, dass abhängig von der Stellung des Schiebers relativ zum Statorkern die Luftströmungskanäle jeweils mit einer der Arbeitskammern kommunizieren oder aber gegenüber dieser verschlossen sind.
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Während bei üblichen bekannten Flügelzellenmotoren die einzelnen Flügel jeweils individuell verschieblich in einer zugeordneten schlitzförmigen Aufnahme des Rotors (bei Innenrotor-Motoren) oder des Stators (bei Außenrotor-Motoren) gelagert sind, wobei sich dabei zwei einander diametral gegenüberstehende Flügel bestenfalls federnd gegeneinander abstützen (
US 1996875 A ,
DE 2404317 A1 ), sind bei dem erfindungsgemäßen Flügelzellenmotor die beiden (einander diametral gegenüberstehenden) Flügel Teil eines starren Schiebers, der in einem den Statorkern quer durchsetzenden Durchbruch verschiebbar gelagert ist. Der Schieber führt, während der Rotor rotiert, innerhalb des Stators als ganzes eine oszillierende Bewegung aus. Indem der Schieber ein starres, als Ganzes den Statorkern quer durchsetzendes Bauteil bildet, können auf die einzelnen von dem Schieber umfassten, aus dem Statorkern herausragenden Flügel, ohne dass dies zu einer Gefahr des Verklemmens, Verkantens oder sonstigen Beeinträchtigung der leichtgängigen Verschiebbarkeit der Flügel führt, deutlich größere Kräfte wirken, als dies für den Stand der Technik mit einzelnen Flügeln gilt. Hieraus, d. h. aus den entsprechend hohen zulässigen, auf die Flügel wirkenden Stützkräften, ergibt sich unmittelbar die Möglichkeit, in Anwendung der vorliegenden Erfindung leistungsfähige und zuverlässige Druckluft-Flügelzellenmotoren bereitzustellen, die sich durch ein besonders hohes abgegebenes Drehmoment auszeichnen.
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Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Bauweise des Druckluft-Flügelzellenmotors durch eine gleichermaßen besonders zuverlässige und baulich einfache Ausführung der Steuerung von Druckluftzuführung zu und Abluftabführung von den beiden Arbeitsräumen aus. Denn die an dem Schieber an dessen Oberfläche ausgeführten Luftströmungsnuten wirken mit dem Stator-Durchbruch, in welchem der Schieber verschiebbar geführt und gelagert ist, in Form von die Druckluftzu- und Abluftabströmung – in Abhängigkeit von der jeweiligen tatsächlichen aktuellen Position des Schiebers innerhalb des Statorkerns – steuernden Schieberventilen zusammen. Der erfindungsgemäße Druckluft-Flügelzellenmotor kommt hierdurch auch mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen aus.
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Eine insoweit besonders bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Statorkern beidseits des Durchbruchs jeweils ein Druckluftkanal und ein Abluftkanal vorgesehenen sind, wobei die beiden Druckluftkanäle untereinander und mit einem Druckluftanschluss strömungstechnisch verbunden sind. Der Druckluftanschluss kann dabei insbesondere stirnseitig am Stator vorgesehen sein. Ein reversierbarer erfindungsgemäßer Druckluft-Flügelzellenmotor, also ein solcher mit umkehrbarer Drehrichtung, lässt sich dabei in baulich besonders einfacher Weise dadurch realisieren, dass auch die beiden – bezogen auf die erste Drehrichtung betrachtet – Abluftkanäle untereinander und mit einem (gemeinsamen) Abluftanschluss strömungstechnisch verbunden sind. Eine Umpolung der Beaufschlagung dergestalt, dass die Druckluftquelle mit dem (bisherigen) Abluftanschluss verbunden wird und der (bisherige) Druckluftanschluss ins Freie mündet, bewirkt die Umkehrung der Motordrehrichtung.
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Bei dem Schieber handelt es sich besonders bevorzugt um ein einstückiges Bauteil. So kann der Schieber beispielsweise ein Spritzgießteil sein, welches namentlich aus einem Werkstoff (z. B. PTFE) mit guten Gleiteigenschaften hergestellt ist. Zwingend ist dies allerdings nicht. Unter bestimmten Voraussetzungen kann sich vielmehr auch als zweckmäßig erweisen, den Schieber aus mehreren Einzelteilen zusammenzufügen, beispielsweise als ein Sandwich-Bauteil mit einer statisch bedeutenden Mittellage und zwei beidseitig aufgebrachten, besondere Gleiteigenschaften aufweisenden Beschichtungen. Die Luftströmungskanäle können sich bei dieser Bauweise ggf. auf die beiden Beschichtungslagen beschränken.
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Nur zur Klarstellung ist zu betonen, dass die anspruchsgemäße Definition, wonach die beiden Flügel Teil eines starren Schiebers sind, auch dann erfüllt ist, wenn der Schieber an seiner Peripherie federnde Dichtlippen, die zur dichtenden Anlage an dem Rotor bestimmt sind, aufweist. Entscheidend für die Definition des ”starren Schiebers” ist, dass dieser sich innerhalb des Durchbruchs als eine die beiden Flügel umfassende Einheit oszillierend bewegt, wobei die auf den jeweils ”ausgefahrenen” Flügel wirkende, durch den Druck in dem gerade beaufschlagten Arbeitsraum hervorgerufene pneumatische Kraft – aufgrund der Starrheit des Schiebers – eine im Bereich des gegenüberliegenden, ”eingefahrenen” Flügels auf den Schieber wirkende Stützkraft hervorruft. Mit dem dementsprechend großen Abstand zwischen den wirksamen Abstützpunkten des Schiebers an dem Statorkern steht die weiter oben dargelegte Möglichkeit in Verbindung, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Funktions- und Betriebssicherheit vergleichsweise hohe Drehmomente bereitzustellen. Insoweit kommt weiterhin zum Tragen, dass die Flügel infolge der besagten Abstützung des erfindungsgemäß vorgesehenen Schiebers weiter aus dem Statorkern herausragen können, als dies für den Stand der Technik gilt. Die Erfindung gestattet auf diese Weise eine besonders hohe Exzentrizität des Hohlraumes des Rotors, was sich seinerseits positiv auf die Möglichkeit auswirkt, selbst bei einer kompakten Bauweise des Flügelzellenmotors ein hohes Drehmoment bereitzustellen.
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Jedenfalls dann, wenn der Schieber (an seiner der Umfangsfläche des Hohlraumes des Rotors zugewandten Kante) keine federnd nachgiebigen Dichtlippen oder aber nur um ein geringes Maß einfedernde Dichtlippen aufweist, weist der Hohlraum zweckmäßigerweise eine unrunde Umfangswand auf, d. h. weicht die Form des Hohlraumes von der eines Kreiszylinders ab. Die genaue Geometrie hängt dabei zusammen mit der Exzentrizität des Hohlraumes, dem Durchmesser des Statorkerns und der wirksamen Länge des Schiebers.
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In konstruktiver Hinsicht ist, gemäß einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, vorteilhaft, wenn der Rotor (direkt) auf dem Stator gelagert ist, insbesondere auf zwei beidseits des Statorkerns angeordneten Statorzapfen. Die Statorzapfen sind dabei ihrerseits kraftübertragend mit einer Basisstruktur verbunden, welche der Befestigung des Druckluft-Flügelzellenmotors dient.
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Prädestiniert ist der erfindungsgemäße Druckluft-Flügelzellenmotor in Außenrotorbauweise für Anwendungen, bei denen, bei vergleichsweise hohem Drehmoment, eine eher geringe Drehzahl erforderlich ist. Denn hier kann der Motor als Direktantrieb (ohne ein den erforderlichen Bauraum und das Gewicht des Antriebs vergrößerndes und den Wirkungsgrad herabsetzendes Getriebe) eingesetzt werden. In dieser Hinsicht weist der Rotor besonders bevorzugt eine kreiszylindrische äußere Umfangsfläche auf, welche direkt der Übertragung der Antriebskraft auf ein angetriebenes, an der Oberfläche des Rotors anliegendes Bauteil (z. B. ein Förderband) dient. Bei dementsprechender Einbindung des Druckluftmotors in ein System kann eine unmittelbar in den Rotor eingearbeitete (bzw. an den Rotor angebarbeitete) Profilierung (z. B. Keilnuten für Keilriemen, Verzahnungen für Zahnriemen, oder dergleichen) in entsprechender Weise zweckmäßig sein.
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Eine wiederum andere bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch eine zweistufige Bauweise des Druckluft-Flügelzellenmotors dergestalt aus, dass der Rotor axial zueinander versetzt zwei Hohlräume mit phasenversetzten Betriebszuständen aufweist. Dies ist nicht nur für die Vergleichmäßigung des abgegebenen Drehmoments von Vorteil. Vielmehr lässt sich auf diese Weise das Anfahrverhalten des Motors maßgeblich verbessern. Letzteres gilt insbesondere, wenn der besagte Phasenversatz im Wesentlichen etwa 90° beträgt. Der Betriebszustand-Phasenversatz zwischen den beiden Stufen des Druckluft-Flügelzellenmotors kann dabei wahlweise aus einem Phasenversatz zwischen den beiden Hohlräumen des Rotors oder aus einem Phasenversatz zwischen den beiden Statorstrukturen bestehen, letzteres namentlich indem sich die beiden Schieber in mehr oder weniger senkrecht aufeinander stehenden Ebenen oszillierend bewegen. Ersichtlich lässt sich der Betriebszustand-Phasenversatz auch durch eine Kombination von Phasenversatz der beiden Hohlräume und Phasenversatz der beiden Statorstrukturen herbeiführen.
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Aus Gründen einer möglichst einfachen Bauweise können dabei für die beiden Stufen des Druckluft-Flügelzellenmotors innerhalb des Stators die selben Luftströmungskanäle (s. o.) vorgesehen sein.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
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1 in perspektivischer Ansicht den Rotor geöffnet, d. h. den Rotor-Grundkörper ohne Deckel,
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2 in perspektivischer Ansicht die zum Zusammenwirken mit dem Rotor nach 1 bestimmte Statorstruktur,
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3 eine für die Statorstruktur nach 2 bestimmte Endkappe,
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4 4 den Zusammenbau aus dem Rotor-Grundkörper nach 1 und der Statorstruktur nach 2 in perspektivischer Ansicht,
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5 den zum Verschließen des Rotor-Grundkörpers des Zusammenbaus nach 5 bestimmten Deckel,
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6 einen schematischen Querschnitt durch den Zusammenbau nach 4 und
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7 einen Querschnitt durch eine gegenüber der Ausführungsform nach den 1–6 im Sinne einer zweistufigen Bauweise abgewandelte Ausführungsform.
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Der in der Zeichnung in den 1–6 veranschaulichte Druckluft-Flügelzellenmotor ist als gehäuseloser Außenrotormotor mit Innenstator konzipiert. Er umfasst einen Stator 1 und einen relativ zu diesem um eine Rotationsachse A drehbar gelagerten, einen Rotor-Grundkörper 2 sowie einen Rotor-Deckel 3 umfassenden Rotor 4. Der Rotor-Grundkörper 2 weist eine kreiszylindrische äußere Umfangsfläche 5, deren Achse mit der Rotationsachse A zusammenfällt, und einen exzentrisch zu der Rotationsachse A angeordneten Hohlraum 6 auf.
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Der Stator 1 umfasst einen in dem Hohlraum 6 des Rotors 4 aufgenommen Statorkern 7 und zwei endseitig daran angeordnete Statorzapfen 8, 9. Auf diesen ist der Rotor 4 drehbar gelagert. Hierzu sind in den Boden 10 des Rotor-Grundkörpers 2 sowie in den – den Hohlraum 6 auf der dem Boden 10 gegenüberliegenden Seite verschließenden – Deckel 3 Wälzlager 11 eingesetzt, dessen jeweiliger Innenring 12 den jeweils zugeordneten Statorzapfen 8 bzw. 9 aufnimmt. Zur Reduzierung von Luftverlusten besteht zwischen dem Durchbruch 13 des Bodens 10 des Rotors 4 einerseits und dem Wälzlager-Innenring 12 sowie dem Statorkern 7 andererseits ein nur minimaler Spalt. Entsprechendes gilt im Hinblick auf den Durchbruch des Rotor-Deckels 3. Dieser ist mittels in die Gewindebohrungen 15 einschraubbarer Schrauben an dem Rotor-Grundkörper 2 befestigbar.
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Zur dynamischen Kompensation der Exzentrizität des Hohlraumes 6 und zur Minimierung einer möglichen Unwucht weist der Rotor-Grundkörper Wuchtbohrungen 16 auf.
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Der Statorkern 7 weist einen diesen quer durchsetzenden Durchbruch 17 auf. In diesem ist ein einstückiger, starrer Schieber 18 – quer zur Rotorachse A verschiebbar – gelagert, wobei die Querschnitte des Durchbruchs 17 des Statorkerns 7 einerseits und des Schiebers 18 andererseits so aufeinander abgestimmt sind, dass eine nur minimale Spaltweite besteht, ohne dass allerdings ein leichtgängiges Verschieben des Schiebers 18 in dem Durchbruch 17 behindert wird. Die Breite B des Schiebers 18 ist dabei so gewählt, dass der Schieber 18 mit seinen Seitenkanten 19 weitgehend dichtend an den beiden den Hohlraum 6 stirnseitig begrenzenden Wänden 20 des Rotor-Grundkörpers 2 und des Rotor-Deckels 3 anliegt. Und die Länge L des Schiebers 18 und die Geometrie (der Querschnitt) des Hohlraumes 6 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Schieber 18 mit seinen beiden Stirnkanten 21 weitgehend dichtend an der den Hohlraum 6 außen begrenzenden Umfangswand 22 des Rotor-Grundkörpers 2 anliegt. Bei den dargestellten geometrischen Verhältnissen ergibt sich dabei eine leicht unrunde, ovale Form des Hohlraumes 6.
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Je nach der Winkelstellung des Rotors 4 relativ zum Stator 1 ragt der Schieber 18 endseitig mehr oder weniger zu der einen bzw. der anderen Seite aus dem Statorkern 7 heraus. Die beiden aus dem Statorkern 7 herausragenden Endabschnitte des Schiebers 18 stellen dabei – in der Terminologie von Flügelzellenmotoren konventioneller Bauart – zwei einander gegenüberliegend an der Umfangswand 22 des Hohlraums 6 anliegende Flügel 23, 24 dar, mittels derer der Hohlraum 6 in zwei voneinander getrennte Arbeitsräume 25, 26 unterteilt ist. Im Verlauf von Drehungen des Rotors 4 relativ zum Stator 1 verändern sich die Volumina der beiden Arbeitsräume 25 und 26 gegenläufig zyklisch.
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Die zyklische Be- und Entlüftung der beiden Arbeitsräume 25 und 26, d. h. die Druckluftzufuhr zu und Abluftabfuhr aus diesen, erfolgt durch den Stator 1 hindurch. Hierzu weist der Stator 1, jeweils parallel zur Rotationsachse A des Rotors 4 orientiert, vier Luftströmungskanäle 27 auf, nämlich, jeweils einander diametral gegenüberliegend, zwei Druckluftkanäle 28 sowie zwei Abluftkanäle 29, wobei beidseits des Durchbruchs 17 jeweils ein Druckluftkanal 28 und ein Abluftkanal 29 vorgesehenen sind. Diese sind als Sackbohrungen ausgeführt, d. h. nur einseitig offen. An dem betreffenden stirnseitigen Ende des Stators 1 ist eine Endkappe 30 vorgesehen, welche einerseits einen Druckluftanschluss 31 und eine – nicht dargestellte – mit diesem und den beiden Druckluftkanälen 28 kommunizierende Verzweigung und andererseits zwei mit den Abluftkanälen 29 kommunizierende, ins Freie mündende Abluftöffnungen 32 aufweist. An der Oberfläche des Schiebers 18 sind vier parallel zur Bewegungsrichtung X des Schiebers 18 orientierte Luftströmungsnuten 33 vorgesehen. Diese kommunizieren – über Stichbohrungen 34 (vgl. 6) – mit jeweils einem der vier Luftströmungskanäle 27 und erstrecken sich bis in den jeweiligen Flügel 23 bzw. 24 des Schiebers 18 hinein. Auf jeder der beiden, jeweils einen der beiden Arbeitsräume begrenzenden Hauptflächen 35 des Schiebers 18 sind demnach eine Druckluftnut 36 sowie eine Abluftnut 37 vorgesehen. Indem die vier Luftströmungsnuten 33 jeweils an ihren äußeren Enden mit Abstand zu den Stirnkanten 21 des Schiebers 18 auslaufen, richtet sich nach der aktuellen Stellung des Schiebers 18 innerhalb des Statorkerns 7, ob die jeweilige Luftströmungsnut 33 mit dem zugeordneten Arbeitsraum 25 bzw. 26 strömungstechnisch kommuniziert oder aber – durch die Wand des Durchbruchs 17 – verschlossen ist. Nur wenn der Schieber 18 an der betreffenden Seite hinreichend weit aus dem Statorkern 7 herausragt, sind die auf diesem Flügel 23 bzw. 24 angeordneten Luftströmungsnuten 33 zu dem jeweiligen Arbeitsraum 25 bzw. 26 hin offen. Anderenfalls sind die betreffenden Luftströmungsnuten 33 verschlossen. So stellen die Luftströmungsnuten 33 jeweils einen Teil eines durch den Schieber 18 und den Durchbruch 17 des Statorkerns 7 gebildeten Schieberventils 38 dar. Jeweils wird – jedenfalls während eines relevanten Anteils der entsprechenden Phase – jener Arbeitsraum 25 bzw. 26, dessen Volumen sich während der Drehung des Rotors 4 vergrößert, über den Druckluftanschluss 31, den zugeordneten Druckluftkanal 28 und die mit diesem (über die zugeordnete Stichbohrung 34) kommunizierende Druckluftnut 36 mit Druckluft beaufschlagt, wohingegen – wiederum jedenfalls während eines relevanten Anteils der entsprechenden Phase – jener Arbeitsraum 26 bzw. 25, dessen Volumen sich während der Drehung des Rotors 4 verkleinert, über die zugeordnete Abluftnut 37, den mit dieser kommunizierenden Abluftkanal 29 sowie die Abluftöffnung 32 entlüftet wird.
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In 7 ist Abwandlung des Druckluft-Flügelzellenmotors nach den 1–6 veranschaulichten. Diese zeichnet sich durch eine zweistufige Bauweise aus, indem der Rotor 4' axial zueinander versetzt zwei Hohlräume 6 aufweist. Jeder einzelne der beiden Hohlräume 6 wirkt mit dem jeweils zugeordneten Stator 1 in der vorstehend detailliert dargelegten Weise zusammen. Allerdings arbeiten die beiden Motorstufen phasenversetzt, d. h. in phasenversetzten Betriebszuständen. Ein Phasenversatz von 90° ist dabei dadurch realisiert, dass – bei zueinander fluchtenden Hohlräumen 6 – die beiden Schieber 18, 18' sich in senkrecht aufeinander stehenden Ebenen oszillierend bewegen. Der der zweiten Motorstufe zugeordnete Schieber-Durchbruch 17' steht somit – axial versetzt – senkrecht auf dem Schieber-Durchbruch 17 der ersten Motorstufe. Die Versorgung de zweiten Motorstufe mit Druckluft und die Abfuhr von Abluft aus der zweiten Motorstufe ins Freie erfolgt dabei über die selben Luftströmungskanäle 27 wie bei der ersten Motorstufe, zu welchem Zweck die beiden Druckluftkanäle 28 und die beiden Abluftkanäle 29 über vier der zweiten Motorstufe zugeordnete Stichbohrungen 33' mit den vier Luftströmungsnuten 33' des Schiebers 18' der zweiten Motorstufe kommunizieren.
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Der Rotor 4' dieses zweistufigen Motors kann im Wesentlichen spiegelbildlich aufgebaut sein mit zwei Rotorgrundkörpern 2' und einer mittigen, zwischen diesen angeordneten, die beiden Hohlräume 6 stirnseitig verschließenden Trennwand. Dabei ist bevorzugt eine durchgehende einheitliche, beide Stufen des Motors durchsetzende Statorstruktur mit zwei – axial versetzten – Statorkernen 7 im vorstehenden Sinne vorgesehen.
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Erkennbar ist in 7 auch noch, dass statt mehrerer Wuchtbohrungen eine etwa nierenförmige Wuchtaussparung 39 vorgesehen ist. Für die Funktion des Motors kommt es darauf aber nicht entscheidend an.
