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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromotorischen Drehantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der Schrift
DE 10 2020 106 334 A1 ist ein Antriebsstrang mit einem Verzweigungsgetriebe bekannt, in dem zwei Elektromotoren mit jeweils einem Stator-Rotor-Paar einen Momentenausgleich für ein Rückdrehmoment erzeugen, das sich zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle eines Antriebsstrangs einstellt. Das Rückdrehmoment wird aber nur solange erzeugt, wie der das Rückdrehmoment erzeugende Elektromotor beschleunigt. Wenn dieser seine Enddrehzahl erreicht hat, entsteht kein Momentenausgleich mehr für den Primärantrieb.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einem elektromotorischen Drehantrieb ein Drehmoment, das einem Rückdrehmoment entgegenwirkt, auch bei gleichbleibender Drehzahl der den Momentenausgleich erzeugenden Elektromotoren zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Nach der vorliegenden Erfindung weist der Drehantrieb ein zweites Stator-Rotor-Paar auf. Der Rotor des zweiten Stator-Rotor-Paars ist über eine Getriebestufe mit dem abtriebsseitigen Maschinenelement drehbeweglich verbunden.
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Das zweite Stator-Rotor-Paar ist außerdem in die zur Drehrichtung des ersten Stator-Rotor-Paars entgegengesetzte Drehrichtung angetrieben. Aus der Kombination einer Getriebestufe mit einem Antrieb des zweiten Stator-Rotor-Paars in die entgegengesetzte Richtung zur Antriebsrichtung des ersten Stator-Rotor-Paars ergibt sich, dass auch das zweite Stator-Rotor-Paar die Drehbewegung des abtriebsseitigen Maschinenelements in dessen Drehrichtung unterstützt. Dabei kann das zweite Stator-Rotor-Paar allerdings wegen seiner entgegengesetzten Rotationsrichtung ein Rückdrehmoment auf den Drehantrieb erzeugen, das dem vom ersten Stator-Rotor-Paar erzeugten Rückdrehmoment entgegengerichtet ist. Von den beiden Stator-Rotor-Paaren bildet eines der Paare den Hauptantrieb, während das zweite Paar einen Nebenantrieb bildet, das dem Rückdrehmoment aus dem Hauptantrieb entgegenwirkt.
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Für den Betrieb des Drehantriebs ist zu unterscheiden zwischen der Beschleunigungsphase, in der sich die Drehzahlen der beiden Stator-Rotor-Paare erhöhen, und der Betriebsphase, in der die Drehzahlen der beiden Stator-Rotor-Paare auf einem gemeinsamen Drehzahlniveau gleich bleiben. Während in der Beschleunigungsphase ein teilweiser oder vollständiger Momentenausgleich durch die einander entgegen gerichteten Beschleunigungskräfte erreicht wird, ist das in der Betriebsphase bei gleicher Drehzahl der Stator-Rotor-Paare nicht möglich. In der Betriebsphase auf einem gleichbleibenden Drehzahlniveau treibt das den Hauptantrieb bildende erste Stator-Rotor-Paar das abtriebsseitige Maschinenelement in die gewünschte Rotationsrichtung an, während dabei das den Nebenantriebbildende zweite Stator-Rotor-Paar in der entgegengesetzten Drehrichtung zum ersten Stator-Rotor-Paar zunächst nur auf Drehzahl mitläuft und dabei kein Rückdrehmoment mehr erzeugt.
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Damit das zweite Stator-Rotor-Paar auch in der Betriebsphase mit gleich bleibender Drehzahl ein Rückdrehmoment erzeugen kann, wird vorgeschlagen, dass auch die elektrische Leistung des zweiten Stator-Rotor-Paars mittels der elektronischen Steuerung regelbar ist. Wenn in der Betriebsphase mit gleich bleibender Drehzahl von der elektronischen Steuerung die elektrische Leistung für das zweite Stator-Rotor-Paar so weit reduziert wird, dass sich aus dem zweiten Stator-Rotor-Paar ein Bremsmoment auf das abtriebsseitige Maschinenelement einstellt, ergibt sich aus diesem Bremsmoment ein Rückdrehmoment aus dem zweiten Stator-Rotor-Paar, das dem Rückdrehmoment aus dem ersten Stator-Rotor-Paar entgegenwirkt und dieses dadurch zumindest teilweise aufhebt. Die elektrische Leistung des zweiten Stator-Rotor-Paars kann mittels der elektronischen Steuerung dabei insbesondere so eingeregelt werden, dass sich beide Rückdrehmomente genau entsprechen und der Antrieb des abtriebsseitigen Maschinenelement dadurch rückdrehmomentfrei wird.
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Auf das Maschinenelement, das von den beiden Stator-Rotor-Paaren angetrieben wird, wirken die jeweiligen Antriebsmomente gegeneinander. Ein Rückdrehmoment, dass das erste Stator-Rotor-Paar auf den Drehantrieb erzeugt, kann durch das Rückdrehmoment, das das zweite Stator-Rotor-Paar auf den Drehantrieb erzeugt, zumindest teilweise oder ganz ausgeglichen werden. Die elektronische Steuerung kann die elektrische Leistung des zweiten Stator-Rotor-Paars auch so einregeln, dass das Rückdrehmoment aus dem ersten Stator-Rotor-Paar sogar übersteuert wird, wenn das zweite Stator-Rotor-Paar ein größeres Drehmoment auf das abtriebsseitige Maschinenelement ausübt als das erste Stator-Rotor-Paar, so dass in der Summe nur ein Rückdrehmoment aus dem zweiten Stator-Rotor-Paar aus dem Antrieb für das abtriebsseitige Maschinenelement verbleibt.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass je nach Einstellung der elektrischen Leistung des zweiten Stator-Rotor-Paars im Verhältnis zur elektrischen Leistung des ersten Stator-Rotor-Paares durch die elektronische Steuerung die Größe des Rückdrehmoments aus dem ersten Stator-Rotor-Paar unterschiedlich ausfällt und mit einer entsprechenden Regelung der elektrischen Leistung des zweiten Stator-Rotor-Paars von der elektronischen Steuerung stufenlos oder auch in Stufen bestimmte gewünschte positive, neutrale oder negative Rückdrehmomentwerte aus dem ersten Stator-Rotor-Paar eingestellt werden können.
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Je nach Steuerung der Antriebsleistung der Stator-Rotor-Paare können die Funktionen des Hauptantriebs und des Nebenantriebs in einem vorhandenen Drehantrieb auch zwischen den Stator-Rotor-Paaren getauscht werden. So kann bei einer entsprechenden Ansteuerung der Stator-Rotor-Paare mit elektrischen Leistungen ein Stator-Rotor-Paar, das zuvor den Hauptantrieb bildete, zu einem Nebenantrieb umgesteuert werden, und das Stator-Rotor-Paar, das zu vor den Nebenantrieb bildete, übernimmt den Hauptantrieb des abtriebsseitigen Maschinenelements.
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Der Doppelantrieb schafft eine erhöhte Betriebssicherheit, da die beiden Stator-Aktor-Paare auch jeweils für sich allein das abtriebsseitige Maschinenelement antreiben können. Es handelt sich also um einen redundanten Antrieb. Über den Doppelantrieb ist es auch möglich, bei Beschleunigungsvorgängen mehr Leistung auf das abtriebsseitige Maschinenelement zu übertragen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Steuerung eine Softwareprogrammierung mit zumindest einer Regelstrategie für die Regelung des Rückdrehmoments aus dem Antrieb des abtriebsseitigen Maschinenelements auf. Die Softwareprogrammierung ist ein Bestandteil der elektronischen Steuerung. Die in der Softwareprogrammierung enthaltene zumindest eine Regelstrategie kann darauf programmiert sein, den Rückdrehmomentwert aus dem ersten Stator-Rotor-Paar möglichst neutral zu halten. Das Rückdrehmoment aus dem Antrieb des abtriebsseitigen Maschinenelements wäre dann immer zumindest nahe oder gleich Null. Die Regelstrategie kann aber auch darauf programmiert sein, einen bestimmten Rückdrehmomentwert des Antriebs insgesamt nicht zu überschreiten, oder einen bestimmten Rückdrehmomentwert des Antriebs in eine bestimmte Richtung gezielt einzustellen und diesen zu halten, oder einen Rückdrehmomentwert des Antriebs insgesamt in einer Rampe oder in einer Kurve in einem vorgegebenen Zeitintervall von einem bestimmten Wert aus auf null zurückzuführen. Eine Regelstrategie kann auch in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Antriebs in einer Beschleunigungsphase oder in einer Betriebsphase mit gleichbleibender Drehzahl unterschiedliche Rückdrehmomentwerte für das zweite Stator-Aktor-Paar vorsehen. Die Regelstrategie kann Werte für ein Rückdrehmoment des Antriebs in einem weiteren Betriebszustand einer Abbremsphase beinhalten. Die Softwareprogrammierung kann auch mehrere der vorstehenden Regelstrategien umfassen. Die Softwareprogrammierung kann bei mehreren programmierten Regelstrategien insbesondere darauf ausgelegt sein, zwischen verschiedenen Regelstrategien hin und her zu schalten.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Steuerung eine Softwareprogrammierung auf, über die eines der Stator-Rotor-Paare ein Bremsmoment erzeugt. Zwar ist es so, dass ein stromlos gestellter Antrieb über sein Schleppmoment bereits ein dem Hauptantrieb entgegen gerichtetes Moment erzeugt, das kann aber zu klein sein, um ein vom Hauptantrieb erzeugtes Rückdrehmoment in einem gewünschten Umfang zu kompensieren. Deshalb ist es vorteilhaft, das Stator-Rotor-Paar, mit dem das Rückdrehmoment kompensiert werden soll, über die Softwareprogrammierung so anzusteuern, dass dieses Stator-Rotor-Paar ein Bremsmoment erzeugt.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der Stator-Aktor-Paare in einem Rekuperationsbetrieb betreibbar. Im Rekuperationsbetrieb wird das betreffende Stator-Aktor-Paar beim Erzeugen eines Bremsmoments als Generator genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen, die als zurückgewonnene Energie in ein Stromnetz oder einen Energiespeicher wie eine Batterie eingespeist wird. Der Netto-Energieaufwand, der eingesetzt wird, um das vom Antrieb erzeugte Rückdrehmoment in einem gewünschten Bereich zu halten, wird dadurch reduziert. Der Rekuperationsbetrieb kann insbesondere dazu genutzt werden, ein Bremsmoment zu erzeugen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kombiniert die die Softwareprogrammierung der elektronischen Steuerung in zumindest einer Regelstrategie die Regelungen der elektrischen Leistungen der ersten und zweiten Stator-Aktor-Paare miteinander. Bei einer gegebenen Drehzahl des abtriebsseitigen Maschinenelements ist die Größe des Rückdrehmoments aus dem gesamten Antrieb nicht nur durch eine Leistungsregelung des zweiten Stator-Aktor-Paars beeinflussbar, sondern auch die jeweils aktuelle elektrische Leistung des ersten Stator-Aktor-Paares hat einen Einfluss auf die Größe des jeweiligen Rückdrehmoments aus dem gesamten Antrieb. Wenn also die Leistungsregelungen der ersten und zweiten Stator-Aktor-Paare durch die elektronische Steuerung miteinander kombiniert werden, können die Regelungen der elektrischen Leistungen der ersten und zweiten Stator-Aktor-Paare so aufeinander abgestimmt werden, dass sich diese sinnvoll ergänzen. Wenn beispielsweise das Rückdrehmoment aus dem ersten Stator-Aktor-Paar reduziert werden soll, kann das Bremsmoment aus dem zweiten Stator-Aktor-Paar niedriger sein, wenn das Drehmoment aus dem ersten Stator-Aktor-Paar reduziert wird. Um das Rückdrehmoment aus dem Hauptantrieb stark zu verringern oder in eine entgegengesetzte Richtung umzukehren, kann auch der Hauptantrieb gebremst und der Nebenmotor beschleunigt werden. Die Regelstrategien können automatisiert oder in Abhängigkeit von einer Bedieneingabe durch einen Benutzer ausgewählt und aktiviert werden. Die elektronische Steuerung kann mit einer Bedienvorrichtung verbunden sein, über die Steuerungsgrößen für den Betrieb des Drehantriebs an die elektronische Steuerung übermittelt werden können. Als Steuerungsgröße können auch bestimmte Regelstrategien ausgewählt und aktiviert werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die elektronische Steuerung mit einem oder mehreren Drehmomentsensoren verbunden, die aktuelle Werte für Drehmomente aus dem ersten Stator-Aktor-Paar, aus dem zweiten Stator-Aktor-Paar und/oder aus dem Antrieb insgesamt messen, und die Softwareprogrammierung ist darauf programmiert, die elektrische Leistung des elektromotorischen Drehantriebs in Abhängigkeit von den übermittelten Messwerten des oder der Drehmomentsensoren zu regeln. Über die Drehmomentsensoren erhält die elektronische Steuerung Informationen über die aktuell wirkenden Drehmomente. Die Information über die aktuell wirkenden Drehmomente ermöglicht es der elektronischen Steuerung, die Drehmomente in eine gewünschte Richtung zu verändern.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Getriebestufe aus einem Zahnradsatz, der statorseitig im Motorengehäuse gelagert ist. Durch die statorseitige Lagerung im Motorengehäuse ergibt sich eine gute Abstützung des Zahnradsatzes.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung dient der Drehantrieb als Antrieb eines Helikopterrotors. Gerade bei Helikopterantrieben ist das Rückdrehmoment aus dem Antrieb ein unerwünschter Effekt, für dessen Beseitigung bisher ein erheblicher Aufwand getrieben wird. Entweder werden gegenläufige Doppelrotorsysteme verwendet, um die Rückdrehmomente aus dem Antrieb auszugleichen, oder das Rückdrehmoment wird über Heckrotoren ausgeglichen, die bei Helikoptern ein erhebliches Zusatzgewicht bedeuten und einen erhöhten Verbrauch verursachen. Der Drehantrieb gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung macht einen Heckrotor überflüssig. Über die Veränderung der Drehmomente kann ein Helikopter in einer geradeaus-Flugrichtung gehalten werden, ohne dass dafür eine quer zur Flugrichtung wirkende Kraft durch den Heckrotor erzeugt werden müsste. Genauso ist es möglich, den Helikopter durch eine Veränderung der Drehmomente um seine Hochachse zu drehen und dadurch in eine gewünschte Richtung auszurichten.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Drehantrieb gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 grundsätzlich mit den Merkmalen der einzelnen Unteransprüche jeweils für sich oder in einer beliebigen Kombination mehrerer Unteransprüche miteinander kombinierbar ist, soweit dem keine technisch zwingenden Hindernisse entgegenstehen.
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Weitere Abwandlungen und Ausführungen der Erfindung lassen sich der nachfolgenden gegenständlichen Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmen. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Es zeigt:
- 1: eine Schnittansicht auf einen Drehantrieb mit zwei Stator-Rotor-Paaren.
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In 1 ist ein Drehantrieb 2 mit einem ersten Stator-Rotor-Paar 4 mit einem ersten Stator S' und einem ersten Rotor R' und einem zweiten Stator-Rotor-Paar 6 mit einem zweiten Stator S'' und einem zweiten Rotor R'' gezeigt. Im Motorengehäuse 8 ist eine Statoreinheit gelagert, in der die Statoren S gehalten sind. Am Motorengehäuse 8 kann beispielsweise ein Flansch ausgebildet sein, über den der Drehantrieb 2 am Rahmen einer Maschine oder eines Fahrzeugs befestigt werden kann.
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Während die Statoren S drehfest im Motorengehäuse 8 angeordnet sind, ist das abtriebsseitige Maschinenelement 10 drehbar auf dem Motorengehäuse 8 gelagert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Maschinenelement 10 als eine Antriebsglocke ausgebildet, die mit einer Abtriebswelle oder beispielsweise dem Rotor eines Hubschraubers verbunden sein kann. Auf der Innenseite des Maschinenelements 10 ist der Rotor R' angeordnet und mit diesem fest verbunden. Das Maschinenelement 10 verfügt über eine Innenverzahnung 20, die mit einem Zahnrad des Zahnradsatzes 18 kämmt. Der Zahnradsatz 18 bildet im Ausführungsbeispiel eine Getriebestufe 14. Der Rotor R'' ist fest mit einem Laufring 22 verbunden, der auf seiner dem Maschinenelement 10 zugewandten Seite eine Außenverzahnung 24 aufweist, die mit dem Zahnradsatz 18 kämmt. Die Zahnräder des Zahnradsatzes 18 sind über eine Ritzelwelle 26 im Motorengehäuse 8 gelagert. Durch den zwischengeschalteten Zahnradsatz in der Getriebestufe treiben beide Stator-Rotor-Paare 4, 6 das Maschinenelement 10 in der gleichen Richtung an, obwohl sich die beiden Stator-Rotor-Paare 4, 6 in eine unterschiedliche Richtung drehen. Durch die einander entgegen gerichtete Drehbewegung wird aber die zumindest teilweise Kompensation des Rückdrehmoments möglich.
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Die elektrische Leistung des elektromotorischen Drehantriebs 2 ist mittels einer elektronischen Steuerung 12 regelbar. Die Steuerung 12 regelt die elektrische Leistung des ersten und zweiten Stator-Rotor-Paars 4, 6. Die elektronische Steuerung 12 weist eine Softwareprogrammierung mit zumindest einer Regelstrategie für die Regelung des Rückdrehmoments aus dem Antrieb des abtriebsseitigen Maschinenelements 10 auf. Die elektronische Steuerung 12 ist mit einem oder mehreren Drehmomentsensoren 16 verbunden, die aktuelle Werte für Drehmomente aus dem ersten Stator-Aktor-Paar 4, aus dem zweiten Stator-Aktor-Paar 6 und/oder aus dem Drehantrieb 2 insgesamt messen. Die Softwareprogrammierung ist darauf programmiert, die elektrische Leistung des elektromotorischen Drehantriebs 2 in Abhängigkeit von den übermittelten Messwerten des oder der Drehmomentsensoren 16 zu regeln. Es ist möglich, nur eines der beiden Stator-Rotor-Paare 4, 6 angetrieben drehen zu lassen, und das jeweils andere Paar wird bedarfsweise zugeschaltet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann das zweite Stator-Rotor-Paar 6 den Hauptantrieb ausbilden, und das erste Stator-Rotor-Paar 4 dient dem Zweck der Momentensteuerung, insbesondere, das Rückdrehmoment aus der Antriebsleistung des zweiten Stator-Rotor-Paares 6 zu verringern oder zu neutralisieren. Es kann aber auch umgekehrt so sein, dass das erste Stator-Rotor-Paar 4 den Hauptantrieb bildet und das zweite Stator-Rotor-Paar 6 dazu dient, das Rückdrehmoment aus dem ersten Stator-Rotor-Paar 4 auszugleichen.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Dem Fachmann bereitet es keine Schwierigkeiten, das Ausführungsbeispiel auf eine ihm als geeignet erscheinende Weise abzuwandeln, um es an konkrete Anforderungen anzupassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Drehantrieb
- 4
- erstes Stator-Rotor-Paar
- 6
- zweites Stator-Rotor-Paar
- 8
- Motorengehäuse
- 10
- Maschinenelement
- 12
- Steuerung
- 14
- Getriebestufe
- 16
- Drehmomentsensor
- 18
- Zahnradsatz
- 20
- Innenverzahnung
- 22
- Laufring
- 24
- Außenverzahnung
- 26
- Ritzelwelle
- S
- Stator
- R
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020106334 A1 [0002]
