DE10328228A1

DE10328228A1 - Kompaktantrieb

Info

Publication number: DE10328228A1
Application number: DE10328228A
Authority: DE
Inventors: Josef Schmidt; Thomas Leichter; Jochen Mahlein; Bernhard KÖHLER
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: DE10328228C5; DE10362240B4; DK1625651T3; DE10328228B4; ATE516622T1; CN100514798C; CN1774851A

Abstract

Kompaktantrieb, umfassend zumindest einen Elektromotor, ein Getriebe und einen Umrichter, wobei die Abtriebswelle des Getriebes und die Rotorwelle parallel zueinander angeordnet sind und der Achsabstand zumindest von einer Stirnradstufe des Getriebes oder durch die Ausführung eines Verstellgetriebes bestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompaktantrieb.

Aus der DE 197 14 784 A1 ist ein Kompaktantrieb bekannt, der einen Elektromotor umfasst, an dessen einer Stirnseite ein Getriebe und an dessen anderer Stirnseite ein Umrichter angeordnet ist. Dabei muss der Elektronikbereich beziehungsweise der Motorbereich gegen das Getriebe abgedichtet werden. Nachteilig ist dabei, dass eine große axiale Länge vorhanden ist und nur an einer Stirnseite des Kompaktantriebs ein Abtrieb zur Verfügung gestellt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kompaktantrieb weiterzubilden unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile. Insbesondere soll axiale Länge eingespart werden und möglichst viele Abtriebsvarianten, also einseitiger und doppelseitiger Abtrieb ausführbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Kompaktantrieb nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Kompaktantrieb sind, dass er zumindest einen Elektromotor, ein Getriebe und einen Umrichter, umfasst, wobei die Abtriebswelle des Getriebes und die Rotorwelle parallel zueinander angeordnet sind.

Von Vorteil ist dabei, dass axiale Baulänge einsparbar ist und einseitiger und doppelseitiger Abtrieb ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Elektromotor ein Synchronmotor. Von Vorteil ist dabei, dass hochdynamische Positionieraufgaben vom Kompaktantrieb ausführbar sind und/oder ein hohes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich verfügbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Umrichter seitlich von der Rotorwelle angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass Baulänge einsparbar ist und beide Seiten der Abtriebswelle zugänglich sind, also ein beidseitiger Abtrieb vorsehbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Getriebebereich gegen die Umgebung und gegen den Bereich des Motors sowie gegen den Elektronikraumbereich abgedichtet. Von Vorteil ist dabei, dass der Getriebebereich Schmieröl umfassen darf und die Elektronik sowie die Stator- und Rotorteile geschützt bleiben vor dem Schmiermittel.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich der Getriebebereich, der Bereich des Motors und der Elektronikraumbereich auf einem ungefähr gleichen Temperaturniveau. Von Vorteil ist dabei, dass keine Wärmedämmungen notwendig sind und somit Material, Masse und Kosten einsparbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Motor einen an dem einen Ende der Rotorwelle angeordneten Geber. Von Vorteil ist dabei, dass der Kompaktantrieb für Positionieraufgaben verwendbar ist und der Geber vom Gehäuse des Kompaktantriebs geschützt ist. An dem anderen Ende der Rotorwelle ist eine Bremse verbindbar, die ebenfalls vom Gehäuse des Kompaktantriebs schützbar ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung enthält der Motor keinen Geber, sondern wird die Lage mit Hilfe eines Schätzverfahrens ermittelt wodurch axialer Bauraum eingespart wird.

Wesentlicher Vorteil ist bei der Erfindung auch, dass die Rotorwelle ganz im Inneren des Gehäuses bleibt und somit keine Dichtungen von der Rotorwelle zur Umgebung hin notwendig sind. Es genügt somit also ein einziger Wellendichtring, der auf der Rotorwelle läuft. Da die Rotorwelle eine hohe Drehzahl aufweisen kann, ist somit die Wärmeproduktion sehr viel kleiner als bei einem Motor, der zwei Wellendichtringe aufweist, insbesondere an seinen beiden axialen Enden der Rotorwelle.

Die Abtriebswelle weist beispielsweise drei Wellendichtringe auf. Da die Drehzahl aber viel geringer ist als bei der Rotorwelle ist die Gesamtproduktion an Wärme kleiner als bei einer Antriebs-Lösung, bei welcher sowohl die Rotorwelle als auch die Abtriebswelle zwei Wellendichtringe aufweist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Getriebes wird zumindest eine Stirnradstufe verwendet, wodurch die axiale Baulänge sinkt und eine kostenoptimale Lösung entsteht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Getriebestufe als Verstellgetriebe mit einem variablen Übersetzungsverhältnis ausgeführt, wodurch der Verschleiß der Getriebestufe vom Drehzahlbereich minimiert und die Drehmomentübersetzung an den Belastungsfall angepasst wird. Vorteilhaft ist bei dem Verstellgetriebe, dass sogar alle Dichtungen zum Motorraumbereich entfallen können, da ein Verstellgetriebe, insbesondere ein Breitkeilriemengetriebe, keinen oder nur unwesentliche Mengen von Schmierstoff benötigt. Somit sind nur Dichtungen vom Inneren des Kompaktantriebs zur äußeren Umgebung hin notwendig.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Rotorwelle und mindestens eine Welle des Getriebes im selben Gehäuseteil gelagert. Von Vorteil ist dabei, dass eine genaue Ausrichtung der Wellen zueinander schon bei der Fertigung und Bearbeitung des Gehäuseteils erreichbar ist. Denn das Gehäuseteil wird in nur einer Aufspannung endbearbeitbar und somit die relative Lage der Lagersitze sehr genau zueinander ausrichtbar.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 4 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb in Schrägansicht gezeichnet, wobei das Getriebe 40 nur symbolisch angedeutet ist.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb in Schrägansicht gezeichnet.
In der 2 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb angeschnitten gezeigt.
In der 3 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb angeschnitten gezeigt, bei dem im Unterschied zu 2 der Umrichter auf der anderen Seite von der Abtriebswelle als der Motor angeordnet ist.
Das symbolisch angedeutete Getriebe in 4 ist bei verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten jeweils verschiedenartig ausgeführt. In einer ersten Variante ist es als Stirnradgetriebe ausgeführt, was in den 2 und 3 auch verdeutlicht ist. In einer anderen Variante ist das Getriebe aus 4 als Verstellgetriebe ausgeführt. Dieses Verstellgetriebe ist entweder in der Art eines VARIMOT-Getriebes der Firma SEW-EURODRIVE ausführbar, also mit zwei aneinander reibenden Scheiben, oder in der Art eines VARIBLOC-Getriebes der Firma SEW-EURODRIVE ausführbar, also als Breitkeilriemengetriebe wobei der Abstand zweier kegeliger Verstellscheiben die Übersetzung bestimmen. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist auch statt eines Keilriemens eine Kette vorteiligerweise verwendbar.
Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Motor seitlich von der Abtriebswelle angeordnet. Die Rotorwelle 13 und die Abtriebswelle 8 sind also parallel angeordnet. Der Achsabstand dieser Wellen ist bestimmt durch die Verzahnungsteile der Stirnradgetriebestufe, die aus einem mit der Rotorwelle 13 formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbundenen Ritzel 14 und einem als Stirnrad ausgeführten Zahnrad 10, das mit der Abtriebswelle 8 verbunden ist, besteht.
Der Raumbereich des Getriebes, also der Stirnradgetriebestufe, ist von dem Raumbereich des Elektromotors abgedichtet ausgeführt. Der Wellendichtring 15 dichtet diese Raumbereiche an der Rotorwelle ab, da die Rotorwelle im Raumbereich des Motors die Permanentmagnete 12 trägt und im Raumbereich des Getriebes das Ritzel 14. Der Wellendichtring 5 dichtet den Raumbereich des Getriebes vom Raumbereich des Motors an der Abtriebswelle 8 ab, die als Hohlwelle ausgeführt ist.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist statt der gezeigten Stirnradgetriebestufe ein anderes Getriebe, umfassend mehrere Getriebestufen, einsetzbar.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Abtriebswelle nicht Hohlwelle sondern als Vollwelle ausgebildet. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die Abtriebswelle gemäß der Norm für Roboterschnittstellen auszubilden, wodurch ein sehr kompakter Abtrieb mit geringer axialer Baulänge entsteht.
Die Abtriebswelle 8 ist über das Lager 1 in demselben Gehäuseteil 21 gelagert, in welchem auch die Rotorwelle 13 über das Lager 18 gelagert ist.
Mittels des auf der Abtriebswelle 8 laufenden und in das Gehäusedeckels 3 eingesetzten Wellendichtrings 2 ist der Raumbereich des Motors gegen die Umgebung abgedichtet.
Die Gehäuseteile 21 und 22 sind mit Kühlvorrichtungen 4 versehen zur Abführung der im Motor, Getriebe und Umrichter entstehenden Wärme.
Die Abtriebswelle 8 ist über das andere, axial gegenüber liegende Lager (6, 9) wiederum in dem selben Gehäuseteil 22 gelagert, in welchem auch die Rotorwelle 13 über das andere Lager 20 gelagert ist.
Wesentlicher Vorteil bei dem Kompaktantrieb ist, dass keine Kupplung zwischen Motor und Getriebe notwendig ist und somit zusätzliche Teile entfallen. Insbesondere verwenden Motor und Getriebe sogar gleiche Gehäuseteile gemeinsam. Darüber hinaus ist eine genaue Ausrichtung der Wellen zueinander schon bei der Fertigung und Bearbeitung des Gehäuseteils erreichbar, indem Lagersitze für Motor und Getriebe, insbesondere beispielhaft die Lager 9 und 20, in ihrer relativen Lage zueinander beim Herstellen äußerst genau festlegbar sind. Denn das Gehäuseteil wird in nur einer Werkzeugmaschine in einer einzigen Aufspannung endbearbeitbar und somit die relative Lage der Lagersitze sehr genau zueinander ausrichtbar. Weiter vorteilhaft an der gemeinsamen Nutzung eines Gehäuseteils ist auch, dass der Kompaktantrieb auf diese Weise nicht nur ein kleines Bauvolumen benötigt sondern auch eine besonders hohe Stabilität aufweist, da die Kräfte des Motors und des Getriebes innerhalb desselben Gehäuseteils zueinander geleitet werden.
Mittels des auf der Abtriebswelle 8 laufenden und in das Gehäuseteil 22 eingesetzten Wellendichtrings 7 ist der Raumbereich des Getriebes gegen die Umgebung abgedichtet.
Der Stator 11 mit den Statorwicklungen 16 ist um die Rotorwelle 13 herum angeordnet.
Dieser Elektromotor ist als Mehrphasen-Synchronmotor ausgeführt. Es sind jedoch bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch beliebige andere Motoren statt des Synchronmotors integrierbar in den Kompaktantrieb.
Der auf der Rotorwelle laufende, in das Gehäuseteil 22 eingesetzte Wellendichtring 15 dichtet den Raumbereich des Getriebes vom Raumbereich des Motors ab.
Der Elektronikraumbereich 17 für den Umrichter ist zum Raumbereich des Motors nicht abgedichtet.
Der Motor trägt an seinem einen axialen Ende einen Resolver, der einen Resolverstator 19 und einen Resolverrotor 23 umfasst.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind statt des Resolvers auch andere Winkelsensoren oder Winkelgeschwindigkeitssensoren vorsehbar. Auch ist bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen an der dem Winkelsensor gegenüberliegenden Seite eine Bremse in den Kompaktantrieb integrierbar.
Bei wiederum anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Umrichter derart betrieben, dass mittels eines Verfahrens der Winkelwert geschätzt wird unter Verwendung eines geeigneten Motor-Modells. Somit ist weitere axiale Baulänge einsparbar.
In der 2 ist eine andere Variante eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gezeigt, bei dem der Elektronikraumbereich 31 nicht direkt zum Raumbereich des Motors ist sondern die Abtriebswelle 8 dazwischen liegt. In diesem Beispiel dichtet dann der Wellendichtring 5 den Raumbereich des Getriebes gegen den Elektronikraumbereich 31 ab, wobei der Wellendichtring 5 auf der Abtriebswelle 8 läuft und im Gehäuseteil 21 sitzt.
Der Getrieberaumbereich ist mit Schmierstoff, wie Schmieröl, Schmierfett oder dergleichen, befüllbar.
Bei den gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist keine besonders wirkungsvolle Wärmedämmung zwischen den Raumbereichen des Umrichters, also dem Elektronikraumbereich, und dem Getriebe-Raumbereich sowie dem Motorraumbereich vorgesehen. Somit liegen die Raumbereiche auf ungefähr einem gleichen Temperaturniveau. Ein ungefähr gleiches Temperaturniveau bedeutet einen Temperaturunterschied von maximal 10 ° Celsius im Dauerbetrieb mit Nennlast. Selbstverständlich ist bei stoßartigem Betrieb kurzfristig eine größere Temperaturdifferenz der Raumbereiche erreichbar. Vorteilig und überraschend ist bei dieser Ausführung, dass keine spezielle Wärmedämmung nötig ist und somit Material, Masse und Kosten einsparbar sind.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch Wärmedämmungen zwischen zweien oder mehreren der Raumbereiche vorsehbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Motor hochpolig ausgeführt, insbesondere acht- oder zehnpolig. Der Motor ist vorteiligerweise nach Art der DE 100 49 883 ausgeführt oder nach Art der DE 103 17 749 . Somit ist im Kompaktantrieb eine einzige Getriebestufe zusammen mit einem solchen Mehrphasenmotor ausreichend, um einen weiten Bereich an Übersetzungszahlen zu überdecken.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist als Abtriebswelle keine Hohlwelle sondern ein zylindrischer Wellenstumpf ausgeführt, wobei diese Abtriebswelle mittels Passfederverbindung mit der anzutreibenden Vorrichtung verbindbar ist.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Abtriebswelle und das abtriebsseitige Gehäuseteil nach Art der Roboterschnittstelle EN-ISO 9402 – 1 ausgeführt. Somit ist axiale Baulänge einsparbar und ein hohes Drehmoment übertragbar. Außerdem ist Kompatibilität mit entsprechenden, anzutreibenden und anzuschließenden Vorrichtungen erreicht.
Die elektrischen Anschlussvorrichtungen sind auf der Rückseite des Gehäuses vorgesehen und daher in den 1 bis 4 nicht sichtbar. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind jedoch auch andere Positionen für die Anschlussvorrichtungen vorsehbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die Anschlussvorrichtungen nur als Energieversorgung ausgeführt. Insbesondere sind nur Starkstromkabel zum Kompaktantrieb geführt. Die für die Datenkommunikation notwendige Übertragung von Daten zum oder vom Umrichter zu einer anderen, insbesondere übergeordneten Einheit, erfolgt dabei mittels Aufmodulation auf die Leistungsleitungen. Die Aufmodulation ist in bekannter Weise ausführbar, insbesondere wie aus der Powerline-Kommunikation oder nach dem FSK oder nach dem FH/PSK-Verfahren, also mache dem Frequency Hopping Phase Shift Keying, bekannt.

1: Lager
2: Wellendichtring
3: Gehäusedeckel
4: Kühlvorrichtungen
5: Wellendichtring
6: Lager
7: Wellendichtring
8: Abtriebswelle
9: Lager
10: Zahnrad
11: Stator
12: Permanentmagnete
13: Rotorwelle
14: Ritzel
15: Wellendichtring
16: Statorwicklung
17: Elektronikraumbereich
18: Lager
19: Resolverstator
20: Lager
21: Gehäuseteil
22: Gehäuseteil
23: Resolverrotor
31: Elektronikraumbereich
40: Getriebe

Claims

Kompaktantrieb, umfassend zumindest einen Elektromotor, ein Getriebe und einen Umrichter, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle des Getriebes und die Rotorwelle parallel zueinander angeordnet sind und der Achsabstand von zumindest einer Getriebestufe bestimmt ist.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Getriebestufe als Stirnradgetriebestufe ausgeführt ist.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebestufe als Verstellgetriebe ausgeführt ist, insbesondere als Breitkeilriemengetriebe oder Kettenantrieb.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Synchronmotor und/oder ein permanenterregter Motor ist.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter seitlich von der Rotorwelle angeordnet ist.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebebereich gegen die Umgebung und gegen den Bereich des Motors sowie gegen den Elektronikraumbereich abgedichtet ist.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebebereich, der Bereich des Motors und der Elektronikraumbereich auf einem ungefähr gleichen Temperaturniveau sich befinden.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor einen Geber, insbesondere umfassend einen Resolver-Stator und einen Resolver-Rotor, umfasst.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rotorwelle und mindestens eine Welle des Getriebes im selben Gehäuseteil gelagert sind.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein einziger Wellendichtring auf der Rotorwelle läuft.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wellendichtringe auf der Abtriebswelle laufen.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus Gehäuseteilen und Gehäusedeckeln zusammengesetzt ist, insbesondere zwei Gehäuseteilen und einem Gehäusedeckel.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlussvorrichtungen für Leistungsleitungen an einem Gehäuseteil des Kompaktantriebs vorgesehen sind.
Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompaktantrieb zumindest eine elektronische Schaltung zur Aufmodulation oder Demodulation von Information auf die Leistungsleitungen umfasst.