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Die
Erfindung beschreibt eine neue Klasse von aktiven Normteilen zur
gleichzeitigen Lagerung und Antrieb von Achsen, Wellen und/oder
Antriebselementen wie z.B. Räder
o.ä..
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Radial-
oder Axiallager sowie Kombinationen aus diesen Lagertypen übernehmen
in der Technik die Aufgabe einerseits Belastungspunkte zu fixieren, an
denen Kräfte
in „Fundamente" abgeleitet werden, und
andererseits Dreh- oder Axialbewegungen möglichst reibungsarm zu realisieren.
Immer erfolgt dies passiv als Reaktion auf von außen angreifende
Kräfte
oder Momente.
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Lagerelemente
oder Baugruppen zur Lagerung, die aktiv Bewegzungen realisieren
und Kräfte bzw.
Momente erzeugen und auf andere Baugruppen z.B. Achsen oder Wellen
wirken lassen, sind weitestgehend unbekannt. Eine Ausnahme bilden
Elemente der Supraleitung, die sowohl Lagerung und Antriebseinheit
bilden können.
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Der
Wunsch Antrieb und Lagerung in eine Baugruppe zu integrieren begründet sich
im Streben nach kompakten Antriebseinheiten mit deren Hilfe Gewicht
und Kosten bei einer Vielzahl von Maschinen eingespart werden können. Wichtige
Nebenbedingung dabei ist, das die Antriebsgeschwindigkeit (Bei Drehbewegungen
entspricht dies der Drehzahl) stufenlos in weiten Bereichen vari ierbar
ist. Auf diese Weise kann auf entsprechende Getriebekomponenten
verzichtet werden.
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Kompakte
Antriebssysteme sind unter anderem aus PCT/DE 96/01622 bekannt,
bei der eine Elektromaschine, die zwischen der Verbrennungsmaschine
und dem Getriebe angeordnet ist, die bisherigen Funktionen der bekannten
Lichtmaschine und des Starters übernimmt
und darüber
hinaus noch Dämpfungsfunktion,
Energierückgewinnung
(beim Bremsvorgang), Anfahrunterstützung und einige andere Funktionen
realisierbar macht. Als Lagerung benutzt dieses System die bereits
vorhandene Lagerung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.
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Grundsätzlich verfügen andere
Antriebseinheiten (Elektromotoren) entweder über eigene Lagersysteme, die
den Rotor abstützen
oder nutzen, wie oben geschildert, bereits vorhandene Lagerungen mit.
Einer Integration des Antriebs in ein Lagerungssystem stand bisher
die Größe des Antriebes
bei entsprechend gewünschten
Leistungen entgegen.
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Aufgelöst wird
dieser Zielkonflikt mittels der hier vorgestellten Erfindung durch
die Verwendung eines zwar bekannten, aber aufgrund mangelnder Erfahrung
in der Berechnung mit den erforderlichen numerischen Methoden (FEM)
bisher kaum realisierten Transversalflussprinzip.
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Aufgrund
der transversalen (häufig
axialen) Führung
des magnetischen Flusses in der Elektromaschine können Motoren
mit 30 und mehr Pole realisiert werden. Dies wiederum hat einen
direkten, nämlich
reduzierenden Einfluss auf die erforderlichen Eisenabmaße für Stator
und Rotor. Letztlich können mit
diesem Prinzip sehr kompakte Antriebe für große Leistungen realisiert werden.
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In
der weiteren Ausgestaltung der vorgestellten Erfindung erreicht
der Antrieb eine radiale Höhe, die
gleich oder nur geringfügig
höher als
die Höhe
eines Rillenkugellagers ausfällt
(1 und 2).
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Damit
besteht die Möglichkeit
diesen Lagerungsmotor direkt an der Lagerungsstelle einzusetzen
und dort – platzsparend – das Antriebsmoment einzuleiten.
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Die
Transversalfluss-Motoreinheit besteht dabei vorzugsweise aus Einzelphasen,
aufgebaut aus zur Drehachse konzentrischen Kupferspiralen (eine
Kupferspirale gleich eine Phase) und entsprechend gestalteten Jochelementen,
die beispielsweise axial aufgereiht als 3er-Paket einen 3 Phasenmotor
mit der Leistung P ergeben. Vorteil einer solchen Spulenanordnung
ist, dass die sonst üblichen
Wickelköpfe,
wie sie bei konventionellen Elektromotoren mit Drahtwicklung bekannt
sind, bei diesem Typ einer elektrischen Maschine gänzlich entfallen
und damit die aktive Länge
der Maschine gleich der Statorlänge
des Motorteiles ist.
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Die
Leistung P kann durch entsprechende axiale Erweiterung der Motoreinheit
um das entsprechende Vielfache gesteigert werden. Auf diese Weise lassen
sich Motoren unterschiedlicher Leistung und Performance durch die
axiale Aneinanderreihung gleichartiger Grundelemente erzielen.
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Eine
Alternative dazu wäre
die axiale Stapelung eines Grundmotors, wobei die Einzelantriebe elektrisch
verschaltet werden (3).
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Integriert
in diesen Lagermotor werden Sensoren zur Bestimmung der Drehbewegung,
der Lage von Temperaturen und Kräften.
Damit bietet der Lagermotor (LM) gleichzeitig ein volles Messsystem
zur Steuerung und Regelung an.
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Idealerweise
bildet der Motor mit einem Lager gleichen Typs und Größe links
und rechts von der Motoreinheit eine kompakte Baugruppe, es sind
jedoch auch unterschiedlichste Lagervarianten in Verbindung mit
der Motoreinheit vorstellbar, um die unterschiedlichsten Lagerungsaufgaben
erfüllen
zu können.
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Um
die Baugruppe noch kompakter und damit auch kostengünstiger
zu gestalten, kann in die Seitenelemente des Rotors, dies gilt für Außen- und Innenläufer gleichermaßen, eine
Lauffläche
des jeweiligen Lagers integriert werden.
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Die
weitere Ausgestaltung des Rotors kann in vielfältiger Weise erfolgen. In ihn
kann gleichzeitig die Funktion einer Spindelmutter oder die Mutter
einer Kugelumlaufspindel vorgesehen sein oder mittels bekannten
lösbaren
(Kerbverzahnung, Vielkeilverbindung etc.) oder unlösbaren Verbindungen
(Kleben, Löten.
Aufpressen etc.) kann der Rotor mit einer Welle oder einem anderen
sich drehenden Teil verbunden werden.
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Auch
diese elektrische Maschine muß bei Dauerbetrieb
im Statorbereich (1) gekühlt werden, wobei sich eine
Flüssigkeitskühlung wegen
ihrer Kompaktheit und Effizienz besonders anbietet. Luftkühlungen
sind theoretisch auch denkbar, wobei beispielsweise eine äußere Verrippung
des Statorträgers
(4) bereits diese Aufgabe mittels des axial durch
diese Rippen strömenden
Luftstromes erfüllt. (Dieser
kann auch durch z.B. ein Gebläse
unterstützt werden.)
Die Rippen stützen
dabei gleichzeitig den Lagermotor gegenüber dem Lagerort ab. Bei intermittierendem
Betrieb, wie er beispielsweise bei Spindelantrieben gebräuchlich
ist, kann auf den Einsatz einer externen Kühlung verzichtet werden. Hier
reicht die Wärmeableitung
in die den Lagerort tragenden Maschinenteile aus (2).
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist s zur weiteren Reduzierung der Motorenhöhe H vorgesehen,
dass der Rotorträger
den gleichen oder einen größeren Innendurchmesser
DI als der Innenring der links und rechts angeordneten Lagerelemente
besitzt und mit diesen axial (lösbar
oder unlösbar)
verbunden ist. Bei dieser Ausführungsvariante ist
der Statorträger
mit den Außenringen
der links und rechts von ihm angeordneten Lager nicht oder, falls erforderlich,
ebenfalls axial (lösbar
oder unlösbar) verbunden.
Der Statoraußendurchmesser
DA ist dabei gleich oder kleiner als der Außendurchmesser des Lageraußenringes.
In einer weiteren Variante ist eine Ausführungsform möglich, bei
der sowohl der Stator- wie auch der Rotorträger beidseitig die Lagerflächen (für Wälz oder
Gleitlager; Luftlager oder Lager mit Supraleitung werden hierbei
als Gleitlager angesehen) integrieren.
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Ein
Ausklappen des Motors und Flachlegung in die Ebene zur Nutzung als
Linearantrieb ist in einer Weiterentwicklung ebenfalls möglich.
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In
den Zeichnungen ist schematisch die Erfindung dargestellt, es zeigt
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1 Darstellung
eines Lagermotors mit Statorkühlung.
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2 Darstellung
eines Lagermotors ohne Statorkühlung
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3 Reihenanordnung
mehrerer Lagermotoren
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4 Schnitt
durch einen Lagermotor mit axialen Kühlrippen zur Luftkühlung
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Auch
Merkmale, die nur gezeichnet aber nicht ausführlich beschrieben sind oder
die Umkehrung, stellen Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar.
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In
den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die
folgende Beschreibung behandelt einen Lagermotor wie er zum Beispiel
zum direkten Antrieb einer Spindelmutter in einem Spindelantrieb
eingesetzt werden kann. Von Spindelantrieben werden die Aufbringung
großer
axialer Kräfte
zur Bewegung von Werkzeugschlitten und Pressentischen oder großer Drehmomente
auf engstem Raum zur Ausführung von
Werkzeugbewegungen erwartet.
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In 1 wird
beispielhaft ein Lagermotor mit den zwei Stützlagern (1A) und
(1B) vorgestellt. Dargestellt sind nur beispielhaft zwei
gleich große
Rillenkugellager, auch andere Lagertypen und unterschiedliche Lagergrößen (1A)
und (1B) sind einsetzbar.
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Aufgebaut
ist der dargestellte Lagermotor aus dem Statorträger (8), der auf seiner
Außenseite, gekennzeichnet
durch den Durchmesser DA, die Abdeckung (6) trägt, für die vorgesehene
Flüssigkeitskühlung mit
den Kühlkanälen (7).
Die Innenseite des Lagermotors mit dem Durchmesser DI bildet der Rotorträger (4)
mit den Permanentmagneten (3) auf der Rotorinnenseite.
Dargestellt ist ein Innenläufermotor,
analog dazu kann der Motor auch als Außenläufer realisiert werden.
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Der
elektrische Teil des Motors, gezeichnet ist eine Realisierung nach
dem Transversalflussprinzip, wird auf der Statorseite gebildet durch
konzentrische Spulen aus Kupferband (2U) und dem zugehörigen Jochelement
(5U). Dabei repräsentiert
(2U) die Spule der elektrischen Phase U. Um einen dreiphasige
Maschine zu erhalten müssen
drei solcher Spulen und Jochpaare in Reihe angeordnet werden. Dies zeigt
die Anordnung (2U), (2V) und (2W), die
damit das Motorgrundelement (9) mit der Länge 1 bildet. Zur
Steigerung von Drehmoment und Leistung genügt bei diesem Motortyp die
n1-fache axiale Aneinanderreihung dieses Motorelements zum Motor
(10) mit der Länge
L für den
aktiven Teil. Auffällig
ist bei dieser Motorvariante, dass die sonst beidseitig auftretenden
Wickelköpfe
entfallen. Dies bedeutet nicht, dass Lagermotoren nur mittels dem
Transversalflussprinzips aufbaubar sind, auch andere synchrone und asynchrone
Motorvarianten sind durchaus geeignet, wobei dann Einbussen in der
Kompaktheit und der Leistungsfähigkeit
auftreten.
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Wie
bereits zuvor beschrieben, kann bei internittierendem Betrieb des
Motors auf die Kühlung verzichtet
werden. In 2 zeigt (13) einen
solchen ohne Kühlung
ausgestatteten Statorträger.
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Eine
andere Variante zur Erhöhung
von übertragbarer
Leistung und Drehmoment zeigt 3 mit der
n2-fachen Aneinanderreihung eines Lagermotors (11) der
Breite b zum Gesamtmotor (12) mit der Breite B.
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Eine
Variante mit einer Luftkühlung über Kühlrippe
(16), die regelmäßig über den
Umfang verteilt parallel zur Drehachse verlaufen und damit Strömungskanäle (14)
für Kühlluft bilden,
zeigt 4. Die abzuführende
Wärmemenge
wird hier einerseits an die Kühlluft
und andererseits an das den Lagerort umgebende Material (15)
abgegeben.
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Auch
hier sind Varianten mit Kühlrippen,
die nicht genau axial, sondern in Kurvenform entlang der Stator-Außenwand
verlaufen, vorstellbar.
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- 1
- Lager,
links und rechts
- 2
- Kupferspule;
Phasen U, V und WW
- 3
- Permanentmagnete
- 4
- Rotorträger
- 5
- Statorjoch,
Phase U
- 6
- Kühlungsabdeckung
- 7
- Statorträger
- 8
- Kühlkanal
für Flüssigkeitskühlung
- 9
- Motorelement
mit der Länge
1
- 10
- Aktive
Motorlänge
- 11
- Lagermotor
der Länge
b1
- 12
- Lagermotorkombination
der Länge
B1
- 13
- Statorträger ohne
Kühlung
- 14
- Kühlkanal
zur Luftkühlung
- 15
- Lagerort
- 16
- Kühlrippe
-
Abkürzungen
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- A, B
- Lager, links und rechts
- b1
- Länge eines Lagermotors mit zwei
zweiphasigen Grundelementen
- B1
- Gesamtlänge einer
Motorkombination mit n2 Lager motoren der Länge b1
- DI
- Innendurchmesser
- DA
- Außendurchmesser
- h
- radiale Höhe eines
Lagers
- H
- radiale Höhe des Lagermotors
- hs
- Statorhöhe an der
Stirnseite
- hr
- Rotorhöhe an der
Stirnseite
- l
- Länge eines dreiphasigen Statorgrundelementes
- L
- aktive Länge eines
Lagermotors bestehend aus n1 Grundelementen
- n
- Zählindex
- n1
- Zählindex
- n2
- Zählindex
- M
- Mittelpunkt
- P
- Leistung