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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit als Antriebsaggregat mit einem elektrischen in einem Gehäuse gekapselten Motor, einem Getriebe und einer Bremseinheit, wobei das sich drehende Gehäuse zum Antrieb genutzt wird.
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Solche Antriebseinheiten werden in vielfältiger Art eingesetzt. Ein Einsatzgebiet sind Seilwinden, die eine Seiltrommel aufweisen, um Zugseile zum Heben und Ablassen von Lasten zu betätigen. Als Seiltrommel wird hierzu das Gehäuse der Antriebseinheit genutzt. Auf diese zylindrische Seiltrommel wird das Zugseil aufgewickelt und somit werden über die Trommel und den Motor die Zugkräfte aufgenommen. Um das Drehmoment, das ein Faktor für die Kraft einer Winde ist, zu erhöhen, ist üblicherweise zwischen Motor und Trommel zumindest ein Getriebe zwischengefügt. Eine zusätzliche mechanische Bremse ist erforderlich, die die Seilwinde beim Einsatz als Hebewerk sichert. Häufig werden Seilwinden in kleineren Hilfsfahrzeugen eingesetzt, wie sie beispielsweise für das Technische Hilfswerk oder die Feuerwehr verwendet werden. Ein weiteres Einsatzgebiet, in dem von den Seilwinden ein kompakter Aufbau verlangt wird, sind Kräne sowie Hebeeinrichtungen, die auf Schiffen verwendet werden.
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Leistungsfähige Seilwinden mit Zugkräften von bis zu mehreren 100 kN für den mobilen Einsatz auf Kränen oder anderen Baumaschinen werden heutzutage häufig noch hydraulisch betrieben. Der Grund liegt darin, dass meistens die restlichen beweglichen Teile der Baumaschine ebenfalls hydraulisch über Pumpen, Zylinder und Motoren betrieben werden und somit eine zentrale Hydraulikölversorgung vorhanden ist, die dann genutzt wird. Diese Art der Antriebe ist kostengünstig, kompakt, leistungsstark und leicht regelbar.
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Probleme bereiten Hydraulikmotoren allerdings vor allem beim Anfahren aus dem Ruhezustand. Denn im niedrigen Drehzahlbereich können sie nicht ihr volles Drehmoment entfalten und stellen somit auch nicht die volle Leistung zur Verfügung. Auch laufen sie aufgrund ihrer Bauart nicht harmonisch an, sondern zeigen ein „Ruckeln”, bis eine entsprechend hohe Drehzahl erreicht ist. Hierbei werden vor allem Lager und Getriebe zusätzlich belastet, was zu einem hohen Verschleiß und kürzeren Standzeiten führt.
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Ein weiteres Problem dieser Hydraulikaggregate ist darin zu sehen, dass sie mit Öl gekühlt werden. Dieses Hydrauliköl tritt an Schlauchkupplungen und beweglichen Teilen aus und belastet dadurch die Umwelt. Die Gefahr einer Ölleckage ist besonders bei Maschinen und Kränen kritisch, die für ihren jeweiligen Einsatz aufgebaut und folglich auch wieder abgebaut werden müssen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit für den Einsatz als Antriebsaggregat der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass zumindest ein Teil der vorstehend aufgeführten Nachteile von herkömmlichen für diesen Einsatzbereich verwendeten Antriebseinheiten vermieden wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Antriebseinheit als Antriebsaggregat mit einem elektrischen in einem Gehäuse gekapselten Motor, einem Getriebe und einer Bremseinheit, wobei das sich drehende Gehäuse zum Antrieb genutzt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Motor ein Torquemotor ist, dass das Getriebe im Innern des Gehäuses aufgenommen ist, wobei das Gehäuse einerseits über den Motor und andererseits über das Getriebe gelagert ist.
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Eine wesentliche Maßnahme ist diejenige, dass als Motor ein Torquemotor eingesetzt wird. Ein Torquemotor zeigt gerade als Antrieb für dynamische Anwendungen, wie dies beispielsweise für eine Seilwinde der Fall ist, Vorteile. Gerade im niedrigen Drehzahlbereich stellt der Torquemotor ein maximales Drehmoment sehr schnell zur Verfügung. Er kann aber auch hohe Drehzahlen erreichen, die in manchen Anwendungsfällen einer solchen Antriebseinheit erforderlich sind. Durch eine angepasste Umrichter- und Regelungstechnik kann der Antrieb für den dynamischen Betrieb beim Anfahren und Bremsen mit höchster Leistung ohne Antriebsschwankungen, das bedeutet ohne ein „Ruckeln”, optimiert werden. Dadurch besitzen auch das dem Motor nachgeschaltete Getriebe und die Lager eine höhere Lebenserwartung. Ein besonderer Vorteil ist auch darin zu sehen, dass ein Torquemotor absolut wartungsfrei ist. Darüber hinaus kann wegen des größeren Drehmoments des Motors eine kleinere Übersetzung des Getriebes gewählt werden mit der Folge, dass höhere Seilgeschwindigkeiten und eine kompaktere Bauform möglich sind.
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Eingebaut ist der Torquemotor direkt in dem Gehäuse, das beispielsweise auch die Seiltrommel einer Winde bildet. Weiterhin ist in dem Gehäuse der Antriebseinheit das Getriebe aufgenommen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt, um einen kompakten und den Beanspruchungen gerecht werdenden Aufbau zu erreichen, ist darin zu sehen, dass das Gehäuse einerseits über den Motor und andererseits über das Getriebe ist. Diese Bauform ist noch kompakter und bietet optimale Einbau- und Einsatzmöglichkeiten.
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Bevorzugt werden das Getriebe und die Bremseinheit der Antriebseinheit auf der Antriebswelle des Motors angeordnet. Dadurch ergibt sich ein koaxialer und damit kompakter Aufbau.
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Das Getriebe sollte als Planetengetriebe ausgeführt werden, das vorzugsweise ein Sonnenrad umfasst, das die Antriebsverbindung mit der Antriebswelle des Motors bildet. Weiterhin saute ein solches Planetengetriebe ein Hohlrad umfassen, das die antriebsseitige Verbindung mit dem Gehäuse bildet.
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Für die Bremseinheit wird bevorzugt eine Lamellenbremse eingesetzt, die darüber hinaus, in der bevorzugten Ausführung, elektromagnetisch-federdruckbetätigt ausgestaltet ist. Eine solche Lamellenbremse hat den Vorteil, dass sie im Fehler- oder Stromausfall selbsttätig schließt und das Antriebssystem so in einen sicheren Zustand überführt. Weiter zeichnet diese Bremsenausführung hohes Haltemoment, ausreichend hohe Leerlaufdrehzahl aus und Wartungsfreiheit aus.
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Um zu erreichen, dass Axialkräfte aufgenommen und einer temperaturbedingten Längenausdehnung des umlaufenden Gehäuses nachgegeben werden kann, sollte die Trommeleinheit auf der Seite des Motors durch ein Wälzlager gelagert werden.
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In einer Ausführungsform ist die Antriebswelle zwischen Motor und Getriebe durch einen Drehmomentgeber unterteilt. in diesem Bereich zwischen Motor und Getriebe ist üblicherweise ausreichend Raum in dem Gehäuse vorhanden, um einen solchen Drehmomentgeber anzuordnen. Mit diesem Drehmomentgeber wird zu Regelungs-, Steuer- und Überwachungszwecken das Drehmoment, das zwischen Motor und Getriebe auftritt, erfasst.
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Weiterhin wird in einer Ausführungsform antriebsseitig des Motors ein Drehzahlgeber angeordnet, um die Drehzahl des Motors zu erfassen und in die Regelung und Steuerung einzubeziehen.
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Vorzugsweise wird der Torquemotor mit Wasser oder mit einem Wasser-Glykol-Gemisch gekühlt. Diese Art der Kühlung ist umweltfreundlich, da nicht nur Wasser, sondern auch das Wasser-Glykol-Gemisch, nicht als umweltbelastend einzustufen sind. Auch ist die Effizienz der Kühlung bedingt durch die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von Wasser weitaus höher als übliche alternative Kühlarten. Nur so sind die 100-prozentige Ausnutzung des Motorpotentials und die Integration in das rotierende Gehäuse möglich.
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Das Gehäuse der Antriebseinheit kann als Antriebsnabe ausgeführt werden, um beispielsweise ein Fahrzeugrad anzutreiben. Die Antriebsnabe kann aber auch zu anderen Antriebszwecken verwendet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Motor der Antriebseinheit beim Ablassen einer Last über ein Hebeseil als Generator betrieben, um beispielsweise Batterien, die auch als Pufferbatterien eingesetzt werden können, aufzuladen. Der Torquemotor setzt nämlich im Generatorbetrieb kinetische Energie in elektrische Energie um, die dann auch anderen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden kann, neben der Möglichkeit, diese Energie in Akkumulatoren sowie Kondensatoren zu speichern.
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Die Antriebseinheit zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: sie besitzt einen hohen Gesamtwirkungsgrad über den vollen Leistungsbereich
- – zum Betreiben der Antriebseinheit kann bis zu 30% Energie gegenüber herkömmlichen Antriebseinheiten eingespart werden
- – geringe Emissionen
- – höhere Seilgeschwindigkeiten
- – ruckfreier Anlauf
- – wartungsarm
- – geringer Ölverbrauch
- – montagefreundlich
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
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1 einen Längsschnitt durch eine Antriebseinheit entlang der Schnittlinie A-A in 2 und
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2 eine Ansicht auf die Stirnseite der Antriebseinheit der Figur aus Richtung des Sichtpfeils B in 1.
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Die Antriebseinheit, wie sie in den 1 und 2 dargestellt ist, dient als Antriebsaggregat für eine Seilwinde.
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Die Antriebseinheit umfasst ein zylindrisches Gehäuse 1, das als Seiltrommel ausgelegt ist. Das Gehäuse 1 bzw. die Seiltrommel 1 besitzt auf ihrem Außenumfang eine Seilwickelfläche 2, die mit spiralförmig um den Umfang verlaufenden Nuten 3 versehen ist, um, in diesen Nuten 3 geführt, ein nicht näher dargestelltes Zugseil in gleichmäßig nebeneinander liegenden Windungen aufzuwickeln. Die Seilwickelfläche 2 ist an den Enden durch jeweils einen Flansch 4 begrenzt.
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Innerhalb des Gehäuses 1, und zwar von der einen Seite des Gehäuses 1 aus, ist ein Torquemotor 5 eingesetzt. Der Torquemotor 5 wird an seinem einen Ende über einen ersten Halteflansch 6 befestigt, der Teil einer Wanne 7 ist. Auf der Innenseite des Halteflanschs 6 befindet sich ein rohrförmiger Abschnitt 8, der sich auf der Innenseite an dem Torquemotor 5 abstützt und auf dessen Außenseite sich, und zwar an dem Halteflansch 6 gegenüberliegenden Ende, ein Wälzlager 9 abstützt, das sich in den Innenumfang des zylindrischen Gehäuses 1 einfügt und dadurch das zylindrische Gehäuse 1 bzw. die Seiltrommel 1 drehbar lagert.
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Der Torquemotor 5 besitzt eine bis zu dem anderen Ende des Gehäuses 1 durchgehende Antriebswelle 10. Diese Antriebswelle 10 führt durch ein Planetenradgetriebe 11 hindurch, dessen rotierendes Getriebegehäuse 12 mit der Außenseite des Flanschs 4 der Seiltrommel 2 fest verschraubt ist. In dem stirnseitigen, außen liegenden Ende des Planetenradgetriebes 11 ist ein Planetenhalter 13 eingesetzt, der an dem in 1 rechten Halteflansch 14 feststehend befestigt ist. Auf der Außenseite des Halteflanschs 14 befindet sich eine Elektromagnet-Federdruck-Lamellenbremse 15, in die das Ende der Antriebswelle 10 hineinragt. Auf der Antriebswelle 10 sind die drehenden Lamellenringe angebracht, die im gelösten Zustand der Bremse keinen Kontakt zu den feststehenden Bremslamellen haben. Wird die Betriebsspannung von der Bremse durch die Steuerung oder durch Spannungsausfall genommen, erlischt die Wirkung der Elektromagneten und die Federn ziehen den Innenring mit den feststehenden Bremslamellen gegen die beweglichen. Die Bremse blockiert und sichert die Antriebseinheit.
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Das Planetenradgetriebe 11 umfasst ein nicht näher dargestelltes Sonnenrad, das mit der Antriebswelle des Motors verbunden ist. Dieses Sonnenrad überträgt das Antriebsdrehmoment der Antriebswelle 10 in zwei Getriebestufen über die feststehenden Planetenräder auf ein umlaufendes Hohlrad, an dem seinerseits die Seiltrommel 1, sich mit dem Hohlrad mitdrehend, montiert ist.
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Auf der Motorwelle 10 ist, zwischen Motor 5 und Planetenradgetriebe 11 schematisch ein Drehmomentgeber 16 angedeutet, um das in diesem Bereich auftretende Drehmoment zu erfassen.
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Weiterhin befinden sich am Torquemotor 5 Anschlüsse für eine nicht dargestellte Wasserkühlung oder Wasser-Glykol-Gemisch-Kühlung.
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Angesteuert wird der Motor über einen Frequenzumrichter.
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Das Antriebsaggregat arbeitet wie folgt:
Die im Getriebe 11 gelagerte Motor-Antriebswelle 10 des Torquemotors 5 treibt das Sonnenrad des Planetengetriebes 11 an. Dieses setzt die Drehbewegung des Motors 5 in zwei Getriebestufen, wie dies dargestellt ist, oder auch über mehrere Getriebestufen, mit stark verringerter Drehzahl und weit höherem Drehmoment, als dies unmittelbar abtriebsseitig des Motors 5 bereitgestellt wird, über die Planetenräder im feststehenden Planetenhalter 13 auf das Hohlrad des Getriebes um. Die sich auf dem Hohlrad befindliche Seiltrommel 1 wird von der Drehbewegung des Hohlrads mitgenommen und wickelt das Zugseil auf. Dabei wird das Drehmoment in die entsprechend hohe Zugkraft im Seil umgesetzt.
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Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Seiltrommel 1 auf der einen Seite über das Planetenradgetriebe 11 und auf der Motorseite über das Wälzlager 9 gelagert. Wenn eine am Seil befestigte Last in die gewünschte Position gezogen ist, fällt die federdruckbetätigte Lamellenbremse 15 ein und blockiert die Antriebswelle 10 des Motors 5, so dass die an dem Seil hängende Last gesichert und der Motor entlastet ist.
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Die Bremse 15 wird auch bei Motorausfall oder einem anderen etwaigen Bauteilversagen als Notbremse eingesetzt.
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Wenn das Seil von der Seiltrommel 1 abgewickelt wird, verläuft der beschriebene Vorgang rückwärts, wobei der Zugkraft im Seil mit Hilfe des Torquemotors 5 kontrolliert nachgegeben wird. Der Torquemotor 5 kann bei diesem Bewegungsablauf bremsend als Generator eingesetzt werden. Die dadurch erzeugte elektrische Energie steht dann zur weiteren Nutzung zur Verfügung.
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Der Frequenzumrichter regelt die Drehzahl und das Drehmoment des Drehstrommotors eigenständig. Die Verbindung zum Motor besteht über ein Leistungskabel. An der Eingangsseite ist der Umrichter über ein Leistungskabel mit dem Netz oder Zwischenkreis verbunden. Eine Steuerleitung verbindet den Frequenzumrichter mit dem in den Motor eingebauten Drehzahlgeber. Die für die Regelung notwendige Führungsgröße erhält der Frequenzumrichter von einem Bedien-Steuergerät über ein Bussystem. Um die Drehzahl steuern zu können, kann der Frequenzumrichter die Frequenz des Motorstroms verändern. Die Drehzahl des Motors ist direkt proportional zur ausgegebenen Frequenz. Das Drehmoment des Motors ist direkt proportional zum eingeleiteten Strom. Innerhalb des Umrichters befinden sich sowohl die Regelungselektronik als auch die Leistungselektronik. Eine aufwändige Verdrahtung, wie sie bei der Steuerung von Hydraulik nötig ist, entfällt weitestgehend. Neben der Leistungsleitung wird lediglich ein Drehzahlgeber zum Umrichter geführt. Die restliche Steuerung findet über die Bus-Schnittstelle statt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Antriebseinheit als Hubwerk für einen Gittermastkran eingesetzt. Bei diesem Einsatzbereich können maximale Seilzugkräfte von über 150 kN sowie Seillängen von bis zu 1000 m auftreten.
