DE4332323A1 - Getriebemotor mit einem eine Hohlwelle aufweisenden Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Getriebemotor mit einem Elektromotor, dessen Rotor eine Hohlwelle aufweist, durch die über mindestens ein Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe ein Verbraucher antreibbar ist.

Derartige Getriebemotoren, bei denen die Hohlwelle ständig mit dem Getriebe oder unmittelbar mit dem Verbraucher verbunden ist, sind bekannt. Es ist auch bekannt, das Getriebe als Schaltgetriebe auszubilden, um den Verbraucher mit unterschiedlichen Drehzahlen antreiben zu können. Derartige Getriebemotoren werden häufig dann eingesetzt, wenn der Verbraucher mit unterschiedlichen Drehzahlen anzutreiben ist, beispielsweise mit einem sogenannten Eilgang oder mit einer erheblichen Untersetzung, um beispielsweise langsam ablaufende Vor­ gänge durchführen zu können. Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet sind z. B. sogenannte Kristallziehanlagen, in denen nach der Czochralski-Methode Kristalle aus einem Halbleitermaterial aus der Schmelze gezogen werden. Für den langsam ablaufenden Ziehprozeß wird auf der Abtriebseite eine sehr niedrige Drehzahl benötigt. Für das Anheben des fertigen Kristalls und für das Absenken eines Keimkristallhalters für den Beginn eines weiteren Ziehprozesses wird je­ doch in aller Regel ein Eilgang benötigt, um die Stillstandszeit der Ziehanlage möglichst zu reduzieren. Hierfür wurden in der Vergangenheit besondere Schalt­ getriebe verwendet, die keine Baueinheit mit dem elektrischen Antriebsmotor bil­ deten. Außerdem fehlte den bekannten Getrieben die für einen Kristall-Ziehpro­ zeß erforderliche hohe Laufruhe, und schließlich besaßen die bekannten Antriebe ein ungünstiges Verhältnis von Drehmoment zu Bauvolumen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Getriebemotor der ein­ gangs beschriebenen Gattung anzugeben, der kostengünstig herstellbar ist, ein günstiges Verhältnis von Drehmoment zu Bauvolumen aufweist, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen extrem schwingungsarm arbeitet und für die Verwendung unter Reinraumbedingungen tauglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Ge­ triebemotor erfindungsgemäß dadurch, daß koaxial in der Hohlwelle eine Ab­ triebswelle angeordnet ist, die wahlweise mittels einer ersten schaltbaren Kupp­ lung auf die Hohlwelle und mittels einer zweiten schaltbaren Kupplung über das Getriebe auf die Hohlwelle aufschaltbar ist.

Ein derartiger Getriebemotor läßt sich kostengünstig und unter Verwendung einer großen Zahl handelsüblicher Bauteile herstellen, besitzt ein günstiges Verhältnis von Drehzahl zu Bauvolumen, ist für die Verwendung unter Reinraumbedingun­ gen tauglich und hat eine extreme Laufruhe insbesondere bei niedrigen Drehzah­ len, läßt aber gleichzeitig auch hohe Drehzahlen für einen sogenannten Eilgang zu. Insbesondere ist dabei der Einsatz nur eines einzigen Elektromotors erforder­ lich, so daß sich ein derartiger Getriebemotor besonders vorteilhaft für die Ver­ wendung bei Kristall-Ziehanlagen eignet. Hierauf ist die Anwendung jedoch nicht beschränkt, sondern es sind vielmehr auch andere Einsatzmöglichkeiten eines derartigen Getriebemotors denkbar.

Die beschriebene erste schaltbare Kupplung muß dabei nicht unmittelbar die Ab­ triebswelle mit der Hohlwelle verbinden, sondern es kann auch zwischen der Hohlwelle und der Abtriebswelle ein weiteres Getriebe vorgesehen werden, ins­ besondere ein solches mit einem unterschiedlichen Untersetzungsverhältnis als das andere Getriebe.

Die gesamte Anordnung ist dabei im wesentlichen koaxial ausgebildet; sie läßt sich - vollständig gekapselt - in einem kompakten zylindrischen Gehäuse unter­ bringen.

Es lassen sich mit dem bekannten Getriebemotor auch unterschiedliche Verbrau­ cher antreiben, die beispielhaft mit den beiden Enden der Abtriebswelle verbun­ den sein können. Hieraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Lösung vielsei­ tige Kombinationsmöglichkeiten zuläßt. So lassen sich beispielsweise mit dem er­ findungsgemäßen Getriebemotor Spindelantriebe, Handlings-Systeme, Werk­ zeugmaschinenvorschübe und ähnliche Aggregate antreiben.

Es ist dabei im Sinne einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders vor­ teilhaft, wenn die erste Kupplung für die unmittelbare Aufschaltung der Hohlwelle auf die Abtriebswelle am einen Ende der Hohlwelle und die zweite Kupplung für die Einschaltung des Getriebes am anderen Ende der Hohlwelle angeordnet ist.

Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn mindestens eine der Kupplungen als Ma­ gnetkupplung ausgebildet ist. Derartige Kupplungen lassen sich durch Fernbe­ dienung schalten und bedingen infolgedessen keinen Eingriff mechanisch beweg­ licher Teile in das Motor- und Getriebegehäuse.

Die Verwendung von zwei Kupplungen, die mittels einer Schalteinrichtung gleich­ zeitig schaltbar sind, schafft eine weitere Möglichkeit, nämlich die vollständige Blockierung des Systems durch Selbsthemmung.

Es ist dabei weiterhin möglich, die Abtriebswelle in zwei Teilwellen zu unterteilen und die Hohlwelle mittels der ersten Kupplung unmittelbar auf die eine Teilwelle aufzuschalten und mittels der zweiten Kupplung über das Getriebe auf die andere Teilwelle, so daß beide Teilwellen gleichzeitig aber mit unterschiedlichen Ab­ triebsdrehzahlen betrieben werden können.

Wenn in diesem Falle im Zuge einer wiederum weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung zwischen den beiden Teilwellen eine dritte schaltbare Kupplung angeordnet ist, weisen beim Einschalten dieser Kupplung beide Teilwellen wiederum die glei­ che Abtriebsdrehzahl auf, und durch gleichzeitiges Einschalten aller Kupplungen wird wiederum eine Verriegelung des Systems erreicht.

Es ist weiterhin von besonderem Vorteil, wenn als Getriebe ein Untersetzungsge­ triebe eingesetzt wird, bei dem in ein starres Hohlrad ein flexibles Stirnrad mit ei­ ner Zähnezahl eingreift, die nur wenig kleiner ist als die Zähnezahl des Hohlra­ des. Derartige Getriebe sind als "Harmonic-Drive-Getriebe" bekannt und sind in der Technischen Rundschau, Heft 46, 1991, Seiten 56 bis 64, unter dem Titel "Präzisionsgetriebetechnik - die Kleinen mit dem großen Können" ausführlich er­ läutert. Hierbei wird das flexible Stirnrad durch einen umlaufenden elliptischen Steuerkörper unter Zwischenschaltung von Wälzlagern so verformt, daß das fle­ xible Stirnrad an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen in das Hohlrad ein­ greift, wobei die Eingriffsstellen auf dem Innenumfang des Hohlrades ständig wandern. Durch eine Differenz von nur zwei Zähnen zwischen den beiden Zahn­ kränzen wird so erreicht, daß eine volle Umdrehung des elliptischen Steuerkör­ pers das Hohlrad nur um den Abstand zweier Zähne weiterbewegt. Auf diese Weise kann eine sehr starke Untersetzung erreicht werden, und die Laufruhe ei­ nes solchen Getriebes ist - wie der Name bereits sagt - außerordentlich groß, so daß sich ein derartiges Getriebe besonders vorteilhaft für Kristall-Ziehprozesse eignet. Für einen sogenannten "Eilgang" ist ein solches Getriebe naturgemäß nicht geeignet, so daß hier die erfindungsgemäße Lösung voll zum Tragen kommt, die Hohlwelle des Elektromotors durch das erste Getriebe unmittelbar mit der Abtriebswelle zu verbinden. Hierdurch werden mittels eines koaxialen An­ triebsystems zwei Abtriebsdrehzahlen erreicht, die sehr weit auseinander liegen können.

Vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten eines derartigen Getriebemotors sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Anwendungs­ möglichkeiten im Zusammenhang mit Kristall-Ziehanlagen werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Getriebemotor,

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kristall-Ziehanlage für den Czochralski-Prozeß und

Fig. 3 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kristall-Ziehanlage für die Durchführung des Czochralski-Prozesses, gleichfalls mit mehreren Getriebemotoren der erfindungsgemäßen Art.

In Fig. 1 ist ein Getriebemotor 1 dargestellt, zu dem ein ortsfest angebrachtes zylindrisches Gehäuse 2 gehört, das an seinem einen Ende durch einen Gehäu­ sedeckel 3 verschlossen ist. In dem Gehäuse 2 ist ein Elektromotor 4 unterge­ bracht, der in einem Motorengehäuse 5 untergebracht ist und aus einer Stator­ wicklung 6 und einem Rotor 7 besteht, der an einem radialen Flansch 8a einer Hohlwelle 8 befestigt ist.

In dem Gehäuse 2 ist weiterhin ein Getriebegehäuse 9 fest angeordnet, in dem zwei Sätze von Planetenrädern 10 und 11 gelagert sind, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Planetenräder 10 werden durch ein erstes Sonnen­ rad 12 angetrieben, das topfförmig ausgebildet und mit der Hohlwelle 8 drehfest verbunden ist. Durch die Durchmesserdifferenz der Planetenräder 10 und 11 wird ein zweites Sonnenrad 13 mit verminderter Drehzahl angetrieben, dessen Nabe 14 mittels nicht näher bezeichneter Wälzlager koaxial im ersten Sonnenrad 12 gelagert ist. Die Nabe 14 des zweiten Sonnenrades 12 ist wiederum drehfest mit einem Antriebsteil 15 einer schaltbaren Magnetkupplung 16 verbunden, zu der ein Abtriebsteil 17 und ein Statorteil 18 gehören, das an dem Gehäusedeckel 3 orts­ fest angebracht ist. In dem Statorteil 18 befindet sich eine hier nicht näher darge­ stellte Magnetspule, durch deren Erregung das Antriebsteil 15 das Abtriebsteil 17 mitnimmt. Letzteres ist drehfest mit einer Abtriebswelle 19 verbunden, die koaxial sowohl in der Hohlwelle 8 als auch in der Nabe 14 angeordnet ist. Die Abtriebs­ welle 19 durchsetzt das gesamte Gehäuse 2 und ist an beiden Enden durch ge­ strichelt angedeutete Wälzlager 20 und 21 gelagert.

Am gegenüberliegenden Ende der Abtriebswelle 19 befindet sich ein weiteres Antriebsteil 22, das verdrehfest mit der Hohlwelle 8 verbunden ist. An einem Stirnflansch 2a des Gehäuses 2 befindet sich ein weiteres ortsfestes Statorteil 23, das gleichfalls eine hier nicht dargestellte Magnetspule aufweist. Dadurch wird ei­ ne weitere schaltbare Magnetkupplung 24 gebildet, zu der auch ein Abtriebsteil 25 gehört, das verdrehfest auf der Abtriebswelle 19 befestigt ist. Durch Erregung der Magnetspule des Statorteils 23 werden Antriebsteil 22 und Abtriebsteil 25 magnetisch miteinander gekuppelt, so daß die Abtriebswelle 19 mit der gleichen Drehzahl umläuft wie die Hohlwelle 8.

Der Getriebemotor 1 nach Fig. 1 besitzt folgende Wirkungsweise: Durch Ein­ schalten der Magnetkupplung 24 wird die Abtriebswelle 19 mit der gleichen Dreh­ zahl angetrieben wie der Rotor 7 bzw. die Hohlwelle 8. Da die Drehzahl des Ro­ tors 7 entsprechend hoch ist, kann die Hohlwelle 19 einen hier nicht dargestellten Verbraucher mit entsprechend hoher Drehzahl, d. h. im "Eilgang" antreiben. Wird die Magnetkupplung 24 abgeschaltet und statt dessen die Magnetkupplung 16 eingeschaltet, so wird die Abtriebswelle 19 mit derjenigen Drehzahl angetrieben, die auch die Nabe 14 auf der Abtriebsseite des Planetengetriebes aufweist. Je nach dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes 26 läßt sich die Abtriebswelle 19 mit einer entsprechend verminderten Drehzahl antreiben, also beispielsweise in einem sogenannten "Schleichgang".

Werden beide Magnetkupplungen 16 und 24 gleichzeitig eingeschaltet, so findet wegen der unterschiedlichen Drehzahlen der Sonnenräder 12 und 13 eine Arre­ tierung der Abtriebswelle 19 gegenüber dem Gehäuse 2 statt. Da das Gehäuse 2 ortsfest angebracht ist, ist hierbei die Abtriebswelle 19 nicht mehr drehbar.

Etwa in der Mitte der Abtriebswelle 19 ist gestrichelt eine weitere Kupplung 27 angedeutet, durch die die Abtriebswelle 19 in eine erste Teilwelle 19a und eine zweite Teilwelle 19b unterteilt ist. Wird die Verbindung dieser beiden Teilwellen durch Abschalten der Kupplung 27 unterbrochen, so lassen sich die beiden Teil­ wellen 19a und 19b unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Drehzah­ len antreiben. Soll ein solches System jetzt gleichfalls blockiert werden, so müs­ sen sämtliche Kupplungen, 16, 24 und 27 gleichzeitig eingeschaltet sein.

Das Getriebe 26 kann durch ein "Harmonic-Drive-Getriebe" nach der eingangs angegebenen Literaturstelle in der Technischen Rundschau, 1991, Heft 46, Sei­ ten 56 bis 64, ersetzt werden, wodurch sich noch eine sehr viel stärkere Unter­ setzung erreichen läßt, desgleichen ein noch sehr viel schwingungsarmer Lauf der Abtriebswelle.

Sofern der Elektromotor 4 in der Drehzahl regelbar ist, lassen sich die unter­ schiedlichen Abtriebsdrehzahlen entsprechend variieren.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Einsatz mehrerer Getriebemotoren nach Fig. 1 an unterschiedlichen Stellen zweier verschiedener Kristall-Ziehanlagen für die Durchführung des Ziehverfahrens nach Czochralski.

In Fig. 2 ist eine gasdichte Kammer 30 dargestellt, in der sich ein beheizbarer Schmelzentiegel 31 befindet, der eine Schmelze 32 aus einem dotierten Halblei­ termaterial enthält. Aus dieser Schmelze wird ein Kristall 33 gezogen, der bei­ spielsweise ein Einkristall mit entsprechender Dotierung sein kann. Der Kristall 33 hängt wiederum an einem Keimkristallhalter 34, der sich am unteren Ende einer Ziehwelle 35 befindet. Diese Ziehwelle ist in einem Lagergehäuse 36 drehbar gelagert, das an seinem oberen Ende einen Getriebemotor 1 nach Fig. 1 trägt, mit dem die Ziehwelle 35 in eine Umdrehung mit geringer Drehzahl versetzbar ist. Am oberen Ende besitzt die Ziehwelle 35 eine Drehkupplung 27 bekannter Bau­ art, über die Kühlmedien zugeführt werden können.

Das Lagergehäuse 36 ist über einen Ausleger 38 und eine Spindelmutter 39 mit einer Gewindespindel 40 verbunden, durch die der gesamte vorstehend be­ schriebene Drehantrieb einschließlich der Ziehwelle 35 auf- und abwärts beweg­ bar ist. Die Gewindespindel 40 ist an beiden Enden in hier nicht näher bezeichne­ ten Lagern gelagert und wird durch einen analogen Getriebemotor 1a in Drehung versetzt. Dieser Getriebemotor 1a ermöglicht es, durch wahlweises Einschalten der Magnetkupplung 16 bzw. 24 (siehe Fig. 1), die Gewindespindel 14 mit sehr unterschiedlicher Drehzahl anzutreiben, so daß die Ziehwelle 35 wahlweise im Eilgang oder im Schleichgang nach oben oder unten bewegt werden kann. Der Schleichgang dient beispielsweise zur Durchführung des eigentlichen Ziehpro­ zesses, während der Eilgang dazu dient, den fertigen Kristall 33 vom Rest der Schmelze 32 abzuheben oder - in umgekehrter Richtung - einen neuen Keimkri­ stall in die Schmelze 32 (nach Ergänzung des Verbrauchs) abzusenken, worauf durch Herabsetzung der Drehzahl ein neuer Ziehprozeß beginnt. Die in dem obe­ ren strichpunktierten Kasten 41 befindlichen Bauteile bilden den sogenannten Ziehvorschub, der von einer senkrechten Säule 42 getragen wird.

Der Schmelzentiegel 31 ist am oberen Ende einer Hubwelle 43 angeordnet, die in einem weiteren Lagergehäuse 44 in analoger Weise gelagert ist, wie die Zieh­ welle 35. Am unteren Ende der Hubwelle 43 befindet sich ein weiterer Getriebe­ motor 1 gemäß Fig. 1 mit einer analogen Drehkupplung 37. Auch das Lagerge­ häuse 44 ist über einen Ausleger 45 und eine Spindelmutter 46 mit einer Gewin­ despindel 47 verbunden, die gleichfalls an beiden Enden in nicht näher bezeich­ neten Drehlagern gelagert ist. Auch die Gewindespindel 47 wird durch einen Ge­ triebemotor 1a angetrieben, der in analoger Weise hinsichtlich seiner Drehzahl umschaltbar ist, wie der zum Ziehvorschub gehörende Getriebemotor 1a (im Ka­ sten 41). Die im unteren strichpunktierten Kasten 48 befindlichen Bauteile bilden den sogenannten Tiegelvorschub. In analoger Weise wie der Ziehvorschub (Kasten 41) kann auch der Tiegelvorschub wahlweise im Schleichgang und im Eilgang betrieben werden.

Soweit bei der zweiten Variante nach Fig. 3 gleiche Bauteile verwendet werden wie bei dem Gegenstand nach Fig. 2, wird auf eine Wiederholung der Bezugs­ zeichen verzichtet. Im Unterschied zu Fig. 2 wird bei dem Gegenstand nach Fig. 3 der Kristall 33 jedoch nicht durch eine Ziehwelle 35 gehoben und gedreht, sondern durch ein sogenanntes Zugseil 49, an dessen unterem Ende sich gleichfalls ein Keimkristallhalter 34 befindet.

Für den Drehantrieb des Zugseils 49 ist in analoger Weise wie in Fig. 2 ein Ge­ triebemotor 1 vorgesehen, der im vorliegenden Falle nicht nur das Zugseil 49, sondern auch eine Bezugsplattform 50 dreht, auf der ein Gehäuse 51 angeordnet ist, in dem sich eine hier nicht gezeigte Wickeltrommel für das Auf- und Abwickeln des Zugseils 49 koaxial zur Drehachse des Zugseils befindet. Diese Wickeltrommel wird durch einen Getriebemotor 1a angetrieben, der wiederum dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 entspricht und eine Drehzahlumschaltung in der bereits beschriebenen Weise ermöglicht. Einzelheiten dieses Hub- und Drehantriebs für das Zugseil 49 und damit den Kristall 33 sind in der älteren Patentanmeldung P 43 29 283.6 der gleichen Anmelderin beschrieben, so daß sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen.

Wie sich aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 ergibt, führt der Zugseilantrieb nach Fig. 3 zu einer deutlich geringeren Bauhöhe der Anlage.

Alle Antriebe und ihre Übertragungselemente gemäß den Fig. 2 und 3 sind frei von Schwingungen und Spiel in Dreh- und Längsrichtung, und die Spindel­ triebe sind als Kugel-Umlauf-Getriebe (in den Spindelmuttern) ausgeführt. Die vorteilhafte Wirkung dieser Obertragungselemente wird durch das Prinzip des "Harmonic-Drive-Getriebes" wirkungsvoll unterstützt.

Die vorstehend angesprochenen "Verbraucher" sind die Übertragungselemente bzw. die dadurch angetriebenen Maschinen- und Anlagenteile, insbesondere der Kristallziehanlagen.

Claims (10)

1. Getriebemotor (1, 1a) mit einem Elektromotor (4), dessen Rotor (7) eine Hohl­ welle (8) aufweist, durch die über mindestens ein Getriebe (26) mit mindestens einer Getriebestufe mindestens ein Verbraucher antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial in der Hohlwelle (8) eine Abtriebswelle (19) angeordnet ist, die wahlweise mittels einer ersten schaltbaren Kupplung (24) auf die Hohlwelle (8) und mittels einer zweiten schaltbaren Kupplung (16) über das Getriebe (26) auf die Hohlwelle (8) aufschaltbar ist.

2. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kupplung (24) für die unmittelbare Aufschaltung der Hohlwelle (8) auf die Ab­ triebswelle (19) am einen Ende der Hohlwelle (8) und die zweite Kupplung (16) am anderen Ende der Hohlwelle (8) angeordnet ist.

3. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kupplungen (16, 24) als Magnetkupplung ausgebildet ist.

4. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplun­ gen (16, 24) mittels einer Schalteinrichtung gleichzeitig einschaltbar sind.

5. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ triebswelle (19) in zwei Teilwellen (19a, 19b) unterteilt ist und daß die Hohl­ welle (8) mittels der ersten Kupplung (24) unmittelbar auf die eine Teilwelle (19a) aufschaltbar ist und mittels der zweiten Kupplung (16) über das Getriebe (26) auf die zweite Teilwelle (19b) aufschaltbar ist.

6. Getriebemotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Teilwellen (19a, 19b) eine dritte schaltbare Kupplung (27) ange­ ordnet ist.

7. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Getriebe ein Untersetzungsgetriebe des Typs "Harmonic-Drive-Getriebe" eingesetzt ist, bei dem in ein starres Hohlrad ein flexibles Stirnrad mit einer Zähnezahl ein­ greift, die nur wenig kleiner ist als die Zähnezahl des Hohlrades.

8. Verwendung eines Getriebemotors (1, 1a) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zum Antrieb einer Seiltrommel in Kristallziehanlagen für die Durchführung des Czochralski-Prozesses.

9. Verwendung eines Getriebemotors (1, 1a) nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7 zum Antrieb von Ziehwellen (35) und Zugseilen (49) für gezo­ gene Kristalle (33) und/oder von Hubwellen (43) von Schmelztiegeln (31) mit einer Schmelze (32) für die Bildung eines Kristalls (33) durch das Czochralski- Verfahren.

10. Verwendung eines Getriebemotors (1, 1a) nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7 zum Antrieb von Gewindespindeln (40, 47) in Kristallziehanla­ gen.