DE60216652T2 - Einen Synchronmotor enthaltendes Antriebsaggregat, z.B. Antriebsrad oder Seilwinde - Google Patents

Einen Synchronmotor enthaltendes Antriebsaggregat, z.B. Antriebsrad oder Seilwinde Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebselement, wie etwa ein motorbetriebenes Rad für Transportwagen, insbesondere Gabelstapler oder dergleichen, oder eine Seilwinde.
  • Unter den verschiedenen Motorisierungsarten von Transportwagen sind motorbetriebene Räder am weitesten verbreitet.
  • In den meisten Fällen ist dieses motorbetriebene Rad lenkbar, wobei es um eine vertikale Achse drehbar ist.
  • Der Drehkreisdurchmesser des Rades muss so klein wie möglich sein, insbesondere wenn das motorbetriebene Rad nicht zentral ist, um insbesondere den Abstand zwischen den Rädern des Wagens auf das Maximum erhöhen und seine Stabilität verbessern zu können.
  • Die Konstrukteure der Wagen fordern häufig, dass der Drehkreisdurchmesser derjenige des Reifens des Rades ist.
  • Bei den meisten motorbetriebenen Rädern wird das Rad über eine Untersetzung von einem Elektromotor vom Gleichstromtyp oder Asynchrontyp drehend angetrieben, der aufgrund seines Volumens über dem Rad angeordnet sein muss, wenn man die Forderungen der Wagenkonstrukteure erfüllen möchte.
  • Daraus ergibt sich ein relativ großes vertikales Volumen und eine relativ komplexe Konstruktion.
  • Ein ähnliches Volumenproblem ergibt sich bei Seilwinden, deren Motor eine Trommel antreibt.
  • Aus der Patentanmeldung EP-A-1 001 507 ist ein Elektromotor zum Einbau in ein Rad eines Reisefahrzeugs bekannt, der einen Läufer mit konzentriertem Fluss mit Permanentmagneten aufweist.
  • Aus der Patentanmeldung EP-A2-1 187 302, die eine Entgegenhaltung gemäß Art. 54(3) EPÜ bildet, ist ein Motor mit einem Läufer mit Permanentmagneten bekannt, wobei die Nord- und Südpole dieser Magnete abwechselnd dem Ständer gegenüberstehend angeordnet sind und dieser über Hauptpole verfügt, die an jedem ihrer dem Läufer zugewandten Enden über Zähne verfügen.
  • Aus der Patentanmeldung DE 197 32 527 ist ein motorbetriebenes Rad mit einem Asynchronmotor und einem Läufer mit Kurzschlussanker bekannt.
  • Aus der Patentanmeldung EP-0 999 081 ist eine Motoreinheit mit einem Asynchronmotor bekannt.
  • Aus dem Patent US 5,633,544 sind ein Antriebselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein motorbetriebenes Rad mit einem Läufer, dessen Zähne Polvorsprünge tragen, sowie ein Läufer mit Flächenmagneten bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Antriebselement, etwa ein motorbetriebenes Rad oder eine Seilwinde, vorzuschlagen, das ein verringertes Volumen und eine relativ einfache Konstruktion aufweist.
  • Dieses neuartige Antriebselement ist in Anspruch 1 beschrieben.
  • Unter einem auf Zähne gewickelten Ständer ist ein solcher Ständer zu verstehen, bei dem jeder Zahn eine eigene Wicklung trägt, im Unterschied zu Ständern mit verschachtelten Wicklungen, bei den sich der Mangel ergibt, dass das axiale Volumen aufgrund der relativ großen Länge der Schaltenden, wegen der Wicklungsart, größer ist. Darüber hinaus ist die Anzahl der Zähne nZähne vorzugsweise eine Funktion der Anzahl der Polpaare nPaare und der Anzahl der Phasen nPhasen, und zwar entsprechend der Formel nZähne = nPaare·nPhasen.
  • Vorzugsweise ist der Läufer ein solcher mit Flusskonzentration, d.h., dass die Magnete zwischen den Polstücken angeordnet sind. Die Kombination eines Läufers mit konzentriertem Fluss und eines auf Stege gewickelten Ständers erlaubt es, eine relativ kräftige Maschine bei kleinem Volumen zu erhalten, was insbesondere die Montage des Motors in auskragender Weise am Ende einer Achse ermöglicht, was eine Verringerung der Anzahl von Lagern zur Folge hat. Der Läufer kann sich mit erhöhter Drehzahl drehen, da die Magnete durch die Polstücke vor dem starken Fluss geschützt sind. Demgemäß ist es nicht erforderlich, für große Drehzahlen unterteilte Magnete zu verwenden, wie dies bei Läufern der Fall ist, deren Magnete flächig montiert sind.
  • Die Magnete des Läufers verfügen vorzugsweise über Keilform, wenn die Maschine entlang der Drehachse des Läufers gesehen wird, wobei die Größe mit zunehmender Entfernung von der Rotationsachse des Läufers abnimmt, und die Polstücke verfügen über Aussparungen, und sie stehen über diese mit Stegen der Achse in Eingriff. Demgemäß sind sie formschlüssig an der Läuferwelle befestigt. Die Zusammenwirkung zwischen einerseits den keilförmigen Magneten und andererseits den Polstücken, die formschlüssig mit der Achse verbunden sind, ist dadurch besonders vorteilhaft, dass die Magnete, bei erhöhten Drehzahlen, Kompressionskräfte auf die Polstücke ausüben können, die die Tendenz haben, einer Aufweitung derjenigen Bereiche der Polstücke entgegen zu wirken, die auf den beiden Seiten der Stege liegen, mit denen sie in Eingriff stehen. So wird es möglich, zu vermeiden, dass die Polstücke mit Stäben in Eingriff zu bringen sind, was verschieden von dem ist, was im Patent US 5,091,668 beschrieben ist.
  • Darüber hinaus ermöglicht es die Tatsache, die Magnete zwischen den Polstücken anzuordnen, sie vor den Strömen zu schützen, die bei großen Drehzahlen induziert werden, und demgemäß kann eine Erwärmung vermieden werden, bei der die Tendenz besteht, dass sie entmagnetisiert werden.
  • Bei der Erfindung kann der Motor, der über eine verringerte axiale Dimension verfügt, im Inneren eines Rades, einer Trommel oder einer Riemenscheibe platziert werden, wobei die Läuferwelle vorzugsweise mit der Rotationsachse des Rades, der Trommel oder der Riemenscheibe zusammenfällt. Bei einem motorbetriebenen Rad ist der Motor nicht nach oben hin verlegt, und die Abmessung des motorbetriebenen Rades in der Höhe ist verringert, was es Konstrukteuren von Wagen ermöglicht, über zusätzlichen Raum über dem Rad zu verfügen.
  • Die Erfindung erlaubt es auch, die Konstruktion des schließlich verwendeten Untersetzers zu vereinfachen, der über eine einzige Untersetzungsstufe verfügen kann und beispielsweise aus einem Epizykloidgetriebe besteht.
  • Das Untersetzungsverhältnis kann kleiner als 15 sein, wobei es beispielsweise zwischen 7 und 12 liegt, und zwar dank der Verwendung eines Läufers mit Permanentmagneten und eines auf Stege gewickelten Ständers, was es ermöglicht, in Anziehung und Abstoßung zu arbeiten, wodurch ein größeres Kräftepaar als bei einem Reluktanzmotor erzeugt werden kann, der nur mit Anziehung arbeitet.
  • Die Stege des Stators können vorteilhafterweise Einzelwicklungen aufnehmen, die über sehr kurze Köpfe verfügen, was es ermöglicht, eine axial verringerte Abmessung zu erzielen. Die Stege des Ständers sind demgemäß vorzugsweise mit Polvorsprüngen versehen, was die Platzierung von Wicklungen auf den Stegen sowie ihre Wegnahme, falls erforderlich, um einen Austausch vorzunehmen, erleichtert.
  • Die Verwendung eines auf Stege gewickelten Ständers ist auch dahingehend interessant, dass es möglich ist, einen Motor mit einer relativ kleinen Anzahl von Stegen und Wicklungen, und demgemäß günstigen Kosten, zu realisieren. Auch kann die Masse der verwendeten Magnete relativ gering erhöht sein, was es erlaubt, die Materialkosten zu senken.
  • Gemäß der Erfindung verfügt das Antriebselement über ein Hauptgehäuse mit einer Rohrwand großen Durchmessers, einer zu dieser axialen Rohrwand kleinen Durchmessers sowie eine Querwand, die diese Rohrwände miteinander verbindet. Der Ständer befindet sich in der Rohrwand großen Durchmessers, und diese ist einstückig mit einem ersten Lagerteil ausgebildet. Die Rohrwand kleinen Durchmessers ist einstückig mit einem zweiten Lagerteil ausgebildet. Vorzugsweise sind die Rohrwände großen und kleinen Durchmessers sowie die Querwand einstückig ausgebildet. Als Variante kann die Rohrwand großen Durchmessers aus einem zusammengesetzten Teil bestehen, während die Rohrwand kleinen Durchmessers und die Querwand einstückig ausgebildet sind.
  • Das zweite Lagerteil bildet auch einen Planetenträger, und es verfügt über mindestens eine Achse, um die sich mindestens ein Planetenrad dreht, vorzugsweise drei Planetenräder, wobei jedes Planetenrad einerseits mit einem angeschnittenen oder auf die Läuferwelle gesetzten Ritzel und andererseits mit dem Zahnkranz eines Trägers kämmt. Dieser Zahnkranz kann auf den Träger aufgesetzt sein oder er kann einstückig mit diesem ausgebildet sein. Bei einem motorbetriebenen Rad ist eine den Reifen des Rades tragende Felge an diesem Träger befestigt.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform verfügt das Antriebselement über ein Lager, das es dem Träger ermöglicht, sich auf der Rohrwand kleinen Durchmessers des Hauptgehäuses zu drehen.
  • Weiterhin verfügt bei einer besonderen Ausführungsform das Antriebselement über eine Kappe, die dicht auf den Träger aufgesetzt ist. Diese Kappe kann dazu dienen, Fett oder Schmieröl des Getriebes aufzunehmen.
  • Vorzugsweise verfügt, bei einem motorbetriebenen Rad oder einer Seilwinde, das Antriebselement über eine bei ausbleibendem Strom ansprechende elektromagnetische Bremse, die am ersten Lagerteil angebracht ist und eine an einem geriffelten Ende der Läuferwelle befestigte Scheibe aufweist. Das Hauptgehäuse kann drehbar sein, oder es kann gemäß einer anderen Variante direkt am Chassis befestigt sein, wenn das Antriebselement ein motorbetriebenes Rad ist oder wenn das Rad nicht lenkbar ist.
  • Wie es weiter oben erläutert ist, erlaubt es die Erfindung, dass der Läufer koaxial zum Reifen des Rades oder zur Trommel verläuft, wodurch die vertikale Abmessung des Antriebselements verringert werden kann, da der Motor nicht verlegt ist.
  • Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, einen Wagen mit mindestens einem motorbetriebenen Rad zu schaffen, wie es oben definiert ist, sei es lenkbar oder nicht.
  • Die Erfindung ist durch das Studieren der folgenden detaillierten Beschreibung unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnung, in der Folgendes dargestellt ist, besser zu verstehen:
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines axialen Schnitts eines motorbetriebenen Rades entsprechend einem nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel, und
  • 2 zeigt isoliert und schematisch, in einem Querschnitt, den auf Stege gewickelten Ständer und, teilweise, den Läufer.
  • In der 1 ist ein motorbetriebenes Rad 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Dieses motorbetriebene Rad 1 verfügt über einen Elektromotor 2, der, gemäß der Erfindung, vom Synchrontyp ist, mit einem Läufer 6 mit Permanentmagneten mit konzentriertem Fluss, und einem auf Stege gewickelten Ständer 10, der in der 2 dargestellt ist.
  • Jeder Steg 10a verfügt über eine einzelne, ihm eigene Wicklung 10b. Der Ständer 10 verfügt beim beschriebenen Beispiel über 18 Zähne, wobei der Läufer über 12 Pole verfügt und der Versorgungsstrom dreiphasig ist.
  • Jeder Steg 10a ist mit einem Polvorsprung versehen, wie es aus der 2 erkennbar ist.
  • Jeder Steg kann über Aussparungen zum Montieren eines Keils, der nicht dargestellt ist, zum Festhalten der Einzelwicklungen, verfügen.
  • Der Läufer 6 verfügt über Permanentmagnete 100 mit Quermagnetisierung, die zwischen Polstücken 102 angeordnet sind, die jeweils aus einem Paket magnetischer Bleche, mit identischer Form, oder übereinander gelegt, bestehen.
  • Die Magnete 100 verfügen jeweils, wenn sie entlang der Rotationsachse des Läufers betrachtet werden, über im Wesentlichen Keilform, wobei der Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig ist und die Größe bei Annäherung an den Ständer abnimmt. Diese Magnete 100 sind radial zwischen den Polstücken 102 angeordnet. Diese Letzteren sind magnetisch miteinander verbunden, wobei sie formschlüssig auf einer unmagnetischen Welle 101 befestigt sind. Die Welle verfügt zu diesem Zweck über axiale Stege 103, und die Polstücke verfügen über Aussparungen 104 entsprechender Form. Die Keilform der Magnete 100 erlaubt eine wirkungsvolle und einfache Wartung des Läufers. Die Befestigung der Polstücke auf formschlüssige Weise an der Welle erlaubt es, die Verbindung zwischen der Welle und den Polstücken auf solche Weise zu realisieren, dass zur Herstellung der Welle die Verwendung eines unmagnetischen Materials wie Aluminium möglich ist. Es können andere Materialien verwendet werden, wie beispielsweise eine Aluminiumlegierung oder unmagnetisches Gusseisen.
  • Jede Einzelwicklung 10b wird durch Umwickeln um eine geometrische Wickelachse elektrischer Drähte hergestellt, die über einen rechteckigen Querschnitt verfügen können, dessen große Seite parallel zur Wicklungsachse verläuft. Gemäß einer Variante können Drähte mit kreisförmigem Querschnitt verwendet werden.
  • Die Wicklungen 10b werden so erregt, dass ein sich drehendes Feld erzeugt wird, um den Läufer anzutreiben.
  • Das motorbetriebene Rad verfügt über ein Hauptgehäuse 3, das durch eine Hohlachse 12 und ein Lager 4 auf solche Weise drehbar an einem Element 5 montiert ist, das fest mit dem Chassis des Wagens verbunden ist, dass es sich um eine vertikale Achse Z-Z' drehen kann.
  • Bei einer nicht dargestellten Variante ist das Hauptgehäuse 3 auf nicht drehbare Weise am Fahrzeugchassis befestigt, da das Rad nicht lenkbar ist.
  • Das Hauptgehäuse 3 verfügt über eine Rohrwand 7 großen Durchmessers und eine Rohrwand 8 kleinen Durchmessers, die über eine Querwand 9 verbunden sind.
  • Beim dargestellten Beispiel sind diese drei Wände einstückig ausgebildet, jedoch können sie gemäß einer Variante anders vorliegen.
  • Der Ständer 10 des Motors befindet sich in der Rohrwand 7 großen Durchmessers, wobei die Querwand 9 über eine Ringnut 11 verfügt, die den vorspringenden Teil der Ständerwicklungen aufnehmen kann.
  • Die Welle 13 des Läufers verfügt über ein geriffeltes Ende 14 und ein mit einem angeschnittenen Ritzel versehenes Ende 15 sowie ein rotationszylindrisches Achsstück 16. Gemäß einer Variante kann das Ritzel an die Welle angesetzt sein.
  • Die Rohrwand 7 großen Durchmessers ist mit einem Endstück oder einem einen Absatz 18 bildenden Flansch befestigt, der ein Lager 19 trägt, in dessen Innerem sich das geriffelte Ende 14 dreht.
  • Die Rohrwand 8 kleinen Durchmessers des Hauptgehäuses 3 ist durch eine Schraube 41 mit einem Planetenträger 20 verbunden und mit dem Planetenträger 20 über irgendeine geeignete Einrichtung gekoppelt, beispielsweise Stifte 22. Gemäß einer Variante erfolgt die Kopplung zwischen der Rohrwand 8 und dem Planetenträger 20 auf formschlüssige Weise durch Ausbilden von Stegen am Ende der Rohrwand und eines Sitzes mit komplementärer Form am Planetenträger.
  • Der Planetenträger 20 verfügt über ein Lager 41, in dessen Innerem sich das Ende 16 der Läuferwelle dreht.
  • Der Planetenträger trägt Achsen 24 parallel zur Rotationsachse X-X' des Läufers, wobei sich auf jeder derselben ein Planetenrad 25 dreht.
  • Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel verfügt das Rad über drei Planetenräder 25, die einerseits mit dem angeschnittenen Ritzel 15 auf der Welle 13 des Läufers und andererseits mit einem Zahnkranz 27a kämmen, der zu einem Träger 27 gehört. Der Zahnkranz 27a kann, gemäß einer Variante, aus einem aufgesetzten Element bestehen.
  • Zwischen der Rohrwand 8 kleinen Durchmessers und dem Träger 27 ist ein Lager 28 angebracht, damit sich der letztere um die Achse X-X' drehen kann. Am Träger 27 ist durch eine Schraube 32 eine einen Reifen 31 tragende Felge 30 befestigt.
  • Eine Kappe 33 ist auf dichte Weise am Träger 27 befestigt.
  • Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel verfügt der Träger 27 an seinem Umfang über eine rotationszylindrische Fläche, in der eine Ringnut ausgebildet ist, die eine torusförmige Verbindung 34 aufnimmt, an der die Kappe 33 anliegt. Dichtheit kann auch auf andere Weise erzielt werden.
  • Das Rad 1 verfügt, auf derjenigen Seite, die von einem Getriebe mit Epizykloid-Zahnradsatz, der noch beschrieben wird, über eine Bremse 36, die bei ausfallendem Strom anspricht und die an dem als Absatz dienenden Teil 18 befestigt ist.
  • Diese Bremse verfügt über eine Scheibe 37, die mit einer geriffelten Nabe 38 versehen ist, die vom geriffelten Ende 14 des Läufers mitgenommen wird, und, auf für sich bekannte Weise, über Bremsbeläge.
  • Die Bremse verfügt auch über ein bewegliches Organ 40, das sich an die Scheibe 37 anlegen kann, wenn der Motor nicht versorgt wird.
  • Die Versorgungs- und Steuerungskabel 45 des Elektromotors erstrecken sich im Inneren der Hohlachse 12, die gelenkig mit dem Chassis verbunden ist. Gemäß einer Variante erfolgt der Austritt der Kabel auf andere Weise.
  • Das beschriebene motorbetriebene Rad 1 verfügt über eine kleinere axiale Abmessung mit einem Außendurchmesser, der einem neuen Reifen entspricht, oder nahe bei diesem Durchmesser liegt, was es erlaubt, die Forderungen von Wagenkonstrukteuren zu erfüllen.
  • Der Motor befindet sich im Inneren des Rades, ohne zur Oberseite des Reifens hin verlegt zu sein, was es erlaubt, über zusätzlichen Raum auf dem Wagen zu verfügen.
  • Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
  • Insbesondere kann, wie es oben angegeben ist, das Hauptgehäuse nicht drehbar am Wagenchassis befestigt sein.
  • Auch muss keine Untersetzung verwendet sein, in welchem Fall der Motor das Rad direkt antreibt.
  • Ferner muss die Bremse nicht verwendet werden, da ein Bremsen auf andere Weise, beispielsweise mittels des Motors, erfolgen kann.
  • Die Untersetzung kann gut modifiziert werden, und insbesondere kann die Anzahl der Planetenräder geändert werden.
  • Die Erfindung ist auch bei einer Seilwinde anwendbar, bei der der Motor eine Haspel oder eine Riemenscheibe antreibt.

Claims (13)

  1. Antriebselement, etwa Antriebsrad für einen Transportwagen oder dergleichen oder für eine Seilwinde, mit einem Rad oder einer Trommel sowie einem Elektromotor zum Drehantrieb des Rades bzw. der Trommel, wobei der Elektromotor ein Synchronmotor ist, der einen Läufer (6) mit Dauermagneten (100) und einen Ständer aufweist, der ein Hauptgehäuse (3) mit einer rohrförmigen Wand (7) großen Durchmessers und einer mit dieser über eine Querwand (9) verbundenen rohrförmigen Wand (8) kleinen Durchmessers umfasst, wobei der Ständer (10) in die rohrförmigen Wand (7) großen Durchmessers eingebaut ist, an die ein erstes Lagerteil (18) angeformt ist, und wobei an die rohrförmige Wand kleinen Durchmessers ein zweites Lagerteil (20) angeformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer auf Stege gewickelt ist und dass das zweite Lagerteil gleichzeitig einen Planetenträger bildet und mindestens eine Achse (24) aufweist, auf der sich mindestens ein Planetenrad (25) dreht, vorzugsweise drei Planetenräder drehen, wobei jedes Planetenrad (25) mit einem an die Läuferwelle angesetzten oder angeschnittenen Ritzel (15) und einem Zahnkranz eines Trägers (27) kämmt.
  2. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (6) zur Konzentration des Magnetflusses dient und zwischen Polstücken (102) angeordnete Magnete (100) trägt.
  3. Antriebselement nach Anspruch 1 mit nur einer einzigen Untersetzungsstufe.
  4. Antriebselement nach Anspruch 3, wobei das Untersetzungsverhältnis gleich oder kleiner als 15 ist und insbesondere zwischen 7 und 12 liegt.
  5. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Träger (27) eine einen Reifen (31) tragende Felge (30) befestigt ist.
  6. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (27) über ein Wälzlager auf der rohrförmigen Wand (8) kleineren Durchmessers des Hauptgehäuses (3) läuft.
  7. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf den Träger (27) dicht aufgesetzte Kappe (33).
  8. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an dem ersten Lagerteil (18) angebrachte, bei abgeschaltetem Strom ansprechende elektromagnetische Bremse (36), die eine an einem geriffelten Ende (14) der Motorwelle befestigte Scheibe (37) aufweist.
  9. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Rad treibt und das Hauptgehäuse (3) um eine vertikale Achse (Z-Z') drehbar ist.
  10. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Rad treibt und das Hauptgehäuse am Fahrgestell des Fördergerätes drehfest angebracht ist.
  11. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Rad treibt und der Läufer mit dem Reifen (31) des Rades koaxial ist.
  12. Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerstäbe polschuhlos sind.
  13. Mit einem Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgerüsteter Wagen.
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