DE60315044T2

DE60315044T2 - Wellgetriebemotor

Info

Publication number: DE60315044T2
Application number: DE60315044T
Authority: DE
Inventors: Ernie. Moffat DAVISON
Original assignee: Edm Resources Inc Moffat; EDM Resources Inc
Current assignee: Edm Resources Inc Moffat; EDM Resources Inc
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: WO2004025815A1; CA2538716C; DE60315044D1; EP1540800A1; AU2003266042A1; CA2538716A1; US7453176B2; EP1540800B1; GB0221070D0; US20050253675A1; ATE367679T1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Motor mit hohem Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit, der als Konstruktionsbestandteil eine elektromagnetisch permeable Schale enthält, die unter dem Einfluß eines elektromagnetischen Felds elastisch verzogen wird. Diese Schale weist die herkömmliche Form einer offenendigen Blechdose auf, bei der ein Zylinder und allgemein eine Endscheibe einstückig verbunden sind. Das offene Ende des Zylinders weist ein Bandzahnrad mit sich radial erstreckenden Zähnen auf, welches bei Verformung des Zylinders ebenfalls elastisch verformt werden kann. Wenn die magnetisch permeable Schale einem umlaufenden Magnetfeld ausgesetzt ist, wird eine elastische Verformung erzeugt, die sich als Wellenphänomen ausdrückt, das sich um das offene Ende der Schale fortsetzt. Das heißt, das offene Ende der Schale nimmt die Form einer (zweilappigen) Ellipse, eines (dreilappigen) Dreispitzes oder eines (vierlappigen) Vierspitzes an, welche sich weiter um die Längsachse der Schale drehen.
Das offene Ende der Schale, an dem sich das Bandzahnrad befindet, wird in Kontakt zu einem Zahnrad gebracht, das sich in nächster Nähe zu der Schale befindet (und keine signifikante Verformung durchläuft), und wird beispielsweise an zwei entgegengesetzten Stellen an den Enden der Hauptachse der Ellipsenform, die von der aus der Schale und dem Bandzahnrad bestehenden Kombination eingenommen wird, oder an den vorstehenden Knoten der anderen Formen von diesem Zahnrad berührt.
Das Bandzahnrad und das Kontaktzahnrad weisen einander kämmende Zähne auf; beide Zahngruppen haben denselben Abstand, aber eine unterschiedliche Anzahl. Wenn die verzogene Form des Schalenendes um die Mittelachse der Schale schwingt, nehmen die sich radial erstreckenden Zähne des Bandzahnrads nacheinander die verschiedenen Zähne des Kontaktzahnrads in Eingriff und infolge der unterschiedlichen Anzahl von Zähnen an den beiden Zahnrädern kommt es zu einer Drehung der beiden Zahnräder relativ zueinander. Dieses Verzahnungsphänomen ist wohlbekannt und wird als Spannungswellenverzahnung bezeichnet.
Eine alternative Konstruktionsform verwendet eine flexible Keilwelle (Flexi-Keilwelle) aus Verbundmaterial in einer an beiden Seiten offenen Zylinderform, die mittels einstückig ausgebildeter vorstehender Längskeile drehbefestigt wird. Diese vorstehenden Keile passen in ähnliche keilförmige Ausnehmungen, die in der Umfangsfläche des inneren elektromagnetischen Kerns ausgebildet sind, wodurch eine Radialbewegung der Zähne des Bandzahnrads ermöglicht, aber die Drehung der Keilwelle verhindert wird, wodurch ein erheblich höherer Drehmomenttransfer bei geringem verteiltem Druck ermöglicht wird. Diese Anordnung aus ineinandergreifenden Keilen kann auch vorteilhaft auf die Schalenkonstruktion mit einem offenen Ende aus Absatz 1 oben angewendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Grundsätze der Antriebe mit Spannungswellenverzahnung oder mit flexibler Keilwelle (Flexi-Keilwelle) sind wohlbekannt und werden in den US-Patentschriften 2,906,143 (29. September 1959) und 2,931,248 (15. April 1960) von Musser erläutert. Dort werden die zugrunde liegenden Prinzipien, die den kontinuierlichen oszillierenden Kontakt einer flexiblen Keilwelle (Flexi-Keilwelle) mit einem Zahnkranz zur Erzeugung einer Drehausgabe von dem Zahnkranz umfassen, ausführlich erörtert. In dem Zahnkranz wird aufgrund der kontinuierlichen elastischen Verformung des Zahnkranzes des Zahnrads der flexiblen Keilwelle durch eine Spannungsvorlaufrad genannte Nockeneinrichtung ein Drehmoment erzeugt, durch das die Zähne der flexiblen Keilwelle in eine sequentielle Ineingriffnahme mit den Zähnen des Zahnkranzes gebracht werden.
Da die befestigte Flexi-Keilwelle und der Zahnkranz eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen haben, wird der Zahnkranz dazu gebracht, sich bei einer Umdrehung des Spannungsvorlaufrads um eine Distanz zu drehen, die gleich der geringen Zahndifferenz (bei einer elliptischen Verformung in der Regel zwei Zähne) zwischen der Flexi-Keilwelle und dem Zahnkranz ist.
Wenn die Anzahl der Zähne an der Flexi-Keilwelle und dem Zahnkranz groß und die Zahndifferenz zwischen der Flexi-Keilwelle und dem Zahnkranz gering ist (wie normalerweise der Fall ist), kann eine erhebliche Verringerung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Drehung des Spannungsvorlaufrads und dem Zahnkranz erzielt werden. Das ausgegebene Drehmoment wird aus der kontinuierlichen sequentiellen Kämmung der Zähne der Flexi-Keilwelle mit dem Zahnkranz erzeugt und ist proportional zu dem Kehrwert des Übersetzungsverhältnisses. Dieses Drehmoment wird durch das sich drehende Spannungsvorlaufrad erzeugt, welches die Flexi-Keilwelle fortwährend verzieht, um den Zahnkranz auf sequentielle Art und Weise in Eingriff zu nehmen.
Seit 1959 ist eine Reihe von elektromagnetisch verzogenen Spannungswellenverzahnungseinheiten hergestellt worden, in denen eine elektromagnetisch permeable Schale durch eine elektromagnetische Kraft verzogen wurde, um eine Drehung der Flexi-Keilwellenschale zu bewirken. Verschiedene Materialien und Ausgestaltungen der die magnetische Schale bildenden Materialien wurden mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt. Allgemein ausgedrückt waren diese Vorrichtungen auf Motoren mit verhältnismäßig geringem Ausgabedrehmoment und geringer Leistung sowie Schrittmotoren beschränkt.
Größe und Form der Einheit können variieren, aber die kontinuierliche sequentielle mehrlappige Verformung eines flexiblen Zylinders zur Erzeugung einer Ausgabedrehbewegung bei modifizierten Geschwindigkeiten und Drehmomenten liegt immer vor. Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Einsatz dieser elektromagnetisch angetriebenen Flexi-Keilwellentechnologie auf Anwendungen, die eine erheblich größere und effizientere Drehmomentausgabe und Leistung benötigen, auszudehnen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen Motor mit hohem Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit, der als Teil seiner Konstruktion eine magnetisch permeable Hülse (Flexi-Keilwelle) enthält.
Die Hülse ist in ihrer nicht verformten Form vorzugsweise zylindrisch, wenn sie aber unter dem Einfluß eines elektromagnetischen Felds steht, wird sie in eine mehrlappige Form verzogen. Bei Betrieb der Einheit bleibt sowohl die Flexi-Keilwelle als auch der Statorkern des Motors in Drehbeziehung ortsfest.
Die Hülse selbst wird vorzugsweise mittels einer geschraubten Flanschanordnung oder verzahnten Keilen in einem zylindrischen elektromagnetischen Kern verankert, wodurch die Übertragung von Drehmoment und die Verhinderung der Drehung der Hülse erleichtert wird, sie aber eine Verformung der Querschnittform von einer Kreisform zu einer mehrlappigen Form durchlaufen kann.
Der elektromagnetische Kern ist vorzugsweise an seiner Oberfläche mit einer Reihe sich axial erstreckender Rillen (Schlitze) versehen, die sich mit komplementären Keilen an der Innenoberfläche der Hülse der Flexi-Keilwelle verriegeln. Die Rillen dieses Magnetkerns können auch die Statorwicklungen aufnehmen, die in dem Motor das elektromagnetische Feld erzeugen.
Ein Teil der Hülse ist mit Zahnradzähnen versehen, die entweder einstückig mit der Hülsenoberfläche ausgebildet sind oder es kann sich um ein Band handeln, das durch ein geeignetes Mittel an die Oberfläche der Hülse befestigt ist. Das Bandzahnrad wird ebenfalls durch eine Biegebewegung der Hülse so verzogen, daß es dieselbe Verformung wie die Hülse erfährt, und ist vorzugsweise aus Materialien mit geringem Elastizitätsmodul, wie Polymerverbundmaterial oder hartbeschichtetem Magnesium oder einer Aluminiumlegierung, gebildet.
Das Bandzahnrad der Hülse kämmt mit einem weiteren Zahnrad, das in Ruhestellung vorzugsweise sehr eng beabstandet ist, aber das Bandzahnrad nicht notwendigerweise in Eingriff nimmt. Das Bandzahnrad und das umschlossene Zahnrad weisen denselben Zahnabstand auf, die Zahnanzahl ist jedoch für die beiden Zahnräder absichtlich unterschiedlich ausgebildet.
Bei Anregung des elektromagnetischen Kerns durchläuft die Hülse wie auch das Bandzahnrad eine Wellenverformung und die Verformung des Bandzahnrads bewirkt, daß die Zähne des Bandzahnrads die Zähne des anderen Zahnrads an entsprechenden Stellen in Eingriff nehmen. Wenn die verformte Hülsenform um das andere Zahnrad schwingt, schreitet die Verzahnung um das andere Zahnrad fort und aufgrund der unterschiedlichen Anzahl der Zähne an den beiden Zahnrädern dreht sich das Ausgabezahnrad in einer sehr verminderten Bewegung bezüglich des umlaufenden Anregungsmagnetfelds.
Die Flexi-Keilwelle und der Statorkern umfassen ein elektromagnetisches System, bei dem ein umlaufendes Magnetfeld allgemein durch eine Gruppe von vorzugsweise umgekehrten Statorwindungen erzeugt wird, die im Inneren der Flexi-Keilwelle angeordnet sind, welche wiederum einen Magnetstrom erzeugt, um die Flexi-Keilwelle zu verziehen. In diesem Fall werden die Statorwicklungen von dem Mittelkern oder dem Teil eines herkömmlichen Elektromotors getragen, der in der Regel durch den Rotor eingenommen wird. Diese Statorwicklungen können unter Verwendung von hochleitendem gekühltem Draht geformt werden, wie er von der American Superconducting Corporation bereitgestellt wird.
Vorzugsweise umfaßt der Statorkern einen Körper aus laminiertem magnetischem Material oder einem Äquivalent davon, um die Konzentration des Magnetfelds zu verstärken, das von einer Gruppe von Wicklungen, die von dem Statorkern getragen werden, erzeugt wird.
Diese Statorkernwicklungen sind so gefertigt, daß sie einen umlaufenden Magnetfluß erzeugen und konzentrieren, der vorzugsweise von dem Kern über einen Luftspalt und dann in die Flexi-Keilwelle geleitet wird, sich dort spaltet und zu dem Kern zurückkehrt. Dieser Magnetfluß wird vorzugsweise dadurch erzeugt, daß ein programmierter, kommutierter, modulierter Strom durch die Kernwicklungen geleitet wird. Der sich ergebende Magnetfluß erzeugt eine sich drehende, konzentrierte, radial ausgerichtete Kraft variabler Geschwindigkeit.
Der Statorkern selbst ist vorzugsweise an einem ortsfesten kompakten zentralen Ständer befestigt, der hohl sein kann und aus einem elektrisch widerstandsfähigen (Ohmschen) magnetischen Material bestehen kann, das dazu dient, ein starres Befestigungsmittel für die Nabe des Zahnkranzes und eine eventuell von der Nabe getragenen Last an dem Ende des Ständers bereitzustellen. Die Nabe ist so an dem Ständer befestigt, daß der in der Nabe bereitgestellte Zahnkranz eine enge konzentrische Anordnung mit dem Statorkern und der Flexi-Keilwelle aufweist.
Vorzugsweise stellt eine Drucklagergruppe sicher, daß bei Drehung der Nabe die koaxiale Anordnung des Kerns und des Zahnkranzes gewahrt bleibt.
Die Nabe kann mit einer Ausgangswelle oder einem Schraubenstellglied verbunden sein, um eine Dreh- oder Linearbewegung zu erzeugen. Sie kann auch in einem Fahrzeugrad angebracht sein, um das Rad anzutreiben. Wenn die Vorrichtung dieser Erfindung in einem Rad angebracht ist, kann die Welle auch die ausladende Fahrzeuglast auf der Wellenerweiterung und den Lagern unterstützen, wodurch die Teilezahl verringert wird.
Es wird auf einige Unterschiede gegenüber dem Stand der Technik hingewiesen.

1) Der Statorkern wird von der sich verziehenden Flexi-Keilwelle umgeben und
2) die Flexi-Keilwelle selbst stellt einen Rückstromweg für den Magnetfluß bereit. Dies verbessert die Anwendbarkeit dieser Vorrichtung auf unterschiedliche Anwendungen und ermöglicht die Erhöhung des Durchmessers der Flexi-Keilwelle. Diese Merkmale machen eine Erhöhung des Ausgabedrehmoments, der Leistung und Effizienz der Vorrichtung gegenüber den Modellen aus dem Stand der Technik möglich.
3) Die Flexi-Keilwelle selbst dreht sich während des Betriebs des Motors nicht.
4) Die Statorwicklungen sind so konzipiert, daß sie den Vektor der radial ausgerichteten Kraft maximieren, welcher für die Ineingriffnahme zwischen Bandzahnrad und dem umschlossenen Zahnrad maßgeblich ist, und somit wird die Drehmomentausgabe erhöht.
5) Der Einsatz eines Verbundmaterials oder einer unter Spannung stehenden Draht-/Bandwicklung mit eingeschlossenem Radialdruck über die Metall-Flexi-Keilwelle verringert auch die Verformungssteifheit der Flexi-Keilwelle, was die Drehmomentausgabe und Effizienz erhöht (siehe Advance Mechanics of Materials, Seely & Smith Wiley, Seite 608).
6) Der Einsatz einer Anordnung mit einer mit verriegelnden Keilen versehenen Flexi-Keilwelle macht eine Anordnung mit einer Schale mit geschlossenem Ende zur Übertragung von Drehmomentausgabe entbehrlich und/oder reduziert die an diese gestellten Anforderungen hinsichtlich der Torsionssteifheit.
7) Der große Durchmesser der Flexi-Keilwelle macht eine Verformung der Flexi-Keilwelle bei verringerter Radialkraft möglich und gestattet eine einfachere mehrlappige Verformung.
8) Die Fähigkeit zur mehrlappigen Verformung der Flexi-Keilwelle gestattet das effektive elektromagnetische Ändern der Übersetzung online während des Betriebs.
9) Der rechtwinklige Profilquerschnitt der Zähne des elektromagnetischen Kerns erhöht die Radialkraft erheblich gegenüber vorherigen hantelförmigen Motoranregungssystemen.
10) Die variable Breite der Zähne des elektromagnetischen Kerns verringert den Magnetfluß-Sättigungsgrad in den Zähnen und erhöht so die Ausgabe von Drehmoment und Leistung.
11) Die bisherige auf Flexi-Keilwellen beruhende Motortechnologie setzt verhältnismäßig dünnwandige Flexi-Keilwellen von allgemein schlechter magnetischer Permeanz ein; die vorliegende Erfindung fordert verhältnismäßig dickwandige Flexi-Keilwellen (in einigen Fällen von 0,25 bis 0,5 Zoll und gegebenenfalls mehr) hoher magnetischer Permeanz, wie Carpenter Hyperco 15.
12) Die verhältnismäßig dickwandige Flexi-Keilwelle dieser Erfindung stellt einen größeren Rückstromweg für den Magnetfluß bereit, wodurch die Drehmoment-/Leistungsausgabe maximiert wird.
13) Die in 6 gezeigte bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung bringt hinsichtlich der Ausrichtung der Flexi-Keilwelle und des Ausgabezahnkranzes (die inneren Zähne der Flexi-Keilwelle stehen an der Anlagestelle der Radialkraft in Kontakt zu dem Ausgabezahnkranz) einen Vorteil von ungefähr 10 % gegenüber der Alternative (externe Zähne an dem Kontakt-Zahnkranz der Flexi-Keilwelle in einem Phasenabstand von 90° von der Stelle des Anlegens der Radialkraft, wie in 5 gezeigt) hinsichtlich der diametrischen Ablenkung der Flexi-Keilwelle pro Einheit Radialkraft bereit.
14) Die Steuerschaltungen und Kommutationsstrategie, wie in 31 und 32 gezeigt, sind für den korrekten Betrieb der in der Patentanmeldung dargelegten Motoren mit Flexi-Keilwelle sehr wichtig. Es gibt gegenwärtig jedoch keinen Beweis, daß diese zuvor im Zusammenhang mit Spannungsmotoren eingesetzt wurden. Andernfalls gleicht das negative Drehmoment infolge der sinkenden Induktivität einen Großteil des positiven Drehmoments aufgrund der zunehmenden Induktivität aus.

STAND DER TECHNIK
US-Patent 2,906,143 , Musser, 29. September 1959:
Dieses Patent offenbart ausführlich die Grundsätze der Spannungswellenverzahnung unter Verwendung eines mechanischen Spannungsvorlaufrads zur Verformung der Flexi-Keilwelle. In 54 und 55 beschreibt Musser kurz ein Verfahren zum Betrieb einer Flexi-Keilwellenvorrichtung, die durch eine mehrphasige elektrische Eingabe und eine Reihe elektrischer Magneten angesteuert wird.
US-Patent 3,169,201 , Spring et al., 9. Februar 1965:
Dieses Patent beschreibt einen Motor mit Flexi-Keilwelle mit einem externen Stator (der stationär ist), umfassend eine Reihe von in Umfangsrichtung verteilten vorspringenden Stäbe (axial ausgerichtete Magnetstabpaare) mit einem angrenzenden Zahnkranz, der ebenfalls in dem Stator angrenzend an die Stäbe angebracht ist.
Ein Flexi-Keilwellen-Rotor ist an eine Welle angebracht und zur Drehung in dem Stator befestigt und auf der Außenfläche mit äußeren Zähnen versehen, die mit einem die Flexi-Keilwelle umgebenden Zahnkranz kämmen. Der Flexi-Keilwellen-Rotor ist mit einer Reihe von Radiallamellen versehen, die magnetisch permeabel, axial ausgerichtet und unter seiner Oberfläche angeordnet sind, und die um ein (als Hebel fungierendes) Ende schwenken können. Diese Lamellen sind an einem Kegelstumpfring des Rotors befestigt und werden zum Schwenken gebracht, wenn sie einer magnetischen Radialkraft unterliegen. Es ergibt sich ein erheblicher mechanischer Vorteil. Bei Betätigung durch ein sequentiell gepulstes, umlaufendes Magnetfeld schwenken die Lamellen nach außen und bewirken die Verformung der flexiblen Keilwelle, die den umgebenden Zahnkranz kontaktiert. Dies bewirkt das Drehen des Rotors der Flexi-Keilwelle und seiner befestigten Welle (in einer Richtung, die der Richtung des umlaufenden Magnetfelds entgegengesetzt ist). Der Rotor bewegt sich somit in Übereinstimmung mit dem zwischen dem Zahnkranz und dem Zahnrad der Flexi-Keilwelle bestehenden Differential und bewirkt an der Ausgabe eine erheblich reduzierte Bewegung.
US-Patent 3,496,395 (Newell, 17. Februar 1970):
In einer beschriebenen Ausführungsform dieser Technologie ist ein Stator mit einer Gruppe von Wicklungen versehen, um ein umlaufendes Magnetfeld zu erzeugen. Der Stator umfaßt eine Reihe von gestapelten Lamellen, die nicht nur dazu dienen, ein Befestigungssystem für die Wicklungen bereitzustellen, sondern auch dazu dienen, eine Oberfläche für die Befestigung eines c-axialen Zahnkranzes in dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor der Flexi-Keilwelle bereitzustellen. Der stationäre Zahnkranz hat sich nach innen erstreckende Zähne, die von den sich nach außen erstreckenden Zähnen des Rotors der Flexi-Keilwelle in Eingriff genommen werden und durch ein umlaufendes Magnetfeld verzogen werden.
Der Rotor der Flexi-Keilwelle ist in diesem Fall ein dünner (was den durchströmenden Magnetfluß begrenzt) flexibler, magnetisch permeabler Hohlzylinder mit Enden, die durch Membranen geschlossen sind, welche die Ablenkung des Zylinders unterstützen und zulassen, aber den Magnetfluß begrenzen.
Eine Welle wird durch die Mittelachse davon geleitet. Die geschlossenen Enden des Zylinders der Flexi-Keilwelle werden an der Welle befestigt, so daß jede Drehung der Flexi-Keilwelle auf die Mittelwelle übertragen wird.
Die sich drehende Flexi-Keilwelle ist mit einem Zahnrad versehen, das in der Oberfläche davon geformt oder daran angebracht ist, um die sich nach innen erstreckenden Zähne des stationären Zahnkranzes in Eingriff zu nehmen.
Der durch die Statorwicklungen erzeugte Magnetstrom wird in das hohle Rohr der Flexi-Keilwelle geleitet und kehrt von dort zurück, um eine magnetische Anziehungskraft zu erzeugen. Somit wird die kreisrunde Form des zylindrischen Rohrs der Flexi-Keilwelle nach außen verzogen, um die Zähne der Flexi-Keilwelle in eine Ineingriffnahme mit den Zähnen des stationären Zahnkranzes zu zwingen. Der Rotor der Flexi-Keilwelle dreht sich somit entsprechend dem Zahndifferential der beiden Gruppen kämmender Zähne, aber in der dem umlaufenden Magnetfeld entgegengesetzten Richtung.
Das Hauptaugenmerk dieses Patents liegt darin, einen vorgespannten, gespulten, magnetisch permeablen, flachen Streifen in dem Rotor der Flexi-Keilwelle zu erzeugen, um die magnetische Anziehung zwischen der Flexi-Keilwelle und dem Stator zu verstärken und die Ungleichmäßigkeiten am Rand zu verringern, welche die Genauigkeit der Positionssteuerung in einer Positionierungsanwendung für einen Servomotor beeinflussen.
US-Patent 3,169,202 Proctor et al., 9. Februar 1965
Dieses Patent beschreibt einen Motor mit Flexi-Keilwelle mit einem festen externen Stator, in dem herkömmliche Dreiphaseninduktionswicklungen und ein stationärer Zahnkranz befestigt sind. Eine Flexi-Keilwelle mit Taschen aus Eisenpulver, die unter ihrer Oberfläche angeordnet sind, wird durch ein umlaufendes Magnetfeld beeinflußt und wird unter der Anziehungskraft dieses Felds verformt. Dies bewirkt die Ineingriffnahme des Zahnrads der Flexi-Keilwelle mit dem stationären Zahnkranz, um eine Bewegung in Übereinstimmung mit dem Zahndifferential des Flexi-Keilwellen-Zahnrads und des Zahnkranzes zu erzeugen.
Verschiedene Rotorkonstruktionen werden in diesem Patent gezeigt, von denen alle dazu ausgelegt sind, die in dem Rotor durch das Magnetfeld erzeugte magnetische Anziehungskraft zu erhöhen.
US-Patent 3,609,423 , Spring, 28. September 1971:
Dieses Patent schlägt die Verwendung einer sich verjüngenden Spule aus flachem biegsamem magnetischem Material unterhalb der Flexi-Keilwelle vor, um die Elastizität und magnetische Anziehungskraft der Flexi-Keilwelle zu verstärken. Das magnetische Material ist strategisch axial geschlitzt, um die Zirkulation von Wirbelstrom zu verringern.
US-Patent 5,691,584 , 25. November 1997
Dieses Patent ist ein vorzügliches Beispiel für elektrisch angetriebene Fahrzeuge aus dem Stand der Technik, bei denen ein Antriebsmotor in dem Rad angeordnet ist und über ein Untersetzungsgetriebe verbunden ist, um eine hohe Antriebsdrehkraft zu erzeugen.
US-Patent 5,600,191 , 4. Februar 1997:
Dieses jüngere Patent beschreibt eine Antriebsordnung für ein Rad, in der geringe Drehkraft durch einen Inside-Out-Motor erzeugt wird, bei dem der Stator Permanentmagneten trägt.
US-Patent 4,389,586 , 21. Juni 1983
Dieses Patent beschreibt eine Antriebsanordnung für das Rad eines sehr großen Geländefahrzeugs. Ein Gleichstrommotor treibt das Rad über ein Untersetzungsgetriebe an.
Liste der Zeichnungen:
1 ist eine Querschnittansicht eines Motors mit flexibler Keilwelle.
2 ist eine Querschnittansicht einer zu 1 alternativen Konstruktion.
3 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der Vorrichtung aus 1.
4 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der Vorrichtung aus 2.
5a, 5B, 5C zeigen die Verformung der flexiblen Keilwelle aus 1 bei umlaufendem Magnetfeld.
6A, 6B, 6C zeigen die Verformung der flexiblen Keilwelle aus 2 bei umlaufendem Magnetfeld.
7, 8, 9, 10 zeigen alternative Konstruktionen für Motoren mit flexibler Keilwelle.
11 ist eine Schnittansicht einer in 1 und 2 bei 6-6 gezeigten flexiblen Keilwelle und eines mehrphasig gewickelten Wechselstromkerns.
12 ist eine Darstellung des Strömungsflusses eines herkömmlichen mehrphasigen, sinusförmig angeregten Motors mit flexibler Keilwelle mit einer internen und externen Kernanordnung mit hantelförmigen Zähnen des Statorkerns.
13 zeigt ein gestanztes Teil des Kerns eines vorgeschlagenen Motors mit flexibler Keilwelle mit geraden Statorkernzähnen und einem konzentrierten Magnetstrom.
14 zeigt eine Wicklungskonfiguration für einen aus den Austanzungen aus 13 gebildeten Kern.
15 zeigt ein Flußmuster für einen Kern einer flexiblen Keilwelle ähnlich der aus 14.
16 zeigt einen typischen Stromfluß in den vier Phasen der in 14 gezeigten Wicklungsanordnung.
17 ist eine Darstellung einer kostengünstigeren Alternative mit einer achtschenkligen Magnetkernstruktur.
18 ist eine Perspektivansicht einer Wicklung, die so geformt ist, daß sie über einen der Kernschenkel aus 17 paßt.
19 ist eine Darstellung des Kerns aus 17, der mit den Spulen aus 18 versehen ist.
20 ist eine vereinfachte Leitungsschaltung für den Kern aus 17.
21 zeigt die typische Stromverteilung für den Drahtkern aus 20.
22 zeigt eine Darstellung eines doppelkernigen Motors mit flexibler Keilwelle mit geschaltetem Widerstand.
23 zeigt einen Motor mit einem dreilappigen Aufbau der flexiblen Keilwelle.
24 zeigt den Motor aus 23, bei dem eine Stangengruppe angeregt ist.
25 zeigt den Motor aus 23, bei dem eine zweite Stangengruppe angeregt ist.
26 zeigt den Motor aus 26, bei dem eine dritte Stangengruppe angeregt ist.
27 zeigt eine bevorzugte Wellenform für den der Anregungsstangen des Motors aus 23 zugeführten Strom.
28 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines mit Keilen versehenen Motors mit flexibler Keilwelle.
29 ist eine Querschnittansicht des zusammengesetzten Motors aus 28.
30 zeigt eine alternative Anordnung des Motors mit flexibler Keilwelle mit bordeigenen Lagern.
31A, 31B, 31C, 31D beschreiben in Form eines Blockdiagramms die für die Steuerung der Versionen der Motoren mit flexibler Keilwelle mit geschaltetem Widerstand geeigneten Steuerschaltungen.
32 beschreibt die Kommutationsstrategie für die Motoren mit flexibler Keilwelle.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird Bezug genommen auf 1 und 3, in denen ein Radmotor 10 als eine Querschnittansicht in 1 und als eine auseinandergezogene Ansicht in 3 gezeigt wird. Der Motor 10 ist an einer Basisplatte 12 angebraucht, die in dieser Darstellung mit vier Gewindelöchern 14 versehen ist. Die Anzahl der Gewindelöcher hängt von der Anwendung ab, abhängig von der benötigten Ausgabe kann es mehr oder weniger Löcher geben. Ein stabiler Ständer 16 (der vorzugsweise hohl, magnetisch und von hochohmigem Widerstand ist) ist an der Basisplatte 12 so angebracht, daß er senkrecht davon vorsteht.
Der Ständer 16 ist mit einer Keilnut 18 und einem Befestigungssegment 20 für das Radlager versehen. Der Ständer 16 endet in einem mit Gewinde versehenen Ende 22.
Eine ungefähr schalenförmige Hülse 24 (Flexi-Keilwelle) ist zwischen einem Paar von Abstandhaltern 26 mittels Schrauben 28 an der Basisplatte 12 befestigt, so daß sie sich nicht drehen kann. Die Hülse 24 hat ein geschlossenes Ende 30 (das von etwas schwererem Aufbau sein kann als der zylinderförmige aufrecht stehende Abschnitt 32), das einstückig mit dem Ende 30 verbunden ist.
Die Hülse 24 hat ein von dem Ende 30 entferntes offenes Ende 34. Das Ende 30 der flexiblen Keilwelle 24 hat ein darin angeordnetes Positionierungsloch 36, um die flexible Keilwelle während der Installation an dem Ständer 16 entlang zu führen, und die Öffnung 36 dient zum Zentrieren und Lokalisieren der flexiblen Keilwelle 24 auf der Basis 12, so daß die Löcher 38 und 40 in den Abstandhaltern 26 und dem Ende 30 der flexiblen Keilwelle 24 leicht auf die Gewindelöcher 14 der Basisplatte 12 ausgerichtet werden können, um den Zusammenbau zu erleichtern und Schalttoleranzen zu wahren.
Der zylinderförmige aufrecht stehende Abschnitt 32 der flexiblen Keilwelle 24 ist mit einem Außenzahnrad 42 bei oder nahe dem Ende 34 der flexiblen Keilwelle 24 versehen. Die flexible Keilwelle 24 ist (in diesem Fall) aus einem hoch permeablen magnetischen Material mit einem hohen magnetischen Sättigungsgrad versehen und weist auch einen hohen Widerstand gegenüber Wirbelstromzirkulation auf.
Für diese Anwendung wäre ein geeignetes Material für die flexible Keilwelle Eisen oder Eisenlegierungen, einschließlich Stahlsilikon, Nickel und/oder Kobaltlegierungen (wie beispielsweise Carpenter HyperCo 15). Die zylindrische Schale 32 ist absichtlich so geformt, daß sie radial verzogen ist, so daß ihre gewöhnliche Form (das heißt, ihre nicht verformte und nicht verzogene Form, die ein Zylinder ist) so verzogen werden kann, daß sie eine mehrlappige oder mehrnockige Form annimmt (wenn sie durch die Magnetkraft gezwungen wird, eine andere als ihre normale Form anzunehmen).
Die Ablenkung der Wand 32 der flexiblen Keilwelle 24 kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: P = K·D·L·t3·E/r3 wobei

K: = eine Konstante,
D: = diametrische Ablenkung der Schale (ungefähr um die doppelte Höhe der Zahnradzähne)
P: = Radialverformungskraft
L: = Axiallänge der Schale
t: = Wanddicke
E: = Durchbiegemodul (oder Komposit-Durchbiegemodul)
r: = Radius der Hülse ist

³

Eine dieser Charakteristiken, die bezüglich der flexiblen Keilwelle 24 bestimmt werden sollte, bevor schließlich eine Grad- oder Ablenkungskraft bestimmt wird, ist die Menge an Torsionsverdrehung (Schersteifheit), der die flexible Keilwelle 24 bei Betrieb widerstehen muß (eine Funktion des Ausgabelastdrehmoments). Das Keil-(oder Band-)Zahnrad 42, das auf der Außenfläche der Hülse angebracht oder geformt ist, wird einen signifikanten Einfluß auf die Steifheit der Hülse haben, die daher minimiert werden sollte. Die obige Gleichung (1) gilt somit auch für das Vorhandensein des Keilzahnrads 42 an der flexiblen Keilwelle 24. Außerdem kann sich herausstellen, daß es notwendig ist, das Keilzahnrad 42 mit einer harten Beschichtung zu beschichten, um seine Abnutzungseigenschaften zu verbessern und um die sich verriegelnden Keile aus 28 aufzunehmen. Dies verringert die Scheranforderung der Drehmomentübertragung der flexiblen Keilwelle.
Die flexible Keilwelle 24 wird auf der Basisplatte 12 angebracht, indem sie entlang Ständer 16 geschoben wird, bis die Löcher 38 und 40 auf die Gewindelöcher 14 ausgerichtet sind. Senkschrauben 28 werden durch die Löcher 38 und 40 in die Gewindelöcher 14 gedreht, um die flexible Keilwelle 24 fest zwischen den Abstandhaltern 26 und gegen die Basis 12 zu halten.
Danach wird ein Magnetkern 44 in Position am Ständer 16 geschoben und an dem Ständer in seiner vorgesehenen Position starr befestigt und positioniert und in dieser Stellung (in diesem Fall) mittels eines Keils bzw. Schlüssels in der Keilnut 18 gehalten. Ein entsprechender Schlüssel (nicht gezeigt) wird in Kern 44 geformt, um der in dem Ständer 16 geformten Keilnut zu entsprechen.
Dem Kern 44 wird eine Wicklung 48 zugeführt, die in Kernschlitze 50 gewickelt ist, die in der Oberfläche des Kerns auf solche Weise ausgebildet sind, daß sie bei Anregung das umlaufende Magnetfeld bereitstellen. Dieses Feld bewirkt letztlich das Durchbiegen der Wand 32 der flexiblen Keilwelle 24.
Eine Feldwicklung des Motors mit geschaltetem Widerstand (beispielsweise ein Rotor mit vier Phasen und zwei Stangen oder sechs und drei Phasen mit drei Rotorstangen) kann, wie in 31 und 32 gezeigt, zusammen mit einer geeigneten Steuerungsschaltung und Kommutation verwendet werden, um die notwendige Ablenkung der Hülse 32 der flexiblen Keilwelle 24 bereitzustellen. Die Feldwicklung kann auch aus einem gekühlten hochleitenden Draht bestehen, wie von der American Superconductor Corporation USA gefertigt.
Als nächstes wird eine Nabe 52 (an der ein Fahrzeugrad angebracht werden kann) drehbar am Ständer 16 mittels Lager 54, 56 gelagert, die an dem Lagersegment 20 des Ständers 16 befestigt sind. In diesem Fall ist die Nabe 52 ein stabiles Gehäuse mit einer Form, die der einer Lkw- oder Pkw-Radnaben- und Bremstrommelanordnung ähnelt.
Die Nabe 52 ist mit einem Paar Lagerausnehmungen versehen, um ein Paar Lager 54, 56 darin aufzunehmen, um sicherzustellen, daß die Nabe 52 fest in Position verriegelt ist und sich konzentrisch mit der Achse des Ständers 16 dreht.
Die zylinderförmige Schale 60 der Nabe 52 ist mit einem ausladenden Schalenabschnitt 62 versehen, der mit einem inneren Keilzahnrad 64 versehen ist. Zahnrad 64 ist so gefertigt, daß es Zähne aufweist, die mit den Zähnen des Keilzahnrads 62 der flexiblen Keilwelle 24 kämmen, aber die Zähne, die Zahnrad 64 bilden, weisen eine andere Anzahl auf als die Zähne an dem Keilzahnrad 42, haben jedoch denselben Abstand.
Die Nabe 52 kann mit einer Reihe von Stegen, wie 66, zum Anbringen eines Rads versehen sein.
Unter Bezugnahme auf 1, 3, 5A, 5B, 5C und 6A, 6B, 6C wird der Motor 10 im Querschnitt entlang der Achse von Ständer 16 gezeigt, wodurch die Verformung der flexiblen Keilwelle 24 gezeigt wird, wenn der Magnetstrom um die Achse des Motors 10 umläuft. Es sei darauf hingewiesen, daß der Kern 44 und die flexible Keilwelle 24 drehfest sind, aber das Zahnrad 64 wird zur Drehung in derselben Richtung wie das umlaufende Magnetfeld gezwungen.
Das die flexible Keilwelle 24 bildende magnetische Material wird an den Stellen, an denen der von dem Kern 44 ausgehende Magnetstrom am größten ist, zu dem Kern 44 angezogen. Bei einer um 90 Grad beabstandeten Stelle ist die Innenoberfläche der flexiblen Keilwelle 24 in der Regel so ausgelegt, daß sie sich in enger Nähe zu der Außenoberfläche des Kerns befindet.
Die sich drehende elliptische Form der flexiblen Keilwelle 24 kann mit der Zeit zu Verschließ auf der Oberfläche des Kerns 44 führen, auch wenn die flexible Keilwelle 24 und der Kern 44 keine Drehbewegung aufweisen (beide sind ortsfest). Die Zähne 42 der flexiblen Keilwelle schwingen mit einer sehr geringen Amplitude um ihre eigene Achse.
Daher kann es notwendig sein, die Kontaktflächen zwischen flexibler Keilwelle 24 und Kern 44 mit einer Schmierung zu versehen, die in Form eines festen Schmiermittels vorliegen kann, das in die Oberfläche des Kerns 44 aufgenommen ist. Der Kern 44 kann aus in die gewünschte Länge gestapelten Lamellen aus elektrischem Eisen bestehen oder der Kern 44 kann ein Verbund aus fein verteilten Partikeln eines magnetischen Materials sein, das von einer Polymersubstanz umschlossen wird. Das letztgenannte Verbundmaterial stellt gute Eigenschaften der magnetischen Permeanz bereit, während es einen hervorragenden Widerstand gegenüber dem Strom der dreidimensionalen Wirbelströme bietet.
Der soeben beschriebene Verbundkern stellt auch eine Oberfläche bereit, in die durchaus ein festes Schmiermittel integriert werden kann, um die Reibungsverluste zu verringern (was zu einer geringeren Wärmeerzeugung im Kern führt) und auch alle Vibrationen infolge der Systemsresonanz dämpfen kann.
2 zeigt die Modifikation der Vorrichtung aus 1, bei der der Zahnkranz (62 in 1) äquivalent zu dem am inneren der flexiblen Keilwelle 124 angeordneten Zahnrad 162 ist. Der Kern 144 ist mit einer Wicklung 148 versehen, um die magnetische Anziehung der flexiblen Keilwelle 124 zu dem Kern 144 bereitzustellen. Im Betrieb ist der Hauptunterschied zwischen den Vorrichtungen aus 1 und 2, daß die flexible Keilwelle 24 aus 1 den Zahnkranz 62 bei einem Winkel von 90 Grad zu der Stelle der höchsten von dem Kern 44 erzeugten Stromkraft kontaktiert, während die Kontaktstelle zwischen flexibler Keilwelle 124 (2) und Zahnkranz 162 mit der Maximalstromkraft zusammenfällt, die durch die Wicklung 148 an Kern 144 in 2 erzeugt wird. Dies führt bei derselben Ablenkung zu einer Verringerung von ungefähr 10% der erforderlichen Ablenkungskraft der flexiblen Keilwelle.
4 und 6A, 6B, 6C beschreiben analog den Motor 110 aus 2.
7 und 8 zeigen eine Verbesserung der Vorrichtungen aus 1 und 2.
Die meisten Bauteile aus 7 und 8 sind identisch mit den in 1 und 2 gezeigten Bauteilen.
An der Basis 212 ist eine flexible Keilwelle 224 angebracht. Der Kern 244, der die Wicklung 248 trägt, ist an dem Ständer 216 montiert und mit einem Schlüssel 246 in Position verriegelt.
Der Hauptunterschied ist das Vorhandensein eines Mehrschichtdrahts und/oder einer metallischen Bandwicklung 280 auf der Oberfläche der flexiblen Keilwelle 224. Die Wicklung 280 wird in diesem Fall mit einem kreisrunden Querschnitt gezeigt und wird als eine Wendel um die flexible Keilwelle 224 gewickelt. Die Wicklung 280 umfaßt ein magnetisches Material, um die magnetische Anziehung der flexiblen Keilwelle 224 zu Kern 244 zu verstärken, die Erzeugung von Wirbelströmen zu minimieren und den Floßbereich zu vergrößern. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Wicklungsspannung so zu steuern, daß die eingeschlossene Radialspannung (oder Druck) maximiert wird. Diese verringert wiederum die erforderliche Verformungskraft der flexiblen Keilwelle. Ein alternatives Mittel zur Erzielung dieser eingeschlossenen Radialspannung ist das Aufschrumpfen eines Bunds oder Bands aus magnetischem Material 281 um die feste oder gewickelte flexible Keilwelle. Zu anderen Alternativen gehören bandartige Klemmen mit einer geeigneten Auswahl der Zylindergeometrie der flexiblen Keilwelle, die eingeschlossene Radialspannung kann die kritische Ausgleichsspannung des mehrschichtig gewickelten Zylinders mit 2, 3 oder 4 modalen (nockenförmigen) Ausgleichsmoden erreichen, wodurch die erforderliche Ablenkungskraft der flexiblen Keilwelle verringert wird.
Die Wicklung 280 kann in einem Fadenwicklungsprozeß oder als vorgeformte Spule, die als flexible Keilwelle fungiert, gewickelt und an die Oberfläche der flexiblen Keilwelle gebunden werden. In jedem Fall ist das Ziel die Minimierung der Steifheit der Kombination aus flexibler Keilwelle und Spule (um die Verformungssteifheit auf annehmbarem Niveau zu halten, während der Bereich des Durchströmens des Magnetflusses maximiert wird).
Um einen besseren Füllfaktor zu erlangen und den Effekt der radialen Luftspalte in den Drahtschichten zu verringern, kann der die Wicklung bildende Draht 280 einen quadratischen oder rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Geeignete Zusammensetzungen für den die Wicklung 280 bildenden Draht oder das Band sind: Carpenters Silikoneisen B, HyperCo 15 oder amorphes Metall 2605C0 von Honeywell.
Die Biegungen der Wicklung 280 sollten (vorzugsweise nur auf den Axialseiten) voneinander isoliert sein, um den Fluß von Wirbelströmen in der Wicklung 280 zu verringern, in der Regel reicht die auf den die Wicklung 280 bildenden Biegungen geformte Polymerbindung für diesen Zweck aus. Wenn nicht, kann ein Oxid oder Phosphat hinzugefügt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß es zwischen den Drahtschichten keine elektrische Kontinuität gibt, da der Draht beidseits der flexiblen Keilwelle 224 endet und somit eine offene Schaltung bildet.
Durch die sorgfältige Auswahl des magnetischen Materials und des polymeren Materials, das den Mehrschichtdraht oder das die Wicklung 280 des Motors 210 bildende Band bindet, kann erwartet werden, daß die Verformungssteifheit der kombinierten metallenen flexiblen Keilwelle 224 und der Wicklung 280 um einen Faktor von 3 oder mehr im Vergleich zu einer äquivalenten flexiblen Keilwelle aus massivem Metall verringert werden kann. Durch Erhöhung des Wicklungswinkels der Drahtwendel wird die Verformungssteifheit der flexiblen Keilwelle ähnlich reduziert. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Wicklungsspannung zu steuern und so zu verriegeln, daß die eingeschlossene Radialspannung (oder Druck) maximiert wird, was wiederum die erforderliche Verformungskraft der flexiblen Keilwelle reduziert.
Ein alternatives Mittel zur Erzielung dieser eingeschlossenen Radialspannung ist die Aufschrumpfung eines Bunds oder Bands aus magnetischem Material um die massive oder gewickelte flexible Keilwelle.
Zu anderen Alternativen gehören bandartige Klemmen. Mit der geeigneten Auswahl der Zylindergeometrie der flexiblen Keilwelle und der eingeschlossenen Radialspannung kann die kritische Ausgleichspannung des mehrschichtigen gewickelten Zylinders mit 2, 3 oder 4 Modalausgleichmoden erreicht werden. Dadurch wird die zur Ablenkung der flexiblen Keilwelle erforderliche Radialkraft verringert.
Ein Motor 310 mit flexibler Keilwelle, bei dem es sich um eine Modifikation des Motors 10 mit flexibler Keilwelle aus 1 handelt, wird in 9 mit einer Verbundschale 324 gezeigt. Die Schale 324 besteht aus einem Verbund aus einem mit magnetischem Pulver gefüllten Polymer oder einem mit Polymer gebundenen Draht oder ein mit einem Band umwickelten magnetischen Material, das an Flansch 345 befestigt ist, der nun als Mittel zur Übertragung von Drehmoment und als Drehpunkt (Hebelpunkt) für die elektromagnetische Ablenkung der flexiblen Keilwelle 324 fungiert. Alternativ kann das offenendige Konzept der Schale der flexiblen Keilwelle aus 28, 29, 30 eingesetzt werden.
Eine Gruppe von Verriegelungspads 370 und Bremspads 372 werden gezeigt, die die Bewegung der flexiblen Keilwelle 324 und die Drehung der Nabe 352 bei Bedarf anhalten. In 1, 2 und 7 zeigt die Bezugszahl 70, 170, 270 eine Mutter zum Halten der Lager.
In 10 wird ein Motor 410 mit flexibler Keilwelle auf eine Basis 412 montiert gezeigt. Eine Feder 416 wird fest an der Basis 412 angebracht. Ein Magnetkern 444 ist mittels eines Schlüssels 446 sicher an der Feder 416 befestigt. Feldanregungswicklungen 448 sind um den Kern 444 gewickelt.
Das Ende 430 der flexiblen Keilwelle 424 ist mittels Abstandhaltern 426 und Schrauben 428 fest an die Basisplatte 412 befestigt, so daß es in seiner Ruheposition koaxial mit der Feder 416 ist. Am entfernten Ende 434 der flexiblen Keilwelle 424 befindet sich ein Bandzahnrad 442, das das offene Ende der flexiblen Keilwelle 424 an der Außenfläche davon umschließt.
Ein angetriebenes Element 452 ist in den Lagern 454 und 456 in der Feder 416 befestigt. Das angetriebene Element 452 umfaßt eine Scheibe 470, die an die Welle 472 angebracht ist, welche sich durch die Basis 412 erstreckt, um einen scharten Vorsprung 474 zu bilden, und die Scheibe 470 kann Radschrauben wie 476 oder eine Wellenverlängerung wie 478 tragen (in Abwesenheit von Schrauben 476).
Dieser Aufbau ermöglicht, daß der Motor 410 mit flexibler Keilwelle so angepaßt werden kann, daß er eine Last an einem Ende oder gleichzeitig an beiden Enden tragen kann.
Eine Umwicklung ähnlich der Wicklung 280 kann in die Struktur der flexiblen Keilwelle 424 aufgenommen werden, um ihre magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Die Motorstruktur kann natürlich auch die Form des Motors mit flexibler Keilwelle aus 2 annehmen, bei dem die flexible Keilwelle 424 den Zahnkranz umgeben würde.
11 ist eine Darstellung des in 1 gezeigten Abschnitts 6-6. Die flexible Keilwelle 24 wird als den Kern 44 umgebend gezeigt. Drei Wicklungen 48a, 48b und 48c bilden die Wicklung 48. Dies ist eine dreiphasige, sinusförmig verteilte Wicklung, bei der es sich um eine herkömmliche Wicklung handelt. Die drei Phasenwicklungen 48a, 48b und 48c sind auf wohlbekannte Art um den Kern 44 verteilt. Diese Wicklung wird dazu dienen, die flexible Keilwelle auf die zuvor beschriebene Art abzulenken. Eine variable Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung dieser Wicklungsversion kann mittels im Handel erhältlicher elektronischer Wechselstrom-Induktionsmotor-Steuerungen erzielt werden. Die sich ergebende Ausgabeleistung, Drehkraft und Effizienz sind aber tendenziell enttäuschend.
12 zeigt die Stromverteilung für einen Motor mit flexibler Keilwelle mit einer mehrphasigen Wicklung mit zwei Stangen, wie in 11, die durch ein sinusförmiges Signal angeregt sind.
Der Kern 44 wird von einer flexiblen Keilwelle 24 umgeben (und durch den äußeren Zylinderkern 45 wird in diesem Fall eine zusätzliche Rückstrecke für den Fluß bereitgestellt).
Es sei darauf hingewiesen, daß der Fluß den gesamten Kern 44 durchläuft, und Kernverluste somit unvermeidbar sind, wenn der Fluß in die Nabe 47 eindringt und sie durchläuft. Die Wicklungen 48a, 48b, 48c weisen an jedem Ende des Kerns 44 umfangreiche Endbiegungen auf (die unangemessen viel Platz einnehmen). Dies führt auch zu einem erheblichen Energieverlust und Wärmeerzeugung in dem Statorkern und den Endwicklungen von 48a, 48b, 48c. Außerdem verringern die hantelförmigen Statorkerne die angelegte Radialverformungskraft erheblich. Aus diesem Grund und wegen anderen Kommutationsproblemen werden mehrphasige Anregungswicklungen in dieser Ausführungsform für die Erfindung nicht bevorzugt.
Es wird vorgeschlagen, den aus gestapelten Ausstanzungen aufgebauten Kern, wie in 13 gezeigt, zu verwenden, um die flexible Keilwelle für einige der alternativen Ausführungsformen dieser Erfindung anzuregen. 13 zeigt eine Kernausstanzung 1344 mit einer geraden Anzahl von Kernzähnen, aber die Zähne der Ausstanzung werden mit variablen Breiten gezeigt. Die Kernzähne 1350, 1352, 1354, 1356, 1358, 1360, 1362 und 1364 haben jeweils zwei Zähne wie 1366 und 1368, die dazwischen verteilt sind. Der Kern 1344 ist symmetrisch, insofern als dieses Muster über den gesamten Kern 1344 verteilt wird.
14 zeigt den Kern 1344 mit einem vierphasigen Widerstandsmotor mit zwei Stangen mit einer darauf gewickelten Wicklung, die durch vierphasige Anregung mit geschaltetem Gleichstrom angeregt werden wird, wobei jede Spule mechanisch um 45 Grad getrennt ist.
Da die Wicklungen und der Kern 1344 symmetrisch sind, wird nur eine Wicklung ausführlich beschrieben. Der Zahn 1352 ist mit einer Wicklung 1400 versehen, der nur den Zahn 1352 umgibt. Die Wicklung 1400 ist in einer seriellen Ausgleichsbeziehung (um entgegengesetzte Strömungsrichtungen des Magnetflusses sicherzustellen) mit der Wicklung 1402 auf dem gegenüberliegenden Zahn 1360 verbunden. Diese Wicklungen werden zwischen Anschlüssen A-A1 angeregt. Ein Paar Wicklungen 1404 und 1406 sind auf dem Kern 1344 gewickelt und umfassen die Zähne 1368, 1352, 1370 und 1384, 1360, 1386. Diese Wicklungen werden gleichzeitig mit den Wicklungen 1400 und 1402 angeregt, um einen konzentrischeren Strom im Bereich der Zähne 1352 und 1360 zu bilden.
Die anderen Paare mit drei Stangen werden in Abständen von 45 Grad nacheinander angeregt, um das Strommuster um 180 Grad zu bewegen und eine Wellenablenkung der flexiblen Keilwelle zu bewirken.
15 zeigt das Flußstrommuster für die Spulen 1400, 1404, 1402 und 1406 an hantelförmigen Kernzähnen nicht variabler Breite 1352, 1368, 1370, 1360, 1384 und 1386, die voll angeregt sind, wobei die die Zähne 1350, 1366, 1396, 1380, 1358 und 1382 umgebenden Spulen teilweise angeregt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß das Flußstrommuster sich von dem in 12 gezeigten vollkommen unterscheidet. Die größte Stromkonzentration des Stroms ist in Zähnen 1352 und 1360, welche so gezeigt werden, daß sie an Zähne 1350 und 1358 angrenzen, statt durch die Kernnabe zu laufen, wie in 12 gezeigt. Die hantelförmig geformten Kernzähne verringern die Stromdichte des Magnetflusses an der Spitze der Stange und verringern somit die angelegte Kraft zur Ablenkung der flexiblen Keilwelle auf erhebliche Weise. Aus diesen Gründen sind gerade Zähne variabler Breite die bevorzugte Ausführungsform.
Der anregende Strom für die Spulen wird schematisch in 16 gezeigt. Diese Stromwellenform ist ein geschalteter Gleichstrom, der für jede Gruppe von Stangenpaarwicklungen wie 1400, 1404, 1402, 1406 erzeugt wird und eine graduelle Drehverformung der umgebenden flexiblen Keilwelle bewirkt. Ohne die Überlappung der Ströme verschiedener Phasen in den Wicklungen des Kerns, wie in 16 gezeigt, tendiert die Verformung der flexiblen Keilwelle dazu, in getrennten Schritten aufzutreten. Außerdem muß diese Überlappung (Phasenvorsprung) mit zunehmender Drehzahl zunehmen, um die Zeitkonstante des Feldspulenstroms zu kompensieren. Wichtiger ist jedoch der Stromendpunkt (hintere Flanke des Strompulses), wenn der Feldspulenstrom die Richtung ändert, um gespeicherte Energie zu entladen, führt dies zu einem negativen Drehmoment und der Strom muß abgestellt werden. In 32 wird die geeignete Steuerstrategie gezeigt, die zu einer Teilstromwellenform führt. Diese Steuerstrategie wird durch die Schaltung aus 31 bewirkt, begleitet von geeigneten Kommutationssignalen, die beispielsweise durch Hall-Effekt-Vorrichtungen erzeugt werden.
Die Frequenz und Amplitude der verschiedenen Ströme sollte gesteuert werden, um die Geschwindigkeit und Radialkraft der Verformungswelle der flexiblen Keilwelle anzupassen. In 31A, 31B, 31C, 31D werden geeignete Schaltungen in Blockdiagrammform gezeigt, die angepaßt werden können, um eine solche Steuerung zu erzielen (siehe Texas Instruments in BARA058, Juli 1997).
Die Wicklungen 1400, 1402, 1404, 1406 usw. fungieren, um die erwünschte durchgängige Wellenverformung der flexiblen Keilwelle 24 der Motoren 10, 110 und 210 zu bewirken. Es gibt jedoch kostengünstigere Wicklungen, die in der Lage sind, die Verformung der flexiblen Keilwelle mit weniger Energieeingang in das magnetische System zu bewirken, und die an eine 2-, 3- oder 4-lappige Verformung der flexiblen Keilwelle angepaßt werden können.
17 zeigt einen Magnetkern 524 für eine Motoranwendung mit flexibler Keilwelle, wie in 1, 2, 7 und 8 gezeigt, bei der der Kern auf vollkommen andere Weise angeregt wird, als das in 11 gezeigte Kernspulensystem. 17 zeigt eine Teilperspektive eines Kerns, der in einem Magnetsystem mit geschaltetem Widerstand verwendet wird. Der Kern 524 umfaßt eine Nabe 526 und Speichen 528, die in einer beabstandeten Konfiguration angeordnet sind, umfassend Lamellenstapel, um in diesem Fall einen Magnetkern mit acht Stangen zu erzeugen.
18 zeigt eine typische Wicklungsspule 530 für jeden der Schenkel 528 des Kerns 524. Die Wicklung 530 wird über den ausgewählten Schenkel 528 des Kerns 524 geschoben.
Jede Stange 528 ist mit einer wie 530 geformten Spule versehen. Insgesamt wird es acht solcher Spulen 530 geben, die über die einzelnen Schenkel des Kerns 524 plaziert sind, für eine vier- oder achtphasige Anregung, und zwei oder vier Stangen des Rotors der flexiblen Keilwelle (analog sechs Spulen/Stangen für dreiphasige Anregung mit zwei oder drei Rotorstangen). Solche Anordnungen erlauben die schnelle Änderung des Potentials für die elektromagnetische Gangänderung.
19 zeigt den Kern 524 mit über jeden Schenkel 524 angeordneten Spulen 530, es sei auf die Wicklungsabfolge hingewiesen. Spule 530, die über den ⌀A-Schenkeln von Kern 524 plaziert ist, erzeugt Fluß in der entgegengesetzten Richtung, wie ihre in Serie angeschlossene Entsprechung ⌀A1. Die tatsächliche Wicklungskonfiguration für zwei Pole wird einfacher in 20 gezeigt. Hier ist der in Schenkeln ⌀A und ⌀A1 erzeugte Magnetfluß dem Kern direkt entgegengesetzt. Die verbleibenden Paare der sechs verbleibenden Stangen sind in Paaren auf eine ähnliche Weise verbunden wie ⌀A und ⌀A1, wobei jedes nachfolgende Spulenpaar in entgegengesetzten Magnetflußrichtungen zu dem vorherigen Paar angeordnet ist.
21 ist eine Darstellung des in Kern 524 mit vierphasigem geschaltetem Widerstand erzeugten Flusses. Es sei darauf hingewiesen, daß der in den Schenkeln ⌀A und ⌀A1 des Kerns 524 erzeugte Fluß direkt entgegengesetzt ist. Der in ⌀A erzeugte Fluß spaltet sich und wird mit den Schenkeln ⌀B und ⌀D1 verbunden. Analog spaltet sich der in dem Schenkel ⌀A1 erzeugte Strom und verbindet sich mit dem Schenkel ⌀D und ⌀B1. Der in dem Schenkel ⌀A erzeugte Fluß verbindet sich nicht mit dem Schenkel ⌀A1, wie in der in 11 gezeigten herkömmlichen sinusförmig verteilten Wicklung, wodurch die Anforderungen an die magnetische Sättigung verringert werden. Aus 21 ist jedoch ersichtlich, daß die Dicke der flexiblen Keilwelle erhöht werden sollte, um die den Kernzähnen ähnliche Flußdichte zu berücksichtigen.
Die Anregung der Spulen ⌀A, ⌀B, ⌀C, ⌀D ist einfach. Die komplementären Spulen werden entgegengesetzt in Reihe angeschlossen, ebenso wie die übrigen Spulen. Daher ist eine vierphasige Gleichstromzufuhr notwendig, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das zu der Erzeugung einer sich kontinuierlich bewegenden Verformung der flexiblen Keilwelle führt. Die Leistungszufuhr sollte eine Größen- und Frequenzsteuerung aufweisen, um eine für das Antreiben des Motors mit flexibler Keilwelle für einen Betrieb bei variabler Geschwindigkeit geeignete Ausgabe und eine geeignete Kommutation wie in 32 gezeigt zu erzeugen.
22 zeigt eine Darstellung eines Motors 600 mit flexibler Keilwelle mit zwei Kernen vom Typ mit geschaltetem Widerstand. Hier ist ein innerer Kern 624 mit acht vorstehenden Stangen versehen (ähnlich Kern 524), die mit den Bezugszahlen 632, 634, 636, 638, 640, 642, 644 und 646 versehen sind. Die Stangen 632–646 werden auf exakt dieselbe Weise angeregt, wie die Stangen ⌀A–⌀D usw. aus 19, wobei die Spulen 648–660 so angeregt werden, daß der in gegenüberliegenden Stangen (wie 636 und 644) erzeugte Fluß ausgleichend ist.
Die in 1, 2, 7, 8 und 14 dargestellten Motoren mit flexibler Keilwelle sind alle mit einem in der flexiblen Keilwelle selbst angeordneten Kern versehen. Der Motor 600 mit flexibler Keilwelle ist mit einem externen Kern 670 versehen, der aus einer Reihe gestapelter Lamellen besteht, die durch im Gebiet wohlbekannte Techniken zu einer einheitlichen Struktur geformt werden. Der Kern 670 wird mit acht Stangen 672–686 versehen, die den Stangen 632–646 gegenüberliegen. Die Stangen 672–686 sind mit Spulen 688–704 versehen. Die flexible Keilwelle 610 ist koaxial mit und in der Mitte zwischen den Stangen 632–646 und 672–686 angeordnet.
Wenn die Spulen 648 und 656 Strom in einer seriellen Ausgleichsbeziehung erzeugen, werden die Spulen 692 und 700 gleichzeitig angeregt, um eine magnetische Anziehung (mechanisch um 90 Grad beabstandet) auf die zwischen den Kernen 624 und 670 angebrachte flexible Keilwelle auszuüben. Die Stangen 692 und 700 befinden sich mit den Stangen 648 und 656 in einem quadratischen Raum. Während die Stangen 648 und 656 die flexible Keilwelle nach innen ziehen, ziehen die Stangen 692 und 700 nach außen, um die Kraft der Ineingriffnahme der flexiblen Keilwelle 610 mit ihrem zugeordneten Zahnkranz (nicht gezeigt) zu erhöhen.
Diese Anordnung ermöglicht auch die Kupplung einer flexiblen Keilwelle mit zwei Gruppen von Bandzahnrädern, eine auf der Innenseite und eine auf der Außenseite der flexiblen Keilwelle, um gleichzeitig einen inneren Zahnkranz und einen äußeren Zahnkranz in Eingriff zu nehmen.
Dies würde das Antreiben von zwei Lasten mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen ermöglichen.
Der äußere Kern 670 sollte sicher an einer Basis (wie 12 in 1) angebracht sein, um den äußeren Kern 670 in koaxialer Ausrichtung mit dem inneren Kern 624 und der flexiblen Keilwelle 610 zu halten.
Diese Anordnung erhöht die Kraft der Ineingriffnahme der flexiblen Keilwelle und ihres zugeordneten Zahnkranzes. Diese Anordnung mit doppelter Anregung wird auch mit der Steuerstrategie aus 31 und 32 funktionieren. Erforderlich ist lediglich ein äußerer Kern, dessen Stangen ein Magnetfeld in Quadratanordnung mit dem von dem inneren Kern 48 erzeugten Feld erzeugen. Dies stellt die notwendige Verformung der flexiblen Keilwelle 610 bereit.
28 ist eine Darstellung eines Zugmotors mit flexibler Keilwelle mit einer Anregung mit sechs Phasen, drei Stangen vom Zugtyp, der auch für eine Anregung mit vier oder zwei Stangen in der Lage ist. Die Version mit drei Stangen wird nun beschrieben. Motor 800 ist mit einer flexiblen Keilwelle 810 und einem inneren Kern 824 mit zwölf vorstehenden Stangen versehen (ähnlich Kern 624), die mit den Bezugszahlen 846–868 versehen sind. Die umgebende flexible Keilwelle 810 ist ein stationärer Statorkern 870 mit Stangen 872–894, die davon nach innen vorstehen.
Die Stangen 846–868 sind mit Wicklungen 896–918 versehen und die Stangen 872–894 sind mit Wicklungen 920–942 versehen. In Ruhestellung nimmt die flexible Keilwelle 810, wie in 23 gezeigt, eine runde Form an und die Zahnradzähne (nicht gezeigt) der flexiblen Keilwelle 810, die einstückig mit der flexiblen Keilwelle geformt sind, nehmen den (in 23 nicht gezeigten) Zahnkranz nicht in Eingriff. Die flexible Keilwelle 810 nimmt somit in Ruhestellung in nicht angeregtem Zustand eine rund Form ein.
24 zeigt die sich ergebende Formung der flexiblen Keilwelle 810, wenn eine der vier Phasen angeregt wird.
Hier werden die Innenstangen 848, 856 und 864 durch die Wicklungen 898, 906 und 914 so angeregt, daß sie die flexible Keilwelle 810 nach innen ablenken, während die äußeren Stangen 876, 884 und 892, die die Wicklungen 924, 932 und 940 tragen, die flexible Keilwelle nach außen verziehen, wodurch eine Ineingriffnahme mit drei Moden zwischen der flexiblen Keilwelle 810 und ihrem Zahnkranz oder Zahnkränzen erzeugt wird.
25 zeigt die Anregung der nächsten Phase, wenn die Spulen 900, 908 und 916 der inneren Stangen 850, 858 und 866 angeregt werden.
Gleichzeitig werden die Spulen 926, 934 und 942 an den äußeren Stangen 878, 886 und 894 so angeregt, daß sie die Verformungswelle eine Stange von der in 24 nach vorne bewegen.
26 zeigt die Anregung der sechs Stangen der nächsten Phase und die sich ergebene Verformung der flexiblen Keilwelle 810.
Die Verformung der flexiblen Keilwelle bewegt sich somit um 120 Abstandsgrade bei der aufeinanderfolgenden Anregung der vier Stangen. Die Anregung der jeweiligen Stangen wird durch die Verwendung abgetrennter Gleichstrompulse, wie in 27 gezeigt, unter Verwendung der Schaltung aus 31, 32 und geeigneter Kommutationssignale bewirkt. Wenn das Zahndifferential zwischen der flexiblen Keilwelle und dem Zahnkranz (angenommen, der Zahnkranz ist bezüglich der flexiblen Keilwelle außen) 3 ist, dann gibt es für einen vollständigen Anregungsmodus um 360 Grad (Abstand) zwei Anregungszyklen jeder Spule des Motors 800. Dies wird den Zahnkranz während einer Umdrehung der dreilappigen Form der flexiblen Keilwelle um drei Zähne nach vorne bewegen. Bei einer flexiblen Keilwelle wie der in 1, 2, 7, 8 und 14 gezeigten, bei der die Zahndifferenz zwischen der flexiblen Keilwelle und dem Zahnkranz zwei Zähne beträgt, würde sich der Zahnkranz nur um zwei Zähne nach vorne bewegen, so daß die dreilappige Form das Untersetzungsverhältnis verringert.
Bislang waren die Motoren mit flexibler Keilwelle allgemein als eine Anordnung mit einer schalenförmigen flexiblen Keilwelle gebildet (ein Zylinder mit einem offenen und einem geschlossenen Ende). Die Hauptaufgabe dieses Zylinders ist der Übertrag des vollen Ausgabelastreaktionsdrehmoments von dem Bandzahnrad 42 (siehe 1) zurück auf die Basisplatte 12 (1), und außerdem die Erleichterung der elliptischen oder dreilappigen Verformung derselben. Diese Funktion erfordert, daß der Zylinder (die flexible Keilwelle) eine adäquate Schersteifheit (Dicke) aufweist, um das Ausgabelastdrehmoment zu übertragen. Zusammen mit der Schale mit geschlossenem Ende erhöht dies wiederum den Verformungswiderstand der flexiblen Keilwelle, was wiederum das Ausgabedrehmoment und die Effizienz verringert. Eine neue Ausführungsform wird nun beschrieben.
28 zeigt die wesentlichen Komponenten des Motors 10A mit flexibler Keilwelle. Ein Kern 12A ist in einem (nicht gezeigten) Rahmen angebracht, der die Drehung des Kerns 12A verhindert.
Kern 12A kann aus einem Stapel ausgestanzter Lamellen oder aus einem Verbund aus gegossenem magnetischem Material bestehen. Der Kern 12A ist mit einer Welle 15A versehen, die an gegenüberliegenden Enden des Kerns 12A Enden 14A und 16A aufweist. Das Wellenende 14A ist so befestigt, daß es den Kern 12A ortsfest hält. Der Kern 12A weist eine Reihe vorstehender Rippen auf, die in seiner Oberfläche geformt und von Tälern 20A getrennt sind. Die Rippen 18A und die Täler 20A bilden einen Keil, auf dem die flexible Keilwelle in Hülsenform in einer Keilanordnung aufgenommen wird. Die Täler 20A können auch zum Aufnehmen der Wicklungen dienen, die notwendig sind, um das elektromagnetische Feld in dem Kern zu erzeugen.
Die flexible Keilwelle 22A, die in Form eines Hohlzylinders aufweist, hat interne flexible Rippen 24A (vorzugsweise aus einem Material auf Polymerbasis) und Täler 26A, die den Tälern 20A und Rippen 18A des Kerns 12A übereinstimmen.
Die Passung zwischen der flexiblen Keilwelle 22A und dem Kern ist etwas locker, so daß die notwendige Biegung der flexiblen Keilwelle in Radialrichtung ermöglicht, aber die Bewegung der flexiblen Keilwelle 22A in Umfangsrichtung verhindert wird. Somit wird eine Reaktion auf das Ausgabelastdrehmoment bereitgestellt, aber mit einem geringeren verteilten Oberflächendruck. (Diese Technik kann auch mit einer flexiblen Keilwelle vom Typ mit einem offenen Ende angewendet werden.)
In ein Ende der flexiblen Keilwelle 22A ist einstückig ein internes Bandzahnrad 30A eingepaßt. Das Band kann an die flexible Keilwelle 22A vom Hülsentyp geklebt oder auf andere geeignete Weise permanent an die flexible Keilwelle vom Hülsentyp befestigt sein.
Es ist wichtig, daß das Bandzahnrad 30A und die flexible Keilwelle vom Hülsentyp zu der erforderlichen Verformung in der Lage sind, wenn ein in Kern 12A erzeugtes umlaufendes Magnetfeld vorliegt, um sich aus einem kreisförmigen Querschnitt zu einer mehrlappigen bzw. mehrnockigen Form zu verziehen, um zu einem korrekten Betrieb des Motors 10A zu führen. Somit ist die Verwendung der Konstruktionsmaterialien mit einem elliptisch offenbar geringen Elastikmodus für die flexible Keilwelle und das Bandzahnrad eine Notwendigkeit, um einen Optimalbetrieb des Motors 10A zu erzielen. Diese Techniken sind zuvor beschrieben worden.
29 zeigt einen Querschnitt der Endanordnung des Motors 10A. In dieser Figur ist das Wellenende 14A permanent an einen Bezugspunkt befestigt, um den Motor 10A zu unterstützen. Die Welle 14A darf sich nicht drehen. Die Spulenwicklungen 32A werden an Kern 12A gezeigt und befinden sich allgemein in Tälern (Kernschlitzen) 20A.
Ein Drehpunkt- und Haltering 34A wird allgemein nahe des Endes der flexiblen Keilwelle 22A vom Hülsentyp bereitgestellt, um die Ruheposition der flexiblen Keilwelle 22A an Kern 12A einzurichten und zu stabilisieren.
An einer Anordnung 38A zur Drehung an der Welle 16 des Motors 10A ist ein Zahnrad 36A angebracht. Das Zahnrad 36A weist äußere Zähne 40A auf, um das Bandzahnrad 42A in Eingriff zu nehmen. In Ruhestellung nehmen die Zähne 42A des Bandzahnrads 30A nehmen die Zähne 40A des Zahnrads 36A nicht unbedingt in Eingriff.
Die Zahnradanordnung 38A zur effizienten Drehung an Lagern 44A angebracht.
Die Zahnradanordnung 38A endet in der Ausgangswelle 46A.
Der Kern 12A ist permanent an der Welle 14A–16A mittels eines Schlüssels 50A befestigt.
Der Motor funktioniert wie folgt:
Ein umlaufendes Magnetfeld wird durch Wicklung 32A in Kern 12a erzeugt. Die von dem Magnetfeld in Kern 12A erzeugte magnetische Anziehung zieht die flexible Keilwelle vom Hülsentyp an, so daß gegenüberliegende Seiten der flexiblen Keilwelle nach innen gezogen werden, so daß das Bandzahnrad 30A die Zähne 40A des Zahnrads 36 an zwei diametrisch entgegengesetzten Stellen zusammenzieht. Wenn das Magnetfeld um den Kern 12A schwingt, schwingt die Verformung der flexiblen Keilwelle 22A und des Bandzahnrads 30A um das Zahnrad 36A und Kern 12A.
Da es an dem Bandzahnrad 30A mehr Zähne gibt als an dem Zahnrad 36A, dreht sich das Zahnrad 36A (gemäß dem Zahndifferential) in einer dem umlaufenden Magnetfluß entgegengesetzten Richtung.
Der Ring 34A, der mittels einer in Umfangsrichtung umlaufenden Nut und Flansch in die Hülse 22A und Kern 12A eingepaßt werden kann, dient als Scharnier, wenn dies bei Betrieb für die Biegung der flexiblen Keilwelle 22 an Kern 12 erwünscht ist.
Die flexible Keilwelle 22A kann aus einem magnetischem Verbundmaterial oder aus einem magnetischem Metallzylinder, der von einem magnetischen Draht oder darin enthaltenen Band umwickelt wird, um seine magnetischen Eigenschaften zu erhöhen, während die Steifheit der Hülse nicht wesentlich erhöht wird. Diese Konstruktion wurde zuvor beschrieben.
Fachleuten wird erkennbar sein, daß der Motor 10A aus 29 wie die Anordnung 101 aus 30 neu konfiguriert werden kann, um die Winkelwalzenlager 44A in den Magnetkern 12A anzuordnen und die Größe nicht zentrierter Last zu verringern. In diesem Fall wird das Bandzahnrad 301 auf die Außenfläche der flexiblen Keilwelle 22A plaziert und die Zähne 401 werden auf der Innenfläche des Zahnrads 36A plaziert. Wie in ebenfalls in 30 gezeigt, ist die Plazierung einer Anordnung aus Felge 501 und Reifen 601 für Zugfahrzeuganwendungen und insbesondere eine Anordnung im Rad möglich. Elemente dieser Anordnung sind auch auf die Motoren 10 (1), 110 (2), 210 (7), 210 (8), 310 (9) und 410 (10) möglich. Es ist auch beabsichtigt, daß einige der Merkmale von Motor 10, 29, und Motor 101, 30, vorteilhaft ausgetauscht werden können.
Zusammenfassend plaziert der erfindungsgemäße Motor mit flexibler Keilwelle den elektromagnetischen Kern vorzugsweise in das Innere der flexiblen Keilwelle und minimiert den Strömungsweg und die Steifheit der flexiblen Keilwelle. Dies konzentriert die Radialverformungskraft und maximiert den Strömungsbereich der flexiblen Keilwelle. Diese Konstruktion weist gegenüber Vorrichtungen aus dem Stand der Technik insofern erhebliche Vorteile auf, als der Motor ein größeres Drehmoment und größere Leistung erzeugen kann und viel kleiner und weniger kompliziert als die vorherigen Vorrichtungen ist.
Die durch einen Motor mit flexibler Keilwelle erzeugte Drehmoment- und Leistungseffizienz hängt in großem Ausmaß von der Durchmesserfläche der flexiblen Keilwelle ab. Bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ist die flexible Keilwelle von einer elektromagnetischen Kernstruktur und/oder Motorgehäuse umgeben, wodurch der Durchmesser der flexiblen Keilwelle viel geringer als der Außendurchmesser der Motorstruktur ist. Die vorliegende Struktur plaziert die Keilwelle allgemein an den äußeren Enden des Motors und erhöht somit das Verhältnis zwischen Drehmoment und Motorgröße erheblich, wodurch die Steifheit der flexiblen Keilwelle verringert und die Effizienz im Vergleich zu Motoren aus dem Stand der Technik erhöht wird.
Die Struktur des Motors mit flexibler Keilwelle dieser Anmeldung eignet sich ideal für Anwendungen, wie Zugmotoren, Robotergelenke und Antriebe für Schneemaschinen, dies ist in ihrer Kompaktzeit, erforderlichem hohen Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit, Fähigkeit und Kapazität für freie Umdrehung bei nicht angeregtem magnetischem Kern, begründet. Eine weitere Anwendung bezieht sich auf Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge und insbesondere auf Retrofit-Situationen, in dem Antreibe im Rad in die Räder des Hinter- und Vorderantriebs plaziert werden. Die Erweiterung der Technologie auf Vorrichtungen mit großer Leistungsabgabe ist beabsichtigt, und zwar mittels erzwungener Kühlung und Verwendung von Feldwicklungen aus hoch leitendem Draht, wie dem von der American Super Conductor Corporation hergestellten.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung plaziert der Motor mit flexibler Keilwelle einen elektromagnetischen Kern innerhalb und außerhalb der flexiblen Keilwelle, wodurch eine dreilappige Verformung derselben ermöglicht wird. Dies weist in einigen Anwendungen einen Vorteil auf, da geringere Übersetzungsverhältnisse und größere Steifheit erfordert werden.
Die Verwendung der flexiblen Verbundkeilwelle mit einer magnetischen Draht- oder Bandwicklung verringert die radiale Verformungssteifheit während der Rückkehrbereich des Magnetflusses maximiert wird. Dies verbessert die Leistungsausgabe durch Erhöhen des Drehmoments und Verbesserung der Effizienz der Vorrichtungen.
Zwischen der Kommutation des Motors mit flexibler Keilwelle und einem Motor mit geschaltetem Widerstand (SR) kann ein Vergleich angestellt werden. Es ist ersichtlich, daß die Stangen in dem Motor mit flexibler Keilwelle als äquivalent mit den Stangen in einem SR-Motor angesehen werden können, und es ist ersichtlich, daß die Kommutation eines Motors mit flexibler Keilwelle der eines SR-Motors ähnlich genug ist, so das der Motor mit flexibler Keilwelle von den modifizierten, bestehenden und hoch entwickelten SR-Kommutationstechnologien profitieren kann. 31A, 31B, 31C und 31D zeige, wie die typische Kommutierung eines SR-Motors nach Lehrbuch auf einen Motor mit flexibler Keilwelle angewendet werden kann.
32 zeigt die Kommutationsstrategie. Dies wird allgemein durch magnetische Hall-Effekt-Erfassungsvorrichtungen für die Rotor-(Flexi-Keilwellen-)Position und/oder Parametermessungen von Wicklungsinduktivität bei spannungslosen Phasen in 31D erzielt. Eine solche Technologie ist ein integrales und notwendiges Element für den effizienten Betrieb eines Motors mit flexibler Keilwelle gemäß dieser Patentschrift.
In 31A, 31B, 31C bedeuten die Abkürzungen:

PI: = Proportionalintegral
PID: = Proportionalintegral-Ableitung
Ifb: = Feedbackstrom
Icmd: = Befehlsstrom
PWM: = Pulsbreitenmodulation
DSP: = Digitalsignalprozessor

Claims

Motor (10, 210, 410, 101) mit flexibler Keilwelle mit einem Tragmittel (12/16, 212/216, 412/416, 15A), einem ersten zylinderförmigen elektromagnetischen Kern (44, 244, 444, 624, 824, 12A), einer flexiblen Keilwelle (24, 224, 424, 610, 810, 22A) und einem drehbaren Nabenmittel (52, 252, 452, 38A), die in einem Arbeitsverhältnis auf dem Haltemittel angebracht sind, wobei der erste elektromagnetische Kern mit einer ersten Gruppe geeigneter Wicklungen (48, 248, 448, 32A) zur Erzeugung eines kommutierten und gesteuerten, umlaufenden Magnetfelds versehen ist, die flexible Keilwelle einen scheibenförmigen Abschnitt (30, 230, 430, 34A) und einen zylinderförmigen Abschnitt (32, 232) umfaßt, die einstückig miteinander verbunden sind, um die allgemeine Form einer offenendigen Blechdose zu bilden, die in einer solchen Weise an dem Tragmittel angebracht ist, daß sie den ersten elektromagnetischen Kern umschließt und sich in koaxialer Anordnung mit dem ersten elektromagnetischen Kern befindet, der zylinderförmige Abschnitt der flexiblen Keilwelle ein elastisch verformbares, magnetisch permeables Material umfaßt und sich in einer eng beabstandeten Anordnung mit dem ersten Kern befindet, jedoch den ersten Kern in unerregtem magnetischen Zustand nicht unbedingt berührt, die flexible Keilwelle ein außenverzahntes Bandzahnradmittel (42, 242, 442, 30A) aufweist, das daran in Form eines elastisch verformbaren Bands ausgebildet ist, welches die Außenfläche des zylinderförmigen Abschnitts im Wesentlichen nahe dem offenen Ende der flexiblen Keilwelle umgibt, das Nabenmittel auf dem Tragmittel angrenzend an die flexible Keilwelle und koaxial mit dieser angebracht ist, wobei das Nabenmittel ein komplementäres äußeres Zahnkranzmittel (64, 264, 36A) aufweist, das darüber liegt, sich jedoch mit dem Bandzahnradmittel auf der flexiblen Keilwelle in engem Abstand befindet, das Bandzahnradmittel und das Zahnkranzmittel Zähne aufweisen, die miteinander kämmen, jedoch in der Anzahl verschieden sind und sich in eng beabstandeter Anordnung befinden, sich jedoch in einem nicht erregten magnetischen Zustand nicht unbedingt berühren, wobei sich das offene Ende der flexiblen Keilwelle und das Bandzahnradmittel bei Vorhandensein eines Magnetfeldes in dem ersten Kern verziehen, um eine allgemein mehrnockige Form derart zu bilden, daß das Bandzahnradmittel auf der flexiblen Keilwelle einen Zahneingriff mit dem Zahnkranzmittel auf dem Nabenmittel an den nach außen vorstehenden Nocken an der dadurch gebildeten verzogenen Form aufweist.
Motor (110, 210, 310, 10A) mit flexibler Keilwelle mit einem Tragmittel (112/116, 212/216, 312/316, 15A), einem ersten zylinderförmigen elektromagnetischen Kern (144, 244, 344, 624, 824, 12A), einer flexiblen Keilwelle (124, 224, 324, 610, 810, 22A) und einem drehbaren Nabenmittel (152, 252, 352, 38A), die in einer Arbeitsanordnung auf dem Haltemittel angebracht sind, wobei der erste elektromagnetische Kern mit einer ersten Gruppe geeigneter Wicklungen (148, 248, 348, 32A) zur Erzeugung eines kommutierten, umlaufenden Magnetfelds versehen ist, die flexible Keilwelle einen scheibenförmigen Abschnitt (130, 230, 345, 34A) und einen zylinderförmigen Abschnitt (132, 232, 332) umfaßt, die einstückig miteinander verbunden sind, um die allgemeine Form einer offenendigen Blechdose zu bilden, die in einer solchen Weise an dem Tragmittel angebracht ist, daß sie den ersten elektromagnetischen Kern umschließt und sich in koaxialer Anordnung mit dem ersten elektromagnetischen Kern befindet, der zylinderförmige Abschnitt der flexiblen Keilwelle außerdem ein elastisch verformbares, magnetisch permeables Material umfaßt und sich in einem eng beabstandeten Verhältnis mit dem ersten Kern befindet, jedoch den ersten Kern in unerregtem magnetischen Zustand nicht unbedingt berührt, die flexible Keilwelle ein elastisch verformbares, inneres Bandzahnradmittel (142, 242, 342, 30A) aufweist, das daran auf der Innenfläche des zylinderförmigen Abschnitts in Form eines Bands nahe dem offenen Ende der flexiblen Keilwelle ausgebildet ist, das Nabenmittel auf dem Tragmittel angrenzend an die flexible Keilwelle und koaxial mit dieser angebracht ist, wobei das Nabenmittel ein komplementäres außenverzahntes Zahnkranzmittel (164, 264, 364, 36A) aufweist, das daran an einem Ende desselben ausgebildet ist, das Zahnkranzmittel von dem elastisch verformbaren innenverzahnten Bandzahnradmittel der flexiblen Keilwelle umgeben ist, wobei sich das Zahnkranzmittel und das Bandzahnradmittel in eng beabstandeter Anordnung befinden, sich jedoch in einem nicht erregten magnetischen Zustand nicht unbedingt berühren, das Bandzahnradmittel und das Zahnkranzmittel Zähne aufweisen, die miteinander kämmen, jedoch in der Anzahl verschieden sind und sich in eng beabstandeter Anordnung befinden, sich jedoch in einem nicht erregten magnetischen Zustand nicht unbedingt berühren, wobei das innere Bandzahnradmittel bei Vorhandensein eines Magnetfeldes in dem ersten Kern verzogen wird, um eine mehrnockige Form anzunehmen und an den nach innen vorstehenden Nocken der dadurch gebildeten mehrnockigen Form mit dem Zahnkranzmittel in Kontakt zu kommen.
Motor (410) mit flexibler Keilwelle nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Wellenmittel (472), wobei das Tragmittel eine Basis (412) und einen an der Basis befestigten hohlen Ständer (416) umfaßt, das Wellenmittel in dem Ständer zur Drehung in dem Ständer und zum Hindurchlaufen durch die Basis (474) in geeigneten Lagern (454, 456) gelagert ist, das Nabenmittel (452) an einem Ende gegenüber der Basis mit dem Wellenmittel verbunden ist; das Wellenmittel an beiden Enden des Motors zugänglich ist.
Motor (410) mit flexibler Keilwelle nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Wellenmittel, wobei das Tragmittel eine Basis und einen an der Basis befestigten hohlen Ständer umfaßt, das drehbare Nabenmittel an einer Stelle zwischen einem der Basis gegenüberliegenden Ende an dem Wellenmittel angebracht ist, das Wellenmittel in dem Ständer in geeigneten Lagern gelagert ist und in dem hohlen Ständer und dem ersten elektromagnetischen Kern verläuft, wobei das Wellenmittel an beiden Enden des Motors zugänglich ist.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die flexible Keilwelle mit einem magnetisch permeablen Band (280) oder einer Wendel aus einem magnetisch permeablen Drahtmaterial oder einem aufgeschrumpften Bund (281) überwickelt ist, um einen eingeschlossenen radialen Kompressionsdruck und eine Spannung zu erzeugen.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die flexible Keilwelle zur Verbesserung der Abnutzungseigenschaften einen harten Überzug auf dem Bandzahnradmittel umfaßt.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die flexible Keilwelle aus einem Verbundmaterial aus mit magnetischem Pulver gefüllten Polymer oder einem polymergebundenen Draht oder bandumwickelten magnetischen Material in Verbindung mit dem Bandzahnrad besteht.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der erste elektromagnetische Kern (624) einen magnetisch permeablen Kern aus einer Nabe und einer speichenförmigen Konstruktion umfaßt, der erste Kern gestapelte Schichten oder einen äquivalenten Verbund umfaßt, um eine einheitliche Konstruktion mit einer geraden Anzahl von in Radialrichtung beabstandeten, die Nabe umgebenden Profilstäben zu bilden, die erste Gruppe von Wicklungen eine Wicklung umfaßt, die zur Erzeugung eines Magnetfeldes in jeder Stange an jeder Stange befestigt ist, und die Wicklungen an jedem Paar einander gegenüber liegender Stäbe an der Nabe erregt werden, um einander entgegengesetzte Magnetfelder zu erzeugen.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Wicklungen jedes Paars einander entgegengesetzter Stäbe an der Nabe in einer reihenförmigen Anordnung verbunden sind.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der erste elektromagnetische Kern (524) eine Reihe gestapelter Schichten umfaßt, die zur Ausbildung eines einheitlichen Kerns mit einer Naben- (526) und einer Speichenkonfiguration (528) derart miteinander gestapelt sind, daß eine gerade Anzahl von Kernschenkeln (528) mit rechteckigem Profil in gleichmäßig beabstandeten Intervallen in Radialrichtung von der ersten Kernnabe ausgeht, die erste Reihe von Wicklungen ein Spulenmittel (530) an jedem Schenkel umfaßt, jede Spule nacheinander von einer geeigneten Elektroenergiequelle erregt wird, um in dem ersten Kern ein umlaufendes Magnetfeld zu erzeugen, und sich die in jedem einander gegenüber liegenden Paar von Kernschenkeln erzeugten Magnetkräfte in einem Kompensationsverhältnis befinden.
Motor mit flexibler Keilwelle nach Anspruch 10, wobei die Anzahl der Kernschenkel acht beträgt, und die Elektroenergiequelle eine vierphasige Quelle mit Frequenz-, Amplituden- und Kommutationssteuerung für die Wellenformen des Ausgangsstroms ist, und die Spulen an jeder Gruppe von zugeordneten Kernschenkelgruppen in einer kompensierenden Reihen- und Parallelanordnung mit der Elektroenergiequelle geschaltet sind.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der erste Kern (1344) eine kreisförmige Konfiguration umfaßt und eine Reihe von in Radialrichtung verlaufenden Zähnen mit rechteckigem Profil aufweist, die von dem ersten Kern vorstehen, wobei die Zähne Zähne (1350, 1352, 1354, 1356, 1358, 1360, 1362, 1364, 1366, 1368, 1370, 1372, 1374, 1376, 1378, 1380, 1382, 1384, 1386, 1388, 1390, 1392, 1394, 1396) mit veränderlichen Breiten aufweisen, die in einer regelmäßigen Abfolge um den Umfang des ersten Kerns herum angeordnet und durch Schlitze gleichmäßiger Breite getrennt sind.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der erste elektromagnetische Kern einen Stapel magnetisch permeabler Lamellen umfaßt, die zur der Form eines im Wesentlichen zylindrischen Kerns angeordnet sind, wobei der erste Kern eine Reihe vorstehender, rechteckig geformter Zähne (1350, 1352, 1354, 1356, 1358, 1360, 1362, 1364, 1366, 1368, 1370, 1372, 1374, 1376, 1378, 1380, 1382, 1384, 1386, 1388, 1390, 1392, 1394, 1396) mit zwei charakteristischen Breiten aufweist, die durch Schlitze gleicher Breite getrennt sind, und wobei Zähne von kleinerer Breite (1366, 1368, 1370, 1372, 1374, 1376, 1378, 1380, 1382, 1384, 1386, 1388, 1390, 1392, 1394, 1396) die doppelte Anzahl der Zähne größerer Breite (1350, 1352, 1354, 1356, 1358, 1360, 1362, 1364) ausmachen.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei jeder Kernzahn größerer Breite (1352, 1360) mit einer ersten Spule (1400, 1402) versehen ist und eine Sekundärspule (1404, 1406) derart gestaltet ist, daß sie die erste Spule sowie die Zähne kleinerer Breite auf beiden Seiten des ersten Kernzahns größerer Breite umschließt.
Motor mit flexibler Keilwelle (10A) nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, wobei der erste Kern (12A) die allgemeine Form eines Zylinders mit einer mit Rippen versehenen Außenfläche aufweist, die flexible Keilwelle (22A) die Form eines Hohlzylinders mit einer zylinderförmigen Innenfläche mit einer Keilwelle aufweist, die in der Innenfläche ausgebildet ist, um mit der mit Rippen versehenen Außenfläche des ersten Kerns gleitend zusammenzugreifen, wodurch eine Durchbiegung in Radialrichtung und die Übertragung eines Drehmoments möglich ist, sich die flexible Keilwelle jedoch nicht in Umfangsrichtung bewegen kann.
Motor mit flexibler Keilwelle (10A) nach Anspruch 2 oder Anspruch 4, wobei der erste Kern (12A) die allgemeine Form eines Zylinders mit einer mit Rippen versehenen Außenfläche aufweist, wobei die flexible Keilwelle (22A) die Form eines Hohlzylinders mit einer zylinderförmigen Innenfläche mit einer Keilwelle aufweist, die in der Innenfläche ausgebildet ist, um mit der mit Rippen versehenen Außenfläche des ersten Kerns gleitend zusammenzugreifen, wodurch eine Durchbiegung in Radialrichtung und die Übertragung eines Drehmoments möglich ist, sich die flexible Keilwelle jedoch nicht in Umfangsrichtung bewegen kann, wobei die flexible Keilwelle ein überlappendes, über den ersten Kern hinausragendes Ende aufweist, das innere Bandzahnradmittel an dem überlappenden Ende der flexiblen Keilwelle in koaxialer Anordnung mit dem ersten Kern und der flexiblen Keilwelle angeordnet angebracht ist.
Motor mit flexibler Keilwelle (10A) nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, wobei der scheibenförmige Abschnitt der flexiblen Keilwelle ein Drehpunkt ist und nahe dem Ende der flexiblen Keilwelle (22A) ein Haltering (34A) zum Einstellen und Stabilisieren der flexiblen Keilwelle an dem ersten Kern (12A) vorgesehen ist.
Motor mit flexibler Keilwelle nach einem der Ansprüche 1–5, ferner umfassend einen zweiten elektromagnetischen Kern (670, 870) und eine darauf angebrachte zweite Gruppe von Wicklungen, wobei der an dem Tragmittel angebrachte zweite elektromagnetische Kern koaxial mit dem ersten Kern (624, 824) ist, die flexible Keilwelle (610, 810) von dem zweiten elektromagnetischen Kern (670, 870) derart umschlossen ist, daß er koaxial zwischen dem ersten elektromagnetischen Kern (624, 824) und dem zweiten elektromagnetischen Kern (670, 870) in eng beabstandeter Anordnung mit dem ersten und dem zweiten Kern liegt, jedoch bei Fehlen eines Magnetfeldes die Kerne nicht berührt, wobei die flexible Keilwelle das in Radialrichtung über die Kerne hinaus ragende offene Ende aufweist, wobei das Bandzahnradmittel auf einer vorgegebenen Fläche an dem vorstehenden Teil der flexiblen Keilwelle und koaxial mit der flexiblen Keilwelle angebracht ist, und die erste und die zweite Gruppe von Wicklungen in dem ersten und dem zweiten Kern derart erregt werden, daß zwei umlaufende Magnetfelder in räumlicher Quadratur entstehen.
Primärantriebsvorrichtung zum Umwandeln zugeführter Elektroenergie in eine mechanische Drehbewegung eines Motors, wobei die Vorrichtung umfaßt: den Motor (10, 110, 210, 310, 410, 10A, 101) nach einem der Ansprüche 1–18, einen Kommutator zum Aufnehmen der zugeführten Elektroenergie und zum Aufschalten derselben auf die Wicklungen und dadurch in spezieller Weise zum Erregen und Aberregen der Wicklungen, wobei die ungenutzte Energie abzüglich einiger Verluste zu der Energiequelle zurück geleitet wird; ein zyklisches Betätigungselement zum Betätigen des Kommutators zum Erregen und Aberregen der Wicklungen nacheinander in einem optimalen Drehmuster; wobei die Vorrichtung derart angeordnet ist, daß durch die Betätigung des Kommutators in dem Drehmuster die mit Nocken versehene Konfiguration der elastisch-flexiblen Keilwelle in Drehung versetzt wird.
Primärantriebsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Statorfeldwicklung des Motors mit flexibler Keilwelle einen aus hohlem supraleitendem Material ausgebildeten Draht umfaßt.