WO2005048435A1 - Kompaktantrieb - Google Patents

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WO2005048435A1
WO2005048435A1 PCT/EP2004/011150 EP2004011150W WO2005048435A1 WO 2005048435 A1 WO2005048435 A1 WO 2005048435A1 EP 2004011150 W EP2004011150 W EP 2004011150W WO 2005048435 A1 WO2005048435 A1 WO 2005048435A1
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rotor shaft
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Josef Schmidt
Bernhard KÖHLER
Thomas Leichter
Jochen Mahlein
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Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a compact drive.
  • a compact drive is known from DE 197 14 784 A1, which comprises an electric motor, on the one end side of which a transmission is arranged and on the other end side of which a converter is arranged.
  • the electronics area or the motor area must be sealed against the gearbox.
  • the disadvantage here is that there is a large axial length and an output can only be provided on one end face of the compact drive.
  • the invention is therefore based on the object of developing a compact drive while avoiding the aforementioned disadvantages.
  • axial length should be saved and as many output variants as possible, that is to say single-sided and double-sided output, should be possible.
  • Essential features of the invention in the compact drive are that it comprises at least one electric motor, a brake, a gearbox and a converter, the output shaft of the gearbox and the rotor shaft being arranged parallel to one another, the center distance being determined by at least one gear stage, the first
  • Gear stage comprises a first toothed part connected to the rotor shaft and a second toothed part which engages with the latter, and is connected to an intermediate shaft, the brake, comprising at least one brake rotor shaft, being integrated in the housing of the compact drive, the brake rotor shaft being arranged parallel to the rotor shaft is, wherein the brake rotor shaft is connected to a toothing part which is in engagement with the second toothing part.
  • the advantage here is that the axial length can be saved and one-sided and double-sided output can be carried out.
  • no axial length is necessary for the braking function, but the brake can be arranged in parallel next to the motor. By means of the effect of the brake on the gear parts, it is also possible to increase or decrease the nominal braking torque.
  • the electric motor is a synchronous motor.
  • the advantage here is that highly dynamic positioning tasks can be carried out by the compact drive and / or high torque is available over the entire speed range.
  • the converter is arranged on the side of the rotor shaft.
  • the advantage here is that the overall length can be saved and both sides of the output shaft are accessible, that is, an output on both sides can be provided.
  • the transmission area is sealed against the environment and against the area of the motor and against the electronics area.
  • the gear unit area may include lubricating oil and the electronics as well as the stator and rotor parts remain protected from the lubricant.
  • the transmission area, the area of the motor and the electronics area are at approximately the same temperature level.
  • the advantage here is that no thermal insulation is necessary and thus material, mass and costs can be saved.
  • the motor comprises an encoder arranged at one end of the rotor shaft.
  • the compact drive can be used for positioning tasks and the encoder is protected by the housing of the compact drive.
  • a brake can be connected, which can also be protected by the housing of the compact drive.
  • the motor does not contain an encoder, but the position is determined using an estimation method, which saves axial installation space.
  • the rotor shaft remains completely inside the housing and therefore no seals from the rotor shaft to the surroundings are necessary. A single shaft sealing ring running on the rotor shaft is therefore sufficient. Since the rotor shaft can have a high speed, the heat production is therefore much smaller than in a motor that has two shaft seals, especially at its two axial ends of the rotor shaft.
  • the output shaft has, for example, three shaft sealing rings. However, since the speed is much lower than with the rotor shaft, the total heat production is smaller than with a drive solution in which both the rotor shaft and the output shaft have two shaft sealing rings.
  • At least one spur gear stage is used, as a result of which the axial length decreases and a cost-optimal solution is created.
  • the gear stage is designed as an adjusting gear with a variable transmission ratio, as a result of which the wear of the transmission stage from the speed range is minimized and the torque transmission is adapted to the load case. It is advantageous with the adjustment gear that even all seals to the engine compartment area can be omitted, since an adjustment gear, in particular a wide V-belt transmission, requires no or only insignificant amounts of lubricant. This means that only seals from the interior of the compact drive to the external environment are required.
  • the rotor shaft and at least one shaft of the transmission are mounted in the same housing part.
  • the advantage here is that an exact alignment of the shafts with respect to one another can already be achieved during the manufacture and machining of the housing part. This is because the housing part can be finished in just one clamping and the relative position of the bearing seats can thus be aligned very precisely with respect to one another.
  • a compact drive according to the invention is shown in an oblique view in FIG. 4, the gear 40 being indicated only symbolically.
  • a compact drive according to the invention is shown in section in FIG.
  • FIG. 3 A compact drive according to the invention is shown in section in FIG. 3, in which, in contrast to FIG. 2, the converter is arranged on the other side of the output shaft than the motor.
  • the symbolically indicated gear in FIG. 4 is designed differently in each case in the case of different design variants according to the invention.
  • it is designed as a spur gear, which is also illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the gear unit from FIG. 4 is designed as an adjusting gear unit.
  • This adjustment gearbox can either be designed as a VARIMOT gearbox from SEW-EURODRIVE, ie with two discs that rub against each other, or as a VARIBLOC gearbox from SEW-EURODRIVE, ie as
  • a chain can also advantageously be used instead of a V-belt.
  • the motor is arranged on the side of the output shaft.
  • the rotor shaft 13 and the output shaft 8 are thus arranged in parallel.
  • the center distance of these shafts is determined by the toothed parts of the spur gear stage, which consists of a pinion 14 which is positively and / or non-positively connected to the rotor shaft 13 and a gear 10 which is designed as a spur gear and which is connected to the output shaft 8.
  • the area of the transmission that is, the spur gear stage, is sealed off from the area of the electric motor.
  • the shaft sealing ring 15 seals these spatial areas on the rotor shaft, since the rotor shaft in the spatial area of the motor Permanent magnet 12 carries and in the area of the gearbox the pinion 14.
  • the shaft sealing ring 5 seals the area of the gearbox from the area of the motor on the output shaft 8, which is designed as a hollow shaft.
  • Spur gear stage another gear, comprising several gear stages, can be used.
  • the output shaft is not designed as a hollow shaft but as a solid shaft.
  • the output shaft is also the option of designing the output shaft in accordance with the standard for robot interfaces, which results in a very compact output with a small axial length.
  • the output shaft 8 is supported via the bearing 1 in the same housing part 21 in which the rotor shaft 13 is also supported via the bearing 18.
  • the housing parts 21 and 22 are provided with cooling devices 4 for dissipating the heat generated in the motor, transmission and converter.
  • the output shaft 8 is in turn supported by the other, axially opposite bearing (6, 9) in the same housing part 22 in which the rotor shaft 13 is also supported by the other bearing 20.
  • a major advantage of the compact drive is that no clutch is required between the engine and the gearbox, which means that additional parts are not required.
  • the engine and transmission even use the same housing parts together.
  • an exact alignment of the shafts with respect to one another can already be achieved during the manufacture and machining of the housing part, in that bearing seats for the engine and transmission, in particular the bearings 9 and 20 in particular, can be extremely precisely defined in their relative position to one another during manufacture. This is because the housing part can be finished in a single clamping in only one machine tool, and thus the relative position of the bearing seats can be aligned very precisely with respect to one another.
  • Another advantage is the shared use of a housing part is also that the compact drive not only requires a small construction volume in this way, but also has a particularly high stability, since the forces of the motor and the transmission are conducted to one another within the same housing part.
  • the stator 11 with the stator windings 16 is arranged around the rotor shaft 13.
  • This electric motor is designed as a multi-phase synchronous motor.
  • any other motors can be integrated into the compact drive instead of the synchronous motor.
  • the electronics room area 17 for the converter is not sealed off from the room area of the motor.
  • the motor carries a resolver at its one axial end, which comprises a resolver stator 19 and a resolver rotor 23.
  • angle sensors or angular velocity sensors can also be provided instead of the resolver.
  • a brake can also be integrated in the compact drive on the side opposite the angle sensor.
  • the converter is operated in such a way that the angle value is estimated by means of a method using a suitable motor model. This saves further axial length.
  • FIG. 2 Another variant of an exemplary embodiment according to the invention is shown in FIG. 2, in which the electronics area 31 is not directly to the area of the motor but the output shaft 8 is located in between.
  • the Shaft sealing ring 5 from the area of the gearbox against the electronics area 31, the shaft sealing ring 5 running on the output shaft 8 and seated in the housing part 21.
  • the gearbox area can be filled with lubricant, such as lubricating oil, grease or the like.
  • no particularly effective thermal insulation is provided between the room areas of the converter, that is to say the electronics room area, and the gearbox room area and the engine room area.
  • the room areas are therefore at approximately the same temperature level.
  • An approximately equal temperature level means a temperature difference of a maximum of 10 ° Celsius in continuous operation with nominal load.
  • a larger temperature difference between the room areas can be reached for a short time in the event of abrupt operation. It is advantageous and surprising in this embodiment that no special thermal insulation is necessary and thus material, mass and costs can be saved.
  • thermal insulation between two or more of the room areas can also be provided.
  • the motor is designed with multiple poles, in particular eight or ten poles.
  • the motor is advantageously designed in the manner of DE 100 49 883 or in the manner of DE 103 17 749.
  • a single gear stage together with such a multi-phase motor is sufficient to cover a wide range of gear ratios.
  • the hollow shaft is designed as an output shaft, not a hollow shaft, this output shaft being connectable to the device to be driven by means of a key connection.
  • the output shaft and the output-side housing part are designed in the manner of the robot interface EN-ISO 9402-1. This saves axial length and high torque can be transmitted. In addition, compatibility with corresponding devices to be driven and connected is achieved.
  • the electrical connection devices are provided on the back of the housing and are therefore not visible in FIGS. 1 to 4. In other exemplary embodiments according to the invention, however, other positions can also be provided for the connection devices.
  • connection devices are designed only as a power supply.
  • only power cables are led to the compact drive.
  • the transmission of data to or from the converter to another, in particular higher-level unit, which is necessary for data communication, takes place by means of modulation onto the power lines.
  • the modulation can be carried out in a known manner, in particular as is known from powerline communication or according to the FSK or according to the FH / PSK method, so do frequency hopping phase shift keying.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment according to the invention, in which the housing 60 has an area for the electric motor 51 which is separated by means of a housing wall 53.
  • the electric motor has a pinion which is connected to the rotor shaft of the electric motor 51 in a positive or non-positive manner and is in engagement with a second tooth part 54 of the first gear stage connected on an intermediate shaft.
  • This intermediate shaft is in turn connected to a further toothed part, namely the first toothed part 55 of the second gear stage, which engages with the second toothed part 56 of the second gear stage.
  • This toothed part 56 is connected to the output hollow shaft 57, which enables a compact connection to a device to be driven.
  • a brake 59 comprises a brake rotor which is connected to a pinion as toothing part 58 which is in engagement with the second toothing part of the first gear stage.
  • the electric motor 51 is therefore designed without a brake.
  • the brake 59 exerts its braking action via the pinion 58 on a toothed part. The braking effect is not direct, so to speak, but indirect.
  • the gear area is designed to be sealed with respect to the area of the electric motor and the brake.
  • the area of the brake and the motor do not have to be sealed off from one another.
  • the areas are arranged in corresponding housing pockets, the walls of which are the housing walls.
  • the electronics area that is to say the converter area, can also be sealed against the other areas, in particular against the gear area. No absolute seal is required from the electronics area to the engine area.
  • the cable bushings from the electronics area to the motor area and, if necessary, to the gearbox area are leakproof and have a high degree of protection.
  • the toothing parameters in FIG. 5 can be selected such that the braking torque of the brake transmitted to the rotor shaft is less than, greater than or equal to the nominal motor torque.
  • the brake can be made very small and compact. This saves construction volume.
  • an encoder is mechanically connected to the output shaft and electrically to the electronics area.
  • the encoder is an angular position encoder and / or a torque encoder. This means that the control software can be executed in the converter with particularly good control properties.
  • the compact drive has the same mechanical interface on the front and on the rear for connection to a device to be driven.
  • the output shaft is designed as a hollow shaft that runs from front to back. This means that the compact drive can be installed from both sides in a system or machine.
  • a series connection of compact drives can be carried out, whereby the torque can be increased overall.
  • the electric motor is designed as a synchronous motor. Slip losses can thus be reduced and the control accuracy can be improved.
  • the electric motor can be implemented as a reluctance motor in a cost-effective manner.
  • a gear stage in particular the most output side, is designed as an angular gear stage, in particular as a worm gear stage or spiroplan gear stage. This enables particularly compact designs.
  • the electronics area borders on the
  • Gearbox area and is separated from this only with a housing wall. Therefore, the heat generated by the electronics can be dissipated via the housing wall and the lubricant of the transmission.
  • the circulation of the lubricant which is increased by the movement of the toothed parts, is therefore a crucial means of dissipating the heat to the environment. Because the lubricant transports the heat to the other housing walls of the gear unit area and from there releases it to the environment. Heat can be removed in the same way if the motor area is adjacent to the transmission area via a housing wall.

Abstract

Kompaktantrieb, umfassend zumindest einen Elektromotor (51), eine Bremse (59), ein Getriebe (52-58) und einen Umrichter, wobei die Abtriebswelle (57) des Getriebes und die Rotorwelle (52) parallel zueinander angeordnet sind und der Achsabstand von zumindest einer Getriebestufe bestimmt ist, wobei die erste Getriebestufe ein erstes, mit der Rotorwelle verbundenes Verzahnungsteil (52) umfasst und ein mit diesem in Eingriff stehendes, zweites, mit einer Zwischenwelle verbundenes Verzahnungsteil (54), wobei die Bremse (59), umfassend zumindest eine Bremsrotorwelle, im Gehäuse des Kompaktantriebs integriert ist, wobei die Bremsrotorwelle (58) parallel zu der Rotorwelle (52) angeordnet ist, wobei die Bremsrotorwelle mit einem Verzahnungsteil (58) verbunden ist, das mit dem zweiten Verzahnungsteil (54) in Eingriff steht.

Description

Kompaktantrieb
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen Kompaktantrieb.
Aus der DE 197 14 784 A1 ist ein Kompaktantrieb bekannt, der einen Elektromotor umfasst, an dessen einer Stirnseite ein Getriebe und an dessen anderer Stirnseite ein Umrichter angeordnet ist. Dabei muss der Elektronikbereich beziehungsweise der Motorbereich gegen das Getriebe abgedichtet werden. Nachteilig ist dabei, dass eine große axiale Länge vorhanden ist und nur an einer Stirnseite des Kompaktantriebs ein Abtrieb zur Verfügung gestellt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kompaktantrieb weiterzubilden unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile. Insbesondere soll axiale Länge eingespart werden und möglichst viele Abtriebsvarianten, also einseitiger und doppelseitiger Abtrieb ausführbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Kompaktantrieb nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Kompaktantrieb sind, dass er zumindest einen Elektromotor, eine Bremse, ein Getriebe und einen Umrichter umfasst, wobei die Abtriebswelle des Getriebes und die Rotorwelle parallel zueinander angeordnet sind, wobei der Achsabstand von zumindest einer Getriebestufe bestimmt ist, wobei die erste
Getriebestufe ein erstes, mit der Rotorwelle verbundenes Verzahnungsteil umfasst und ein mit diesem in Eingriff stehendes, zweites, mit einer Zwischenwelle verbundenes Verzahnungsteil, wobei die Bremse, umfassend zumindest eine Bremsrotorwelle, im Gehäuse des Kompaktantriebs integriert ist, wobei die Bremsrotorwelle parallel zu der Rotorwelle angeordnet ist, wobei die Bremsrotorwelle mit einem Verzahnungsteil verbunden ist, das mit dem zweiten Verzahnungsteil in Eingriff steht.
Von Vorteil ist dabei, dass axiale Baulänge einsparbar ist und einseitiger und doppelseitiger Abtrieb ausführbar ist. Außerdem ist für die Bremsfunktion keine axiale Baulänge notwendig, sondern die Bremse ist parallel anordenbar neben dem Motor. Mittels der Wirkung der Bremse über die Verzahnungsteile ist es weiter ermöglicht, das Nenn-Bremsmoment zu vergrößern oder zu verkleinern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Elektromotor ein Synchronmotor. Von Vorteil ist dabei, dass hochdynamische Positionieraufgaben vom Kompaktantrieb ausführbar sind und/oder ein hohes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich verfügbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Umrichter seitlich von der Rotorwelle angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass Baulänge einsparbar ist und beide Seiten der Abtriebswelle zugänglich sind, also ein beidseitiger Abtrieb vorsehbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Getriebebereich gegen die Umgebung und gegen den Bereich des Motors sowie gegen den Elektronikraumbereich abgedichtet. Von Vorteil ist dabei, dass der Getriebebereich Schmieröl umfassen darf und die Elektronik sowie die Stator- und Rotorteile geschützt bleiben vor dem Schmiermittel.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich der Getriebebereich, der Bereich des Motors und der Elektronikraumbereich auf einem ungefähr gleichen Temperaturniveau. Von Vorteil ist dabei, dass keine Wärmedämmungen notwendig sind und somit Material, Masse und Kosten einsparbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Motor einen an dem einen Ende der Rotorwelle angeordneten Geber. Von Vorteil ist dabei, dass der Kompaktantrieb für Positionieraufgaben verwendbar ist und der Geber vom Gehäuse des Kompaktantriebs geschützt ist. An dem anderen Ende der Rotorwelle ist eine Bremse verbindbar, die ebenfalls vom Gehäuse des Kompaktantriebs schützbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung enthält der Motor keinen Geber, sondern wird die Lage mit Hilfe eines Schätzverfahrens ermittelt wodurch axialer Bauraum eingespart wird.
Wesentlicher Vorteil ist bei der Erfindung auch, dass die Rotorwelle ganz im Inneren des Gehäuses bleibt und somit keine Dichtungen von der Rotorwelle zur Umgebung hin notwendig sind. Es genügt somit also ein einziger Wellendichtring, der auf der Rotorwelle läuft. Da die Rotorwelle eine hohe Drehzahl aufweisen kann, ist somit die Wärmeproduktion sehr viel kleiner als bei einem Motor, der zwei Wellendichtringe aufweist, insbesondere an seinen beiden axialen Enden der Rotorwelle.
Die Abtriebswelle weist beispielsweise drei Wellendichtringe auf. Da die Drehzahl aber viel geringer ist als bei der Rotorwelle ist die Gesamtproduktion an Wärme kleiner als bei einer Antriebs-Lösung, bei welcher sowohl die Rotorwelle als auch die Abtriebswelle zwei Wellendichtringe aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Getriebes wird zumindest eine Stirnradstufe verwendet, wodurch die axiale Baulänge sinkt und eine kostenoptimale Lösung entsteht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Getriebestufe als Verstellgetriebe mit einem variablen Übersetzungsverhältnis ausgeführt, wodurch der Verschleiß der Getriebestufe vom Drehzahlbereich minimiert und die Drehmomentübersetzung an den Belastungsfall angepasst wird. Vorteilhaft ist bei dem Verstellgetriebe, dass sogar alle Dichtungen zum Motorraumbereich entfallen können, da ein Verstellgetriebe, insbesondere ein Breitkeilriemengetriebe, keinen oder nur unwesentliche Mengen von Schmierstoff benötigt. Somit sind nur Dichtungen vom Inneren des Kompaktantriebs zur äußeren Umgebung hin notwendig.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Rotorwelle und mindestens eine Welle des Getriebes im selben Gehäuseteil gelagert. Von Vorteil ist dabei, dass eine genaue Ausrichtung der Wellen zueinander schon bei der Fertigung und Bearbeitung des Gehäuseteils erreichbar ist. Denn das Gehäuseteil wird in nur einer Aufspannung endbearbeitbar und somit die relative Lage der Lagersitze sehr genau zueinander ausrichtbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bezugszeichenliste 1 Lager 2 Wellendichtring 5 3 Gehäusedeckel 4 Kühlvorrichtungen 5 Wellendichtring 6 Lager 7 Wellendichtring 10 8 Abtriebswelle 9 Lager 10 Zahnrad 11 Stator 12 Permanentmagnete 15 13 Rotorwelle 14 Ritzel 15 Wellendichtring 16 Statorwicklung 17 Elektronikraumbereich 20 18 Lager 19 Resolverstator 20 Lager 21 Gehäuseteil 22 Gehäuseteil 25 23 Resolverrotor 31 Elektronikraumbereich 40 Getriebe 51 Elektromotor 52 erstes Verzahnteil der ersten Getriebestufe 30 53 Motorgehäusewand 54 zweites Verzahnteil der ersten Getriebestufe 55 verbundenes erstes Verzahnteil der zweiten Getriebestufe 56 zweites Verzahnteil der zweiten Getriebestufe Abtriebs-Hohlwelle Verzahnungsteil Bremse Gehäuse Gehäusewand
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der Figur 4 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb in Schrägansicht gezeichnet, wobei das Getriebe 40 nur symbolisch angedeutet ist.
In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb in Schrägansicht gezeichnet.
In der Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb angeschnitten gezeigt.
In der Figur 3 ist ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb angeschnitten gezeigt, bei dem im Unterschied zu Figur 2 der Umrichter auf der anderen Seite von der Abtriebswelle als der Motor angeordnet ist.
Das symbolisch angedeutete Getriebe in Figur 4 ist bei verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten jeweils verschiedenartig ausgeführt. In einer ersten Variante ist es als Stirnradgetriebe ausgeführt, was in den Figuren 2 und 3 auch verdeutlicht ist. In einer anderen Variante ist das Getriebe aus Figur 4 als Verstellgetriebe ausgeführt. Dieses Verstellgetriebe ist entweder in der Art eines VARIMOT-Getriebes der Firma SEW- EURODRIVE ausführbar, also mit zwei aneinander reibenden Scheiben, oder in der Art eines VARIBLOC-Getriebes der Firma SEW-EURODRIVE ausführbar, also als
Breitkeilriemengetriebe wobei der Abstand zweier kegeliger Verstellscheiben die Übersetzung bestimmen. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist auch statt eines Keilriemens eine Kette vorteiligerweise verwendbar.
Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist der Motor seitlich von der Abtriebswelle angeordnet. Die Rotorwelle 13 und die Abtriebswelle 8 sind also parallel angeordnet. Der Achsabstand dieser Wellen ist bestimmt durch die Verzahnungsteile der Stirnradgetriebestufe, die aus einem mit der Rotorwelle 13 formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbundenen Ritzel 14 und einem als Stirnrad ausgeführten Zahnrad 10, das mit der Abtriebswelle 8 verbunden ist, besteht.
Der Raumbereich des Getriebes, also der Stirnradgetriebestufe, ist von dem Raumbereich des Elektromotors abgedichtet ausgeführt. Der Wellendichtring 15 dichtet diese Raumbereiche an der Rotorwelle ab, da die Rotorwelle im Raumbereich des Motors die Permanentmagnete 12 trägt und im Raumbereich des Getriebes das Ritzel 14. Der Wellendichtring 5 dichtet den Raumbereich des Getriebes vom Raumbereich des Motors an der Abtriebswelle 8 ab, die als Hohlwelle ausgeführt ist.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist statt der gezeigten
Stirnradgetriebestufe ein anderes Getriebe, umfassend mehrere Getriebestufen, einsetzbar.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Abtriebswelle nicht Hohlwelle sondern als Vollwelle ausgebildet. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die Abtriebswelle gemäß der Norm für Roboterschnittstellen auszubilden, wodurch ein sehr kompakter Abtrieb mit geringer axialer Baulänge entsteht.
Die Abtriebswelle 8 ist über das Lager 1 in demselben Gehäuseteil 21 gelagert, in welchem auch die Rotorwelle 13 über das Lager 18 gelagert ist.
Mittels des auf der Abtriebswelle 8 laufenden und in das Gehäusedeckels 3 eingesetzten Wellendichtrings 2 ist der Raumbereich des Motors gegen die Umgebung abgedichtet.
Die Gehäuseteile 21 und 22 sind mit Kühlvorrichtungen 4 versehen zur Abführung der im Motor, Getriebe und Umrichter entstehenden Wärme.
Die Abtriebswelle 8 ist über das andere, axial gegenüber liegende Lager (6,9) wiederum in dem selben Gehäuseteil 22 gelagert, in welchem auch die Rotorwelle 13 über das andere Lager 20 gelagert ist.
Wesentlicher Vorteil bei dem Kompaktantrieb ist, dass keine Kupplung zwischen Motor und Getriebe notwendig ist und somit zusätzliche Teile entfallen. Insbesondere verwenden Motor und Getriebe sogar gleiche Gehäuseteile gemeinsam. Darüber hinaus ist eine genaue Ausrichtung der Wellen zueinander schon bei der Fertigung und Bearbeitung des Gehäuseteils erreichbar, indem Lagersitze für Motor und Getriebe, insbesondere beispielhaft die Lager 9 und 20, in ihrer relativen Lage zueinander beim Herstellen äußerst genau festlegbar sind. Denn das Gehäuseteil wird in nur einer Werkzeugmaschine in einer einzigen Aufspannung endbearbeitbar und somit die relative Lage der Lagersitze sehr genau zueinander ausrichtbar. Weiter vorteilhaft an der gemeinsamen Nutzung eines Gehäuseteils ist auch, dass der Kompaktantrieb auf diese Weise nicht nur ein kleines Bauvolumen benötigt sondern auch eine besonders hohe Stabilität aufweist, da die Kräfte des Motors und des Getriebes innerhalb desselben Gehäuseteils zueinander geleitet werden.
Mittels des auf der Abtriebswelle 8 laufenden und in das Gehäuseteil 22 eingesetzten Wellendichtrings 7 ist der Raumbereich des Getriebes gegen die Umgebung abgedichtet.
Der Stator 11 mit den Statorwicklungen 16 ist um die Rotorwelle 13 herum angeordnet.
Dieser Elektromotor ist als Mehrphasen-Synchronmotor ausgeführt. Es sind jedoch bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch beliebige andere Motoren statt des Synchronmotors integrierbar in den Kompaktantrieb.
Der auf der Rotorwelle laufende, in das Gehäuseteil 22 eingesetzte Wellendichtring 15 dichtet den Raumbereich des Getriebes vom Raumbereich des Motors ab.
Der Elektronikraumbereich 17 für den Umrichter ist zum Raumbereich des Motors nicht abgedichtet.
Der Motor trägt an seinem einen axialen Ende einen Resolver, der einen Resolverstator 19 und einen Resolverrotor 23 umfasst.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind statt des Resolvers auch andere Winkelsensoren oder Winkelgeschwindigkeitssensoren vorsehbar. Auch ist bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen an der dem Winkelsensor gegenüberliegenden Seite eine Bremse in den Kompaktantrieb integrierbar.
Bei wiederum anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Umrichter derart betrieben, dass mittels eines Verfahrens der Winkelwert geschätzt wird unter Verwendung eines geeigneten Motor-Modells. Somit ist weitere axiale Baulänge einsparbar.
In der Figur 2 ist eine andere Variante eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gezeigt, bei dem der Elektronikraumbereich 31 nicht direkt zum Raumbereich des Motors ist sondern die Abtriebswelle 8 dazwischen liegt. In diesem Beispiel dichtet dann der Wellendichtring 5 den Raumbereich des Getriebes gegen den Elektronikraumbereich 31 ab, wobei der Wellendichtring 5 auf der Abtriebswelle 8 läuft und im Gehäuseteil 21 sitzt.
Der Getrieberaumbereich ist mit Schmierstoff, wie Schmieröl, Schmierfett oder dergleichen, befüllbar.
Bei den gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist keine besonders wirkungsvolle Wärmedämmung zwischen den Raumbereichen des Umrichters, also dem Elektronikraumbereich, und dem Getriebe-Raumbereich sowie dem Motorraumbereich vorgesehen. Somit liegen die Raumbereiche auf ungefähr einem gleichen Temperaturniveau. Ein ungefähr gleiches Temperaturniveau bedeutet einen Temperaturunterschied von maximal 10 ° Celsius im Dauerbetrieb mit Nennlast. Selbstverständlich ist bei stoßartigem Betrieb kurzfristig eine größere Temperaturdifferenz der Raumbereiche erreichbar. Vorteilig und überraschend ist bei dieser Ausführung, dass keine spezielle Wärmedämmung nötig ist und somit Material, Masse und Kosten einsparbar sind.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch Wärmedämmungen zwischen zweien oder mehreren der Raumbereiche vorsehbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Motor hochpolig ausgeführt, insbesondere acht- oder zehnpolig. Der Motor ist vorteiligerweise nach Art der DE 100 49 883 ausgeführt oder nach Art der DE 103 17 749. Somit ist im Kompaktantrieb eine einzige Getriebestufe zusammen mit einem solchen Mehrphasenmotor ausreichend, um einen weiten Bereich an Übersetzungszahlen zu überdecken.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist als Abtriebswelle keine Hohlwelle sondern ein zylindrischer Wellenstumpf ausgeführt, wobei diese Abtriebswelle mittels Passfederverbindung mit der anzutreibenden Vorrichtung verbindbar ist.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Abtriebswelle und das abtriebsseitige Gehäuseteil nach Art der Roboterschnittstelle EN-ISO 9402 - 1 ausgeführt. Somit ist axiale Baulänge einsparbar und ein hohes Drehmoment übertragbar. Außerdem ist Kompatibilität mit entsprechenden, anzutreibenden und anzuschließenden Vorrichtungen erreicht. Die elektrischen Anschlussvorrichtungen sind auf der Rückseite des Gehäuses vorgesehen und daher in den Figuren 1 bis 4 nicht sichtbar. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind jedoch auch andere Positionen für die Anschlussvorrichtungen vorsehbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die Anschlussvorrichtungen nur als Energieversorgung ausgeführt. Insbesondere sind nur Starkstromkabel zum Kompaktantrieb geführt. Die für die Datenkommunikation notwendige Übertragung von Daten zum oder vom Umrichter zu einer anderen, insbesondere übergeordneten Einheit, erfolgt dabei mittels Aufmodulation auf die Leistungsleitungen. Die Aufmodulation ist in bekannter Weise ausführbar, insbesondere wie aus der Powerline-Kommunikation oder nach dem FSK oder nach dem FH/PSK-Verfahren, also mache dem Frequency Hopping Phase Shift Keying, bekannt.
In der Figur 5 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Gehäuse 60 einen mittels einer Gehäusewand 53 abgetrennten Bereich für den Elektromotor 51 aufweist. Der Elektromotor weist als erstes Verzahnteil 52 der ersten Getriebestufe ein Ritzel auf, das mit der Rotorwelle des Elektromotors 51 formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden ist und mit einem auf einer Zwischenwelle verbundenen zweiten Verzahnteil 54 der ersten Getriebestufe im Eingriff steht. Diese Zwischenwelle ist wiederum mit einem weiteren Verzahnungsteil, nämlich dem ersten Verzahnteil 55 der zweiten Getriebestufe, verbunden, das mit dem zweiten Verzahnteil 56 der zweiten Getriebestufe im Eingriff steht. Dieses Verzahnteil 56 ist mit der Abtriebs-Hohlwelle 57 verbunden, die ein kompaktes Verbinden mit einer anzutreibenden Vorrichtung ermöglicht. Wesentlich ist nun, dass eine Bremse 59 einen Bremsrotor umfasst, der mit einem Ritzel als Verzahnungsteil 58 verbunden ist, das mit dem zweiten Verzahnungsteil der ersten Getriebestufe im Eingriff steht. Der Elektromotor 51 ist also ohne Bremse ausgeführt. Die Bremse 59 übt ihre Bremswirkung über das Ritzel 58 auf ein Verzahnungsteil aus. Die Bremswirkung ist sozusagen nicht direkt sondern indirekt ausgeführt.
Wesentlich bei der Ausführungsform nach Figur 5 ist auch, dass der Getriebebereich abgedichtet ausgebildet ist gegenüber dem Bereich des Elektromotors und der Bremse. Der Bereich der Bremse und des Motors müssen zueinander nicht abgedichtet sein. Die Bereiche sind in entsprechende Gehäusetaschen eingeordnet, deren Wände die Gehäusewände sind. Der Elektronikbereich, also der Umrichterbereich, ist auch abdichtbar gegen die anderen Bereiche, insbesondere gegen den Getriebebereich. Zum Motorbereich hin ist vom Elektronikbereich her keine absolute Abdichtung notwendig. Auch die Kabeldurchführungen vom Elektronikbereich zum Motorenbereich und gegebenenfalls zum Getriebebereich sind dicht und in hoher Schutzart ausgeführt.
Die Verzahnungsparameter in Figur 5 sind derart wählbar, dass das auf die Rotorwelle übertragene Bremsmoment der Bremse kleiner, größer oder gleich dem Motor-Nennmoment ist. Insbesondere bei einer Auslegung, bei der das übertragene Bremsmoment größer ist als das Motor-Nennmoment, ist die Bremse sehr klein und kompakt ausführbar. Somit wird Bauvolumen einsparbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist ein Geber mechanisch mit der Abtriebswelle und elektrisch mit dem Elektronikbereich verbunden. Der Geber ist ein Winkellagegeber und/oder ein Drehmomentengeber. Somit ist die Regel-Software im Umrichter mit besonders guten Regeleigenschaften ausführbar.
Bei weiter vorteilhafter Ausgestaltung weist der Kompaktantrieb an der Vorderseite und an der Rückseite dieselbe mechanische Schnittstelle auf zur Verbindung mit einer anzutreibenden Vorrichtung. Dazu ist die Abtriebswelle als von Vorderseite bis Rückseite durchgehende Hohlwelle ausgeführt. Somit ist der Kompaktantrieb von beiden Seiten in eine Anlage oder Maschine einbaubar. Darüber hinaus ist auch eine Serienschaltung von Kompaktantrieben ausführbar, wodurch das Drehmoment insgesamt erhöhbar ist.
Bei weiter vorteilhafter Ausgestaltung ist der Elektromotor als Synchronmotor ausgeführt. Somit sind Schlupfverluste reduzierbar und die Regelgenauigkeit verbesserbar.
Bei anderer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Elektromotor als Reluktanzmotor in kostengünstiger Weise ausführbar.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Bremse mit ihrem Ritzel statt mit dem zweiten mit dem ersten Verzahnungsteil im Eingriff und übt somit die Bremswirkung direkter aus. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist eine Getriebestufe, insbesondere die abtriebsseitigste, als Winkelgetriebestufe, insbesondere als Schneckengetriebestufe oder Spiroplangetriebestufe, ausgeführt. Somit sind besonders kompakte Bauformen ermöglicht.
Bei vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung grenzt der Elektronikbereich an den
Getriebebereich und ist von diesem nur mit einer Gehäusewand getrennt. Daher ist die von der Elektronik erzeugte Wärme über die Gehäusewand and den Schmierstoff des Getriebes abführbar. Die Zirkulation des Schmierstoffes, die durch die Bewegung der Verzahnungsteile vergrößert wird, ist somit ein entscheidendes Mittel zum Abtransport der Wärme an die Umgebung. Denn vom Schmierstoff wird die Wärme zu den anderen Gehäusewänden des Getriebebereiches transportiert und von dort abgegeben an die Umgebung. Auf dieselbe Weise ist Wärme abtransportierbar, wenn der Motorbereich über eine Gehäusewand an den Getriebebereich angrenzt.

Claims

Patentansprüche:
1. Kompaktantrieb,
umfassend zumindest einen Elektromotor, eine Bremse, ein Getriebe und einen Umrichter,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abtriebswelle des Getriebes und die Rotorwelle parallel zueinander angeordnet sind
und der Achsabstand von zumindest einer Getriebestufe bestimmt ist,
wobei die erste Getriebestufe ein erstes, mit der Rotorwelle verbundenes Verzahnungsteil umfasst und ein mit diesem in Eingriff stehendes, zweites, mit einer Zwischenwelle verbundenes Verzahnungsteil,
wobei die Bremse, umfassend zumindest eine Bremsrotorwelle, im Gehäuse des Kompaktantriebs integriert ist,
wobei die Bremsrotorwelle parallel zu der Rotorwelle angeordnet ist,
wobei die Bremsrotorwelle mit einem Verzahnungsteil verbunden ist, das mit dem zweiten Verzahnungsteil in Eingriff steht.
2. Kompaktantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse eine elektromagnetisch betätigbare Bremse ist.
3. Kompaktantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Bremse eine piezoelektrisch Bremse vorgesehen ist.
4. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Getriebestufe als Stirnradgetriebestufe ausgeführt ist.
5. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebestufe als Verstellgetriebe ausgeführt ist, insbesondere als Breitkeilriemengetriebe oder Kettenantrieb.
6. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Synchronmotor und/oder ein permanenterregter Motor ist.
7. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter seitlich von der Rotorwelle angeordnet ist.
8. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebebereich gegen die Umgebung und gegen den Bereich des Motors sowie gegen den Elektronikraumbereich abgedichtet ist.
9. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebebereich, der Bereich des Motors und der Elektronikraumbereich auf einem ungefähr gleichen Temperaturniveau sich befinden.
10. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor einen Geber, insbesondere umfassend einen Resolver-Stator und einen Resolver- Rotor, umfasst.
11. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Rotorwelle und mindestens eine Welle des Getriebes im selben Gehäuseteil gelagert sind.
12. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein einziger Wellendichtring auf der Rotorwelle läuft.
13. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wellendichtringe auf der Abtriebswelle laufen.
14. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus Gehäuseteilen und Gehäusedeckeln zusammengesetzt ist, insbesondere zwei Gehäuseteilen und einem Gehäusedeckel.
15. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusedeckel als Halterung für eine elektronische Schaltung vorgesehen ist oder eine elektronische Schaltung im Gehäusedeckel integriert ist.
16. Kompaktantrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel mit der elektronischen Schaltung elektrisch mittels elektrischer Steckverbinder mit dem restlichen Kompaktantrieb verbunden ist, insbesondere zur schnellen und einfachen Austauschbarkeit des Gehäusedeckels bei Wartungsarbeiten oder Reparaturen.
17. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel mit seiner Normalenrichtung senkrecht zur Abtriebswelle ausgerichtet ist.
18. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlussvorrichtungen für Leistungsleitungen an einem Gehäuseteil des Kompaktantriebs vorgesehen sind.
19. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompaktantrieb zumindest eine elektronische Schaltung zur Aufmodulation oder Demodulation von Information auf die Leistungsleitungen umfasst.
20. Kompaktantrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abtriebsseitigste Getriebestufe als Winkelgetriebestufe, insbesondere als Schneckengetriebestufe oder Spiroplangetriebestufe, ausgeführt ist.
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