Doppeltwirkender Generator Die vorliegende Erfindung betrifft einen doppeltwirkenden Generator zur Anordnung auf einem Antriebsstrangelement.

Eine Erfassung von Betriebsgrößen wie Drehmoment, Temperatur, Schwingungen und elektrische Potenziale erlaubt Rückschlüsse auf die notwendige Auslegung von Antriebstrangelementen wie Getrieben für spezifische Applikationen. Das Drehmoment lie ^¬ fert entscheidende Aussagen über die Belastung von rotierenden Teilen, insbesondere Getriebewellen. Stand der Technik im Bereich Drehmomentmessung ist die Erfassung von durch ein Drehmoment hervorgerufenen Spannungen in den Wellen mit berührungsbehafteten Messmethoden, z.B. mittels auf der Welle befestigter Dehnmessstreifen (= DMS) , oder mit berührungslosen Messmethoden, z.B. optischen (z.B. Faser-Bragg-Sensoren) , schwingungsbasierten (z.B. SAW- (= Surface Active Wave) - Sensoren) oder magnetostriktiven Messmethoden. Weitere

Messgrößen auf rotierenden Teilen sind ebenfalls von Interesse, z.B. Temperatur, Körperschall.

Die dafür benötigten Messsysteme mit Sensorik und Signalaus- wertung müssen mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Energieversorgung und die Übertragung der Messdaten erfolgt heute typisch durch induktive Telemetrie-Systeme . Diese Lö ^¬ sung ist zwar technisch ausgereift, aber aufgrund der Kosten nur für ausgesuchte Einzelfälle geeignet. Eine Flottenausrüs- tung mit Drehmomentüberwachungssystemen ist aus Kostengründen heute nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Versorgung eines Antriebstrangelements mit elektrischer Energie zu verbes- sern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Doppelgenera ^¬ tor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Der erfindungsgemäße Generator ist ein doppeltwirkender Generator. Er ist zur Anordnung auf einem Antriebsstrangelement, z.B. einem Getriebe, geeignet. Der Generator weist eine erste Stator-Rotor-Einheit zur elektrischen Versorgung von Strom- Verbrauchern auf einem rotierenden Teil, z.B. einer Welle, des Antriebsstrangelements auf. Der Generator weist außerdem eine zweite Stator-Rotor-Einheit zur elektrischen Versorgung von Stromverbrauchern auf einem feststehenden Teil, z.B. einem Getriebegehäuse, des Antriebsstrangelements auf. Die ers- te Stator-Rotor-Einheit umfasst einen Magnet zur Anordnung auf einem feststehenden Teil des Antriebsstrangelements und eine Leiterschleife zur Anordnung auf einem rotierenden Teil des Antriebsstrangelements. Die zweite Stator-Rotor-Einheit umfasst einen Magnet zur Anordnung auf einem rotierenden Teil des Antriebsstrangelements und eine Leiterschleife zur Anord ^¬ nung auf einem feststehenden Teil des Antriebsstrangelements.

Der Begriff „Magnet" umfasst sowohl einen Dauermagneten als auch einen Elektromagneten (Feldspule oder Erregerwicklung genannt) .

Der Begriff „Stator-Rotor-Einheit" beschreibt, dass das der Stator und der Rotor miteinander wechselwirkende Bauelemente bilden, wobei durch die Wechselwirkung elektrischer Strom ge- neriert werden kann. Der erfindungsgemäße Generator umfasst zwei solcher Stator-Rotor-Einheiten mit umgekehrter Anordnung von Rotor und Stator auf den rotierenden bzw. feststehenden Teilen des Antriebsstrangelements. Das Gesamtsystem des dop ^¬ peltwirkenden Generators umfasst also mindestens zwei Stator- Rotor-Einheiten als eigenständig elektrische Energie erzeu ^¬ gende Teil- bzw. Halbsysteme. Die beiden unabhängigen Wicklungssysteme können sich jedoch, bezogen auf ihre induktive Wechselwirkung, durchaus örtlich überlagern und müssen nicht örtlich getrennt angeordnet sein; d.h. die Spulen dürfen sich rückwirkend mit ihrem magnetischen Fluss durchdringen. Das Problem der Energieversorgung von Signalerfassungssystemen, z.B. für das Drehmoment, auf rotierenden Teilen wird erfindungsgemäß durch einen doppeltwirkenden Generator gelöst. Der doppeltwirkende Generator besteht im Gegensatz zu bekannten Generatorlösungen aus zwei Halbsystemen, die jeweils unabhängig voneinander die Energieversorgung auf dem rotierenden und feststehenden Teil des Antriebsstrangelements sicher ^¬ stellen. Die Aufteilung der durch die Stator-Rotor-Einheiten bereitgestellten elektrischen Energie kann in geeigneter Art und Weise entsprechend der Energiebedarfe geregelt werden. Dies mag auch in Form der Bauausführung, z.B. mittels der jeweiligen Baugröße der Stator-Rotor-Einheiten, erzielt werden. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass durch die einfache und kostengünstige Möglichkeit einer Stromversorgung sowohl der rotierenden als auch der feststehenden Bauteile teure und empfindliche Energieübertragungssysteme wie z.B. induktive Übertragungsspulen, Schleifringe, etc. entfallen können.

Bei bisher verwendeten Generatoren muss, je nach Anordnung der Leiterschleifen auf dem Rotor oder dem Stator, die erzeugte elektrische Energie zu dem jeweils anderen Bauteil mittels Induktion übertragen werden. In vorteilhafter Art und Weise kann bei Einsatz der Erfindung die induktive Energie ^¬ übertragung entfallen und somit die Leistung des Generators deutlich kleiner ausgeführt werden, da die Energieverluste der zu übertragenden Leistung von der stehenden Seite auf die drehende Seite nicht auftreten. Damit kann ein deutlich kleineres Gesamtsystem aufgebaut werden, was zu Kosteneinspa ^¬ rungen führt

Der vorgeschlagene Generator ist einfach an bestehenden Antriebsstrangelementen nachrüstbar, insbesondere bei einer In- stallation an einem Wellenende.

Durch den vorgeschlagenen Generator wird ein energieautarker Betrieb von Signalerfassungssystemen in abgeschlossenen Sys- temen wie z.B. Getrieben verbessert. Doch der Einsatz der Erfindung ist nicht auf Getriebe beschränkt. Möglich ist auch ein Einsatz in Motoren, z.B. zur Versorgung eines Gebers. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei dem doppeltwirkenden Generator kann es sich um einen permanenterregten Synchrongenerator oder einen Klauenpolgenera- tor handeln, der mindestens zwei Halbsystemen aufweist. Ein erstes Halbsystem umfasst einen Permanentmagneten auf dem feststehenden Teil, d.h. den Stator, und ein Spulensystem auf dem bewegten Teil, d.h. den Rotor, z.B. in Form einer Welle. Dieses erste Halbsystem dient zur Energieversorgung von

Stromverbrauchern auf dem Rotor. Ein zweites Halbsystem umfasst invers dazu einen Permanentmagneten auf dem Rotor und ein Spulensystem auf dem Stator, und liefert Energie für den feststehenden Teil. Die Erregung kann alternativ zu gesinterten Permanentmagneten kostengünstig vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, aus kunststoffgebundenen NdFeBr-Magneten oder Ferritmagneten, oder auch elektrisch, z.B. mittels eines Asynchrongenerators, oder von der Spulenseite aus, z.B. mittels eines ständerer- regter Permanentmagnet-Generators, erfolgen.

Auf diese Weise wird eine mit-rotierende Signalerfassung, z.B. für Drehmoment auf der Welle, sowie eine feststehende Auswerte- und Speicherbaugruppe jeweils aus einem Halbsystem der Energieerzeugungseinheit versorgt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erste Stator-Rotor-Einheit zur Montage im Bereich eines Um- fangs einer Welle ausgebildet, wobei jeweils entweder der Stator oder der Rotor auf einem äußeren oder inneren Wellenumfang und der zu dem Stator bzw. Rotor korrespondierende andere Teil der Stator-Rotor-Einheit auf einem mit dem Gehäuse fest verbundenen Bauelement montierbar ist. Gemäß einer be- vorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Stator- Rotor-Einheit zur Montage im Bereich eines Umfangs einer Wel ^¬ le ausgebildet, wobei jeweils entweder der Stator oder der Rotor auf einem äußeren oder inneren Wellenumfang und der zu dem Stator bzw. Rotor korrespondierende andere Teil der

Stator-Rotor-Einheit auf einem mit dem Gehäuse fest verbunde ^¬ nen Bauelement montierbar ist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erste und zweite Stator- Rotor-Einheit zur Montage im Bereich eines Umfangs einer Wel- le ausgebildet, wobei jeweils entweder der Stator oder der

Rotor auf einem äußeren oder inneren Wellenumfang und der zu dem Stator bzw. Rotor korrespondierende andere Teil der

Stator-Rotor-Einheit auf einem mit dem Gehäuse fest verbunde ^¬ nen Bauelement montierbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erste Stator-Rotor-Einheit zur Montage im Bereich eines Endes einer Welle ausgebildet, wobei jeweils entweder der Stator oder der Rotor auf einer Stirnseite der Welle und der zu dem Stator bzw. Rotor korrespondierende andere Teil der Stator- Rotor-Einheit auf einem mit dem Gehäuse fest verbundenen Bau ^¬ element montierbar ist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Stator-Rotor-Einheit zur Montage im Bereich eines Endes einer Welle ausgebildet, wobei jeweils entweder der Stator oder der Rotor auf einer Stirnseite der Welle und der zu dem Stator bzw. Rotor korrespondierende an ^¬ dere Teil der Stator-Rotor-Einheit auf einem mit dem Gehäuse fest verbundenen Bauelement montierbar ist. Gemäß einer be ^¬ vorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erste und die zweite Stator-Rotor-Einheit zur Montage im Bereich eines En ^¬ des einer Welle ausgebildet, wobei jeweils entweder der

Stator oder der Rotor auf einer Stirnseite der Welle und der zu dem Stator bzw. Rotor korrespondierende andere Teil der Stator-Rotor-Einheit auf einem mit dem Gehäuse fest verbunde- nen Bauelement montierbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erste und/oder zweite Stator-Rotor-Einheit in Form eines Ra- dialflussgenerators bzw. eines Axialflussgenerators ausgebil ^¬ det .

Die Signalübertragung zwischen rotierendem und feststehendem Teil kann dabei auf bekannte Weise erfolgen, z.B. induktiv durch ein zusätzliches Spulensystem, per Funkübertragung oder optisch. Alternativ kann eine Signalübertragung von einem rotierenden Teil des Antriebsstrangelements zu einem festste ^¬ henden Teil des Antriebsstrangelements durch eine gezielte Belastung einer Spule auf dem rotierenden Teil und eine dadurch erzeugte Wechselwirkung in einer Spule auf dem feststehenden Teil erfolgen. Dies erfolgt in geeigneter Weise in Form einer Modulation der induktiv erzeugten Wellen in den Spulensystemen, mit denen die Daten geeignet digital codiert übertragen werden können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Antriebsstrangele ^¬ ment mit einem doppeltwirkenden Generator, wie oben beschrieben. Dabei umfasst die erste Stator-Rotor-Einheit einen auf einem feststehenden Teil des Antriebsstrangelements angeord ^¬ neten Magnet und eine auf einem rotierenden Teil des Antriebsstrangelements angeordnete Leiterschleife und die zwei ^¬ te Stator-Rotor-Einheit einen auf einem rotierenden Teil des Antriebsstrangelements angeordneten Magnet und eine auf einem feststehenden Teil des Antriebsstrangelements angeordnete Leiterschleife .

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebsstrangelements mit dem doppeltwirkenden Generator ist der feststehende Teil ein Gehäuse oder ein damit fest verbundenes Bauelement des Antriebsstrangelements und der rotierende Teil eine Wel ^¬ le.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebsstrangele- ments mit dem doppeltwirkenden Generator ist der rotierende Teil eine Welle mit einer stirnseitigen Ausnehmung und der feststehende Teil ein mit dem Gehäuse fest verbundener Bol ^¬ zen, welcher in die Ausnehmung hinein ragt, wobei der Magnet der ersten Stator-Rotor-Einheit auf dem Bolzen und die Lei ^¬ terschleife der ersten Stator-Rotor-Einheit an einer Innen ^¬ fläche der Ausnehmung angeordnet und der Magnet und die Lei ^¬ terschleife der zweiten Stator-Rotor-Einheit invers dazu an ^¬ geordnet sind .

Der doppeltwirkende Generator kann auf dem Umfang einer Welle, z.B. direkt am Ort der Signalerfassung angeordnet werden, alternativ ist eine Befestigung am Wellenende möglich.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen jeweils schematisch und nicht maßstabsge ^¬ treu

Fig. 1 bis 3

das Prinzip des doppeltwirkenden Generators;

Fig. 4 einen doppeltwirkenden Generator auf einem Wellen- umfang mit einem System zur Signalerfassung auf einer Welle und zur Übertragung auf den feststehenden Teil; und

Fig. 5 einen in eine Welle integrierten doppeltwirkenden

Generator;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines doppeltwirkenden Genera ^¬ tors an einem Wellenende; und Fig. 7 eine Draufsicht auf die Stirnseite der in Fig. 6 gezeigten Welle.

Fig. 1 zeigt eine rotierbare Welle 6 eines Antriebsstrangele ments, an deren Umfang ein doppeltwirkender Generator 3 ange ordnet ist. Der doppeltwirkende Generator 3 umfasst eine ers te Stator-Rotor-Einheit 3a zur Versorgung rotierender Stromverbraucher des Antriebsstrangelements und eine zweite Stator-Rotor-Einheit 3b zur Versorgung stationärer Stromverbraucher des Antriebsstrangelements.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II durch die in Fig. 1 gezeigte erste Stator-Rotor-Einheit 3a. Ein stationärer segmentierter Magnetring 32 ist der am feststehenden Teil des Antriebsstrangelements, z.B. einem Getriebegehäuse, angeordnete

Stator 8 der ersten Stator-Rotor-Einheit 3a. Eine Wicklung von Leiterschleifen 38 ist der an der Welle 6 des Antriebs- Strangelements angeordnete Rotor 10 der ersten Stator-Rotor- Einheit 3a.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt III-III durch die in Fig. 1 gezeigte zweite Stator-Rotor-Einheit 3b. Ein stationärer seg- mentierter Magnetring 32 ist der an der Welle 6 des Antriebsstrangelements angeordnete Rotor 10 der zweiten Stator-Rotor- Einheit 3b. Eine Wicklung von Leiterschleifen 38 ist der am feststehenden Teil des Antriebsstrangelements, z.B. einem Ge ^¬ triebegehäuse, angeordnete Stator 8 der zweiten Stator-Rotor- Einheit 3b

Fig. 4 zeigt eine Welle 4 eines Antriebsstrangelements, an deren Umfang ein doppeltwirkender Generator 3 angeordnet ist. Der doppeltwirkender Generator 3 umfasst eine erste Stator- Rotor-Einheit 3a zur Versorgung rotierender Stromverbraucher 18a des Antriebsstrangelements und eine zweite Stator-Rotor- Einheit 3b zur Versorgung stationärer Stromverbraucher 20b des Antriebsstrangelements. Die Spannungsversorgung von den Stator-Rotor-Einheiten 3a, 3b zu den Stromverbrauchern 18a, 20b erfolgt jeweils über elekt ^¬ rische Leitungen 22. Die rotierenden Stromverbraucher 18a bestehen aus einer Signalerfassungseinheit, die über eine Sig ^¬ nalleitung 22 mit einem Sensor 46 verbunden ist, der eine DMS-Brücke, gebildet aus einer Schaltung von Dehnmessstreifen 160, aufweist. Die stationären Stromverbraucher 20b bestehen aus einer Signalprozessierungseinheit zur Auswertung und Speicherung der Signale. Der Sensor 46 generiert Signale, z.B. betreffend eine Torsion der Welle 6, sendet diese Signa ^¬ le über die Leitung 22 zu der Signalerfassungseinheit 18a. Die Signalerfassungseinheit 18a sendet die Signale über eine drahtlose Schnittstelle 24 zu der Signalprozessierungseinheit 20b.

Fig. 5 zeigt ein Antriebsstrangelement 34, welches ein Gehäu ^¬ se 28 und eine darin in Lagern 44 gelagerte Welle 6 umfasst. Von einer Stirnseite 14 an einem Wellenende 4 der Welle 6 her ist eine zylinderförmige, axial verlaufende Ausnehmung 16 in der Welle 6 ausgebildet. Von dem inneren Ende der Ausnehmung 16 ist mittels einer Bohrung 17 eine Verbindung zu dem Außenumfang der Welle 6 gebildet. An der Mündung der Bohrung 17 ist auf dem Umfang der Welle 6 eine Signalerfassungseinheit 18a angeordnet, welche einen DMS 160 umfasst.

Innerhalb der Ausnehmung 16 ist ein doppeltwirkender Generator 3 mit einer ersten Stator-Rotor-Einheit 3a zur Versorgung rotierender Stromverbraucher 18a des Antriebsstrangelements 34 und eine zweite Stator-Rotor-Einheit 3b zur Versorgung stationärer Stromverbraucher 20b des Antriebsstrangelements 34 angeordnet. Die erste Stator-Rotor-Einheit 3a weist an ei ^¬ ner zylindrischen Innenwand 50 der Ausnehmung 16 der als Rotor 10 fungierenden Welle 6 befestigte Leiterspulen 38 und an einem fest mit dem Gehäuse 28 verbundenen, axial in die Aus ^¬ nehmung 16 ragenden Bolzen 30 befestigte Magnete 32 auf. Die zweite Stator-Rotor-Einheit 3b weist an der Innenwand 50 der Ausnehmung 16 befestigte Magnete 32 und an dem Bolzen 30 be ^¬ festigte Leiterspulen 38 auf. Die auf dem Bolzen 30 angeord- neten Magnete 32 und Leiterspulen 38 bilden dabei den Stator 8 des doppeltwirkenden Generators 3.

Die in den mit der Welle 6 rotierenden Leiterspulen 38 der ersten Stator-Rotor-Einheit 3a erzeugte elektrische Energie wird mittels einer durch die Bohrung 17 geführten Stromleitung 22 zu der mit der Welle 6 rotierenden Signalerfassungs ^¬ einheit 18a übertragen. Die in den an dem feststehendem Bolzen 30 angeordneten Leiterspulen 38 der zweiten Stator-Rotor- Einheit 3a erzeugte elektrische Energie wird mittels einer Stromleitung 22 durch eine Bohrung in einem die Lagerung 44 der Welle 6 abdeckenden Lagerdeckel 36 zu einer außen an dem Gehäuse 28 fixierten, in einem separaten Gehäuseteil 29 ange- ordneten Signalprozessierungseinheit 20b übertragen.

Die in der Signalerfassungseinheit 18a generierten Signale werden mittels einer durch die Bohrung 17 geführten Signalleitung 22 zu einer drahtlosen Übertragungsstrecke 24, z.B. in Form einer induktiven Signalübertragungsvorrichtung mit Induktionsspulen 380 zur Signalübertragung, geleitet, dort berührungslos von der rotierenden Welle 6 auf den stationären Teil 8 des Antriebsstrangelements 34 übertragen und von dort über eine Signalleitung 22 zu der Signalprozessierungseinheit 20b transmittiert .

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht einer Welle 6. An einem Ende 4 der Welle ist ein in Form eines Axialflussgenerators ausge ^¬ bildeter doppeltwirkender Generator 3 angeordnet. Dazu ist an einer Stirnseite 14 der Welle 6 koaxial zu der Rotationsachse A der Welle 6 ein segmentierter Magnetring 32b fixiert, um welchen herum ein Spulenring 38a auf der Stirnseite 14 angeordnet ist. Durch einen Luftspalt 48 axial von den Rotoren 32b, 38a getrennt sind auf einer Innenwand eines Gehäuses 28 die korrespondierenden Elemente 32a, 38b zur Ausbildung von

Stator-Rotor-Einheiten montiert: korrespondierend zu dem koa ^¬ xialen Magnet 32b ist an der Gehäusewand eine Spule 38b ange ^¬ ordnet, und korrespondierend zu dem Spulenring 38a an der Wellenstirnseite 14 ist an der Gehäusewand ein segmentierter Magnetring 32a angeordnet.

Fig. 7 zeigt die in Fig. 6 angedeutete Draufsicht VII-VII auf die Stirnseite 14 der Welle 6. Dabei sind der zentral ange ^¬ ordnete, segmentierte Magnetring 32b und der ihn umgebende Spulenring 38a in ihrer Anordnung auf der Stirnseite 14 dargestellt. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt .