Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Elektro- motor und einem Getriebe zum Antrieb einer rotierbaren Trommel, insbesondere zur Verwendung in der Fördertechnik und/oder unter hohen Sauberkeitsanforderungen.

Getriebemotoren werden an vielen Stellen im Maschinenbau eingesetzt zur Erzeugung von rotatorischen oder linearen Bewegungen. Typischerweise werden Elektromotoren mit relativ hohen Drehzahlen betrieben, wobei jedoch nur ein relativ geringes Drehmoment erzeugt wird. Mittels eines Getriebes kann die Drehzahl in einem geeigneten Verhältnis reduziert werden, wobei sich das Drehmoment entsprechend erhöht.

Elektromotoren mit einem Getriebe werden häufig in der Fördertechnik eingesetzt, um Rollen oder Förderbänder entweder direkt oder mittels Riemen, insbesondere Zahnriemen, anzutreiben. Bei manchen Anwendungen, bei denen nur wenig Platz zur Verfügung steht und/oder besondere Anforderungen an Sauberkeit und Hygiene gestellt werden, können herkömmliche Getriebemotoren nicht optimal eingesetzt werden. Ihr Platzbedarf ist häufig zu hoch und/oder eine Reinigung mit vertretbarem Aufwand nicht möglich. Für solche Anwendungen werden oft sogenannte Trommelmotoren eingesetzt, wie diese beispielsweise in der WO 2013/143550 AI beschrieben sind. Solche Antriebe sind sehr kompakt, weil das freie Volumen innerhalb einer Trommel benutzt wird, um einen

l Elektromotor und ein zugehöriges Getriebe unterzubringen. Das Drehmoment wird innerhalb der Trommel erzeugt und auf die Trommel übertragen, um damit eine Last anzutreiben. Trommelmotoren besitzen daher eine feststehende innere Welle mit einer darum rotierenden Trommel, in der der An- trieb untergebracht ist. Dies erfordert eine elektrische Zuleitung, die im Allgemeinen innerhalb der feststehenden Welle verlegt wird. Deren Abdichtung gegenüber Öl, welches entlang der Zuleitung kriechen kann, ist schwierig und kann hygienische Probleme bei der Verwendung in der Nahrungsmittelindustrie bewirken.

Weiterhin ist aus der GB 2472020 A ein Trommelmotor mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden Rotor bekannt, bei dem Stator und Rotor innerhalb der Trommel ausgeführt sind. Außerdem ist ein weiteres fundamentales Problem, dass für den Elektromotor nur ein relativ kleiner Durchmesser innerhalb der Trommel zur Verfügung steht, innerhalb dessen Rotor und Stator des Elektromotors untergebracht werden müssen. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass nur ein relativ geringes Drehmoment erzeugt werden kann, da das erzeugbare Drehmo- ment eines Elektromotors etwa proportional zum Quadrat des Durchmessers des Elektromotors ansteigt. Auch entsteht in einem Elektromotor mit zunehmender Leistung immer mehr Wärme, die abgeführt werden muss, was bei Trommelmotoren praktisch nur über die Oberfläche der Trommel erfolgen kann, wodurch die Leistung eines Elektromotors im Inneren der Trommel stark begrenzt wird. Ausgehend von dieser Situation ist es Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem zu schaffen, welches die genannten Nachteile weitgehend vermeidet und trotzdem einfach aufgebaut, leicht zu reinigen und unter schwierigen Platzverhältnissen und hohen Sauberkeitsanforderungen einzusetzen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Antriebssystem gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in technisch sinnvollen Kombinationen miteinander zur vorliegenden Erfindung gehören, sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem hat eine feststehende Welle, einen Elektromotor, der einen um die Welle rotierbaren Rotor und einen Stator aufweist, ein Getriebe zum Herabsetzen einer Drehzahl des Rotors und eine von dem Getriebe mit einer herabgesetzten Drehzahl antreibbare konzent- risch um die Welle rotierbare Trommel, wobei der Rotor und das Getriebe innerhalb der Trommel angeordnet sind, und zeichnet sich dadurch aus, dass der Stator des Elektromotors außerhalb der Trommel angeordnet ist. Erfindungsgemäß rotiert die Trommel daher innerhalb des Luftspalts zwischen Stator und Rotor des Elektromotors, was konstruktiv und bei der Auslegung des Systems erhebliche Vorteile mit sich bringt. Anders als bei einem herkömmlichen Trommelmotor hat das erfindungsgemäße Antriebssystem zwei mechanisch unabhängige Bauteile, nämlich eine Trommel mit Rotor und Getriebe im Inneren und einen Stator, der außerhalb der Trommel angeordnet ist. Der Elektromotor kann auf diese Weise ein erheblich größeres Drehmoment als bei herkömmlichen Trommelmotoren erzeugen, da sein Durchmesser nicht mehr auf den Durchmesser der Trommel begrenzt ist. Der Platz, der bei einem Trommelmotor für Stator und Rotor zu- sammen zur Verfügung steht, kann nunmehr praktisch vollständig für den Rotor ausgenutzt werden.

Die Vorteile der Erfindung sind nicht auf eine bestimmte Art von Elektro- motoren begrenzt, sondern können durch verschiedene Arten von Elektromotoren in ähnlicher Weise verwirklicht werden. Wichtig ist der Schritt, nur den Rotor des Elektromotors innerhalb der Trommel anzuordnen. Die übrigen von Trommelmotoren bekannten Bauteile, insbesondere das Getriebe, können praktisch unverändert übernommen werden, außer dass na- türlich eine Auslegung für größere Leistung und ein höheres Drehmoment erforderlich sein kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass je nach Art des Getriebes die feststehende Welle nicht durchgehend sein muss, sondern durch ein als Verbindung von zwei Wellenstücken ausgebildetes Getriebe unterbrochen sein kann, was beispielsweise bei Planetengetrieben der Fall sein kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umschließt der Stator die Trommel ganz oder teilweise, und zwar im Wesentlichen nur in dem axialen Bereich, in dem innerhalb der Trommel der Rotor angeordnet ist. Im Allgemeinen wird der Rotor in einem Endbereich der Trommel angeordnet sein, jedoch ist dies keineswegs die einzige mögliche Ausführungsform. Es gibt auch Ausführungen, bei denen beispielsweise der Rotor und der außen angeordnete Stator etwa mittig zu der Trommel angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, den Stator so auszulegen, dass er die Trommel nur teilweise umschließt, insbesondere in Form einer Halbschale bzw. einer Teilschale, die nur 180° oder weniger des Außenumfangs der Trommel um- fasst. Diese Ausführungsform, die sich ohne entscheidende Nachteile für verschiedene Arten von Elektromotoren ausführen lässt, hat den Vorteil, dass der Stator bei eingebauter Trommel leicht abgenommen und beispielsweise ausgetauscht oder gereinigt werden kann.

Ein Stator in Form einer Halbschale erlaubt es auch, ein System zu verwirklichen, bei dem ein halb schalenförmiger Stator bei Bedarf durch einen zweiten halb schalenförmigen Stator zu einem die Trommel vollständig umschließenden Stator ergänzt werden kann. Einerseits eignet sich ein aus zwei Halbschalen zusammengesetzter Stator besonders für eine einfache Montage und Reinigung, andererseits kann je nach dem benötigten Drehmoment nur eine Halb schale vorgesehen werden, die dann, wenn ein höheres Drehmoment benötigt wird, durch eine zweite Halbschale ergänzt werden kann. Vorteilhaft ist es, wenn eine zweite Halbschale auf die erste Halbschale aufsteckbar gestaltet ist, insbesondere auch mit Steckverbindungen für die elektrischen Zuleitungen von Induktionsspulen in der zweiten Halbschale. Die beiden Hälften eines zweiteiligen Stators können ansonsten symmetrisch ausgestaltet sein. Wie bereits erläutert, rotiert die Trommel in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator, so dass sich genau genommen der Abstand zwischen Stator und Rotor, der im Allgemeinen als Luftspalt eines Elektromotors bezeichnet wird, aus einem inneren Luftspalt zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Trommel, aus der Dicke der Trommel und aus einem äußeren Luftspalt zwischen Trommel und Stator zusammensetzt. Bevorzugt weist der innere Luftspalt zwischen Rotor und Innenumfang der Trommel eine erste Breite von 0,5 - 2 mm auf, ebenso wie der äußere Luft- Spalt zwischen Außenumfang der Trommel und Innenumfang des Stators. Die Trommel selbst hat eine Dicke zwischen 0,2 und 5 mm. Insgesamt ist es natürlich wünschenswert, den Abstand zwischen Rotor und Stator möglichst klein zu machen, jedoch muss die Trommel auch bei unterschiedli- chen thermischen Dehnungen oder geringen Dejustierungen von Rotor und Stator sowie bei Verschmutzungen jedenfalls berührungsfrei zwischen beiden rotierbar sein.

Besonders bevorzugt ist bei der vorliegenden Erfindung eine Ausführungs- form, bei der der Stator Induktionsspulen zur Erzeugung eines elektrischen Wanderfelds aufweist, die vorzugsweise über eine elektrische Zuleitung mit mindestens einer lösbaren Steckverbindung elektrisch mit einer Stromversorgung verbindbar sind. Dadurch, dass die zum Betrieb des Elektromotors erforderliche elektrische Energie dem Stator zugeführt wird, der sich außer- halb der Trommel befindet, können gleichzeitig zwei Vorteile erreicht werden. Einerseits ist die Abführung von in dem Elektromotor erzeugter Wärme, die hauptsächlich in den Induktionsspulen entsteht, sehr viel leichter und effektiver möglich als aus dem Inneren der Trommel. Zum anderen gibt es in dem Stator keine beweglichen Bauteile, die mit Öl geschmiert werden müssten, so dass auch das Problem der Abdichtung elektrischer Zuleitungen gegen austretendes Öl entfällt. Bei Verwendung einer lösbaren Steckverbindung kann der Stator auch ohne Fachkenntnisse leicht ausgebaut und gereinigt oder gegen einen anderen Stator beispielsweise für eine andere Versorgung s Spannung oder Leistungsstufe ausgetauscht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Rotor mit Gegenpolen, die auch Permanentmagneten sein können, ausgestattet, wodurch der Aufbau des Rotors im Inneren der Trommel sehr einfach wird. Für hohe Leistungen wird vorgeschlagen, den Stator mit passiven oder aktiven Kühlmitteln auszustatten. Im einfachsten Fall sind dies insbesondere Kühlrippen an der Außenseite des Stators. Es sind allerdings auch aktive Kühlmittel angefangen von einem Gebläse bis hin zu einem Wasserkühlkreislauf möglich.

Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt einige Freiheiten bei der Auslegung des gesamten Antriebssystems, weil durch die größere Dimension des Rotors mehr Drehmoment erzeugt werden kann und daher die Leistung weniger durch eine hohe Drehzahl zur Verfügung gestellt werden muss. Insgesamt führt dies dazu, dass das Getriebe bevorzugt eine Untersetzung der Drehzahl des Rotors um einen Faktor 10 - 100 bei entsprechender Erhöhung des Drehmoments bereitstellen soll.

Da sich die Trommel zwischen Rotor und Stator bewegt, ist es von Vorteil, diese aus nicht ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Edelstahl zu wählen. Edelstahle werden typischerweise besonders in der Nahrungsmittelindustrie bei erhöhten hygienischen Anforderungen genutzt, da sie widerstandsfähig gegen häufiges Reinigen sind. Auch eine geringe elektrische Leitfähigkeit oder ein Aufbau aus dünnen gegeneinander isolierten Blechen ist von Vorteil, um Wirbelströme in der Trommel und die damit verbundenen Verluste gering zu halten. Da nur noch wenig Wärme über die Oberfläche der Trommel abgeführt werden muss, kommen auch schlecht wärmelei- tende Materialien, insbesondere Kunststoff oder Verbundmaterialien für die Trommel in Betracht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Elektromo- tor und das Getriebe axial hintereinander angeordnet, wie dies bei herkömmlichen Trommelmotoren mit mechanischem Getriebe auch der Fall ist. Je nach den Platzverhältnissen, insbesondere wenn es auf Grund der Bauart des Getriebes nicht möglich ist, eine Welle durch das ganze Getriebe zu führen, kann es erforderlich sein, zur Abstützung der Komponenten ein konzentrisch zur Trommel liegendes Innenrohr im Luftspalt anzuordnen, was jedoch die Funktion des Systems nicht erheblich beeinträchtigt, Der Abstand zwischen Rotor und Stator nimmt dann praktisch zwei konzentrische Bauteile, die durch drei Luftspalte getrennt sind, auf. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist jedoch das Getriebe quasi konzentrisch zu dem Rotor des Elektromotors angeordnet. Eine solche auch als elektromagnetisches Getriebe zu bezeichnende Anordnung wird von der Funktionsweise her in der WO 07125284 AI beschrieben. Dieses Prinzip lässt sich vorteilhaft in die vorliegende Erfindung integrie- ren, indem die ohnehin im Luftspalt des Elektromotors rotierende Trommel im Bereich zwischen Rotor und Stator mit ferromagnetischen Elementen, insbesondere in axialer Richtung verlaufenden Stäben an ihrem Umfang ausgestattet wird, und zwar in einer solchen Anzahl und Ausrichtung, dass die Trommel direkt mit einer verringerten Drehzahl angetrieben wird, wie dies in der WO 07125284 AI für den langsamer rotierenden Rotor beschrieben wird. Das Prinzip eines Motors mit konzentrischem Getriebe ist auch in dem Artikel„A New PM Machine Topology for Low-Speed, High- Torque Drives" von Kais Atallah et al. in den„Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines" (Paper ID 1455) beschrieben, aus dem auch Beispiele für geeignete Anordnungen von Spulen und Gegenpolen entnommen werden können wie sie für die vorliegende Erfindung geeignet sind. Auf diesen Artikel und seine Offenbarung wird vollinhaltlich Bezug genommen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes

Antriebssystems,

Fig. 2: eine schematische perspektivische Ansicht der Figur 1 ausgehend von einem Querschnitt im Bereich des Elektromotors und

Fig. 3 eine schematische Ansicht der elektrischen Anordnung eines Aus- führungsbeispielsmit halb schalenförmigem Stator. In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Antriebssystem schematisch im Längsschnitt dargestellt. An einer feststehenden Welle 1 ist der Rotor 3 eines Elektromotors 2 drehbar mittels Lagern 22 gelagert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Rotor 3 Gegenpole 5 auf, so dass der Rotor 3 mittels von außen aufgebrachten magnetischen Wanderfeldern in Rotation versetzt werden kann. Diese Rotation wird mittels einer Rotorkupplung 23 auf eine Eingangswelle 17 eines Getriebes 16 übertragen. Das Getriebe untersetzt diese Drehung in an sich bekannter Weise, so dass eine Ausgangs- welle 18 des Getriebes 16 (oder je nach Bauart dessen Gehäuse) langsamer rotiert als die Eingangs welle 17, dafür aber ein höheres Drehmoment zur Verfügung stellt. Mittels einer Trommelkupplung 24 wird diese Drehung auf eine Trommel 13 übertragen, welche den Rotor 3 und das Getriebe 16 umschließt. Diese Trommel ist mittels einer Trommellagerung 21 drehbar an der feststehenden Welle 1 gelagert und im Wesentlichen zylindrisch geformt, wobei diese Trommel 13 aber auch Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen kann. Der Rotor 3 befindet sich in einem bestimmten Bereich B in der Trommel 13. In diesem Bereich B ist die Trom- mel 13 außen zumindest teilweise umgeben von einem Stator 6, der Induktionsspulen 7 zur Erzeugung eines magnetischen Wanderfelds aufweist. Die Induktionsspulen 7 werden über eine elektrische Zuleitung 8 aus einer Stromversorgung 26 mit Strom versorgt, wobei eine lösbare Steckverbindung 9 zur Erleichterung des Ausbaus des Stators 6 vorhanden ist. Zwi- sehen dem Innenumfang 10 des Stators 6 und dem Außenumfang 15 der Trommel 13 befindet sich ein äußerer Luftspalt 20 mit einer ersten Breite LI von 0,2 - 2 mm. Weiterhin befindet sich zwischen dem Außenumfang 4 des Rotors 3 und dem Innenumfang 14 der Trommel 13 ein innerer Luftspalt 19 mit einer zweiten Breite L2 von ebenfalls etwa 0,2 - 2 mm. Die Trommel 13 selbst hat in dem Bereich B eine Dicke von 0,5 - 5 mm, so dass sich insgesamt für den Elektromotor 3 ein Abstand zwischen Rotor 3 und Stator 6 von 0,9 - 9 mm ergibt. Je kleiner dieser Abstand ist, desto höher ist der Wirkungsgrad des Elektromotors 3, jedoch muss die Trommel 13 in jedem Falle frei rotierbar zwischen Rotor 3 und Stator 6 sein, und zwar auch bei unterschiedlichen thermischen Dehnungen dieser Bauteile oder bei geringer Biegung, Unwucht oder Verschmutzung der Trommel 13. Fig. 2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des Antriebssystems ausgehend von einem Querschnitt durch den Bereich B, an dem der Elektromotor 2 angeordnet ist. Die Welle 1 ist konzentrisch von einem Lager 22 des Rotors 3 und dem Rotor 3 umgeben. Zwischen dem Außenumfang 4 des Rotors 3 und dem Innenumfang 14 der Trommel 13 befindet sich der innere Luftspalt 19 mit einer Breite L2, der im vorliegenden Bild zur besseren Veranschaulichung übertrieben groß dargestellt ist. Zwischen Außenumfang 15 der Trommel 13 und dem Innenumfang 10 des Stators 6 befindet sich der äußere Luftspalt 20 (ebenfalls übertrieben groß dargestellt) mit ei- ner Breite LI. Außerhalb der Trommel 13 befindet sich konzentrisch zu der feststehenden Welle 1, dem Rotor 3 und der Trommel 13 der Stator 6, für den es erfindungsgemäß unterschiedliche Bauformen geben kann. Der Stator 6 kann, wie gestrichelt angedeutet, die Trommel 13 vollständig umschließen, er kann aber auch zwei- oder mehrteilig aus Teilschalen aufge- baut sein oder sogar nur aus einer Halbschale 25 bestehen, die die Trommel 13 nur um 180° ihres Umfangs oder weniger umschließt. Bei einer solchen Ausführungsform ist der Stator 6 leicht abnehmbar, was beim Reinigen, Umbau oder bei einer Änderung von Leistung bzw. Stromversorgung des Systems nützlich sein kann. Sofern der Stator 6 aus zwei symmetrischen Halbschalen 25 zusammengesetzt sein soll, ist es besonders vorteilhaft, elektrische Steckverbindungen 27 zwischen den beiden Halbschalen 25 vorzusehen, damit beim Zusammenbau von zwei Halbschalen 25 zu einem Stator 6 gleichzeitig die Stromversorgung von Induktionsspulen 7 in beiden Halbschalen verbunden werden kann. Der Stator 6 ist bevorzugt mit Kühl- mittein 12, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Kühlrippen, ausgestattet, die für eine gute Wärmeabfuhr sorgen. Der Stator enthält keine beweglichen Teile und kann in einem komplett geschlossenen Gehäuse 11, insbe- sondere aus Edelstahl, untergebracht werden. Lediglich die elektrische Zuleitung 8 muss durch dieses Gehäuse 11 nach außen geführt werden. Anders als bei einer Zuleitung in das Innere der Trommel 13, in der sich Öl aus dem Getriebe 16 oder den Lagern 21, 22 befinden kann, stellt die Durchfüh- rung zu dem Stator kein Problem dar.

Fig. 3 zeigt in einem schematischen Querschnitt den elektrischen bzw. magnetischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem halb schalenförmigen Stator 6. In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Stator 6 drei Induktionsspulen 7 und fünf ganze und zwei halbe Magnetpole 27. Der Stator entspricht genau einem halben Stator mit zwölf Magnetpolen, der durch zwei Magnetpole hindurch halbiert ist. Drei Induktionsspulen 17 werden mit elektrischen Strömen R, S, T mit einem elektrischen Drehfeld gespeist, welches einen Rotor 3 in Drehung versetzt. Der Rotor 3 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel 10 Gegenpole 5 getrennt durch Schlitze 28 auf. Je nach gewünschter Drehzahl können auch mehr oder weniger Gegenpole 5 vorgesehen werden. Eine Trommel 13 ist in dieser Figur nur gestrichelt angedeutet. Bei Verwendung eines elektromagnetischen Getriebes zum Antrieb der Trommel 13 kann diese ebenfalls mit einer geeig- neten Anzahl ferromagnetischer Elemente ausgestattet werden, wie dies in der WO 07125284 AI beschrieben ist.

Grundsätzlich können für die vorliegende Erfindung magnetische Anordnungen verwendet werden, wie sie aus üblichen Trommelmotoren bekannt sind. Bei der Verwendung von halbschalenförmigen Statoren und bei der Anwendung eines elektromagnetischen Getriebes müssen weitere Bedingungen eingehalten werden. Bei der Verwendung eines halbschalenförmi- gen Stators und einer mehrphasigen Stromversorgung ist die Zahl der Magnetpole (zwei halbe als einer gerechnet) gleich einem geraden Vielfachen der Anzahl der Phasen, bei dreiphasigem Strom (R, S, T) also 6, 12, 18, usw. Geeignete magnetische Anordnungen für unterschiedliche Unterset- zungen bei elektromagnetischen Getrieben sind aus der Literatur bekannt.

Die vorliegende Erfindung erlaubt es, Antriebssysteme nach Art eines Trommelmotors mit höherer Leistung und besserer Wärmeabfuhr zur Verfügung zu stellen, wobei auch ein außen separat angeordneter Stator eine hohe Flexibilität ermöglicht. Insbesondere kann der Stator zur Veränderung der Leistung oder zur Anpassung an eine andere Stromversorgung ohne vollständigen Ausbau der Trommel ausgewechselt werden. Andererseits kann bei fest an einem System angebautem Stator auch die Trommel einzeln herausgezogen oder ausgewechselt werden. Bei Anwendung von ei- nem aus einer oder zwei Halbschalen bestehenden Stator kann die Flexibilität der Anordnung noch erhöht werden. Dies erlaubt eine Anwendung der Erfindung insbesondere bei Fördersystemen und ganz besonders in der Nahrungsmittelindustrie bei Vorliegen von erhöhten Anforderungen an Hygiene und Sauberkeit.

Bezugszeichenliste: feststehende Welle

Elektromotor

Rotor

Außenumfang des Rotors

Gegenpole

Stator

Induktionsspulen

Elektrische Zuleitung

Lösbare Steckverbindung

Innenumfang des Stators

Gehäuse des Stators

Kühlmittel

Trommel

Innenumfang der Trommel

Außenumfang der Trommel

Getriebe

Eingangswelle

Ausgangswelle

Innerer Luftspalt

Äußerer Luftspalt

Trommellagerung

Lager des Rotors

Rotorkupplung

Trommelkupplung 25 Halbschale

26 Stromversorgung

27 Elektrische Steckverbindung

LI erste Breite des äußeren Luftspaltes

L2 zweite Breite des inneren Luftspaltes

B Bereich des Rotors

R, S, T Phasen