Antriebseinheit, mit zumindest einer übersetzungsstufe

Die vorliegende Erfindung betrifft eine äntriebseinheit mit zumindest einer übersetzungsstufe und einem Antriebselement für die Antriebstechnik; mit hoher Leistungsdichte, mit einem Antriebselement, einem Element und einem Abtriebselement, wobei eine übersetzung sowie eine übertragung eines Antriebsmomentes zwischen Antriebselement und Abtriebselement über eine Mehrzahl von radial bewegbaren Zahnsegmenten erfolgt .

Herkömmliche Antriebseinheiten sind in verschiedener Form und Ausführung im Markt bekannt und erhältlich.

Im Stand der Technik werden meist an herkömmliche Elektromotoren unterschiedliche Getriebe mit

unterschiedlichen übersetzungsstufen künden- und leistungsspezifisch angeschlossen .

Nachteilig ist, dass ein Bauraum sehr beschränkt ist, die Herstellungskosten durch zwei Gehäuseformen sehr aufwendig ist, zu viele Lagerungen erforderlich sind, was Reibungsverluste, etc. verursacht.

Ferner sind Antriebseinheiten, bekannt, bei welchen Teile von Getrieben und Teile von den elektrischen Antrieben zumindest teilweise ineinander verschmolzen sind, so dass

Teile des Abtriebsstranges eines elektrischen Antriebes bereits als Antriebsstrang oder Element eines direkt nachgeschalteten Getriebes oder einer übersetzungsstufe gebildet sind. Auch hier sind die Leistungen derartige

Getriebe bei sehr grossen Baugrössen beschränkt.

Auch sind als Antriebseinheiten Generatoren bekannt, bei welchen ein Drehmoment direkt oder über ein vorgeschaltetes Getriebe auf einen Generator übertragen wird, um im Generator Strom zu erzeugen.

Auch derartige Antriebseinheiten sollen vom gattungsbildenden Oberbegriff umfasst sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die genannten Nachteile der herkömmlichen Antriebseinheit beseitigt, wobei sehr hohe Momente unter optimaler Ausnutzung eines Bauraumes bei Reduktion der Baulänge und Durchmesser gewährleistet werden soll. Zudem soll eine sehr hohe Leistungsdichte und Kompaktheit bei geringstmöglichen Einbauraum und Gewicht möglich sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 sowie die der nebengeordneten Patentansprüche.

Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass als Antriebseinheiten Einheiten zu verstehen sind, bei welchen ein Antriebsmoment aus einem elektrischen Antrieb auf eine übersetzungsstufe übertragen wird, um das Antriebsmoment des elektrischen Antriebes in wählbaren übersetzungsstufen zu übersetzen.

Ferner soll jedoch auch in den Rahmen des gattungsbildenden Begriffs des Antriebselementes fallen, dass auch der umgekehrte Weg möglich ist und ein über eine übersetzungsstufe oder ein Getriebe eingeleitetes Antriebsmoment in wählbaren übersetzungsstufen übersetzt wird, um einen Generator zur Erzeugung von Strom anzutreiben. Beide Ausführungsformen sollen unter dem Oberbegriff Antriebseinheit in der vorliegenden Erfindung zu verstehen sein.

Bei der vorliegenden Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Antriebseinheit zu schaffen, bei welcher in einem äusseren Gehäuse ein Stator vorgesehen oder das äussere Gehäuse als Stator ausgebildet ist.

Koaxial innerhalb des Gehäuses bzw. des Stators sitzt das eigentliche Antriebselement koaxial rotativ gelagert und weist eine entsprechende Mehrzahl von radial aussen angeordnete Magnetfelderregern, insbesondere Permanentmagnete oder aktiv erregbare Magnete, wie Spulen od. dgl. auf, die über den Stator zur rotativen Bewegung des Antriebselementes antreibbar sind.

Dabei ist ein Elektromotor mit einem äusserst grossen Durchmesser gebildet, welcher der übertragung von sehr grossen Drehmomenten auf das Antriebselement dient.

Das Antriebselement dient gleichzeitig durch seine innere Kontur als Antrieb für das Koaxialgetriebe zur direkten oder indirekten Beaufschlagung von mehreren in einem Element radial bewegbar gelagerten Zahnsegmenten, die mit einem inneren Abtriebselement mit Aussenverzahnung in ein Eingriff stehen.

Auf diese Weise lässt sich die Wärme über das Gehäuse bzw. über den Stator bei sehr grossem Durchmesser sehr leicht nach aussen abführen, wodurch zudem durch den grossen Durchmesser eine hohe Drehmomentübertragung des integrierten elektrischen Antriebes, der zwischen Antriebselement und Gehäuse gebildet ist, auf das starre Element mit den eingesetzten Zahnsegmenten zur Herstellung einer übersetzung an das Abtriebeselement erfolgt.

Durch diesen erfindungsgemässen Aufbau der Antriebseinheit ist eine vollständige Integration des Getriebes bzw. der übersetzungsstufe in den elektrischen Antrieb bzw. der elektrische Antrieb in das Getriebe möglich, was eine erhebliche Baulängenreduktion gegenüber herkömmlichen Standartmotor-Getriebe-Kombinationen ermöglicht .

Zudem ist die Leistungsdichte durch den grossen Durchmesser des elektrischen Antriebes verbessert. Eine Hohlwelle als Abtriebselement kann mit wesentlich grosserem Durchmesser hergestellt werden, was ebenfalls von Bedeutung ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, diese zeigen in;

Figuren Ia und Ib schematisch dargestellte Draufsichten auf herkömmliche Antriebseinheiten zum übertragen und übersetzen von Momenten mit elektrischem Antrieben;

Figur 2 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Antriebseinheit;

Figur 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Antriebseinheit gemäss Figur 2.

Gemäss der Figur Ia weist eine herkömmliche Antriebseinheit eines elektrischen Antrieb, insbesondere eines elektrischen Motor Mo und zumeist ein daran anschliessendes Getriebe G auf.

Dabei können unterschiedlichste Getriebe G an unterschiedlichste Motoren Mo hintereinander auch in unterschiedlichen übersetzungsstufen zusammengesetzt werden, um gewünschte Drehzahl und Drehmomente und Leistungsstufen zu erhalten. Nachteilig ist, dass das Gesamtgewicht, Produktionskosten und Baulänge im Verhältnis zur Leistung nicht optimiert sind.

Ferner sind Antriebseinheiten im Stand der Technik bekannt, wie sie in Figur Ib angedeutet sind, die auch aus einem elektrischen Antrieb, insbesondere einem Motor Mo und einem Getriebe G gebildet sind, wobei einzelne Bauteile abtriebsseitig des Motors in antriebsseitige Bauteile des Getriebes miteinander verschmolzen sind.

Jedoch ist dies immer noch keine optimale Lösung, um ein Gesamtgewicht, bezogen auf die gesamte Leistung deutlich zu reduzieren .

Gemäss Figur 2 weist eine erfindungsgemässe Antriebseinheit R, für die industrielle Antriebstechnik mit hoher Leistungsdichte, ein Gehäuse 1 auf, welches als Stator 2 ausgebildet ist. Das Gehäuse 1, insbesondere der Stator 2 ist kreisringartig ausgebildet und weist eine Mehrzahl von hier nur angedeuteten Erregerspulen 3 auf, die nach innen gerichtet radial verteilt angeordnet sind.

Innerhalb des Gehäuses 1 bspw. innerhalb des Stators 2 ist ein Antriebselement 4 rotativ innerhalb, angeordnet und weist aussen eine Mehrzahl von radial angeordneten Magnetfelderreger 5, insbesondere Permanentmagnete 6, oder auch aktiv erregbare Magnete auf. Dabei können die Magnetfelderreger 5, insbesondere die Permanentmagnete 6 dem Antriebselement 4 aufsitzen, oder in diesem integriert sein. Hierauf sei die Erfindung nicht beschränkt.

Das Antriebselement 4 ist über die Verzahnung gegenüber dem Gehäuse 1 rotativ drehbar um eine Mittelachse M gelagert, wie es hier nur angedeutet und nicht näher dargestellt ist. Dabei weist das Antriebselement 4 eine innere Kontur 7 auf, die als Innenfläche konturiert ausgebildet ist.

Dabei kann die innere Kontur 7 des Antriebselementes 4 bspw. als polygonartig ausgebildete Kontur 7 hergestellt sein.

Innerhalb des Antriebselementes 4 ist ein Element 8 angeordnet, insbesondere drehfest mit dem Gehäuse 1 oder Stator 2 verbunden, um in radialen Führungen 9 einzelne Zahnsegmente 10 radial zu führen und zu lagern.

Die Zahnsegmente 10 weisen einen nach aussen gerichteten Zahnfuss 11 und eine nach innen gerichtete Zahnflanke 12 auf .

Um die einzelnen Zahnsegmente 10 radial nach innen oder aussen zu bewegen, gelangen deren Zahnfüsse 11 direkt oder indirekt in Kontakt mit der Kontur 7 des Antriebselementes 4, und werden dann entsprechend der Kontur 7 des bewegten Antriebselementes 4 radial nach innen oder aussen bewegt.

Bevorzugt soll jedoch zwischen dem Zahnfuss 11 und der inneren Kontur 7 des Antriebselementes 4 ein der Kontur 7 folgendes Zwischenelement 13 vorgesehen sein, welches die entsprechende Bewegung der Kontur 7 auf die jeweiligen Zahnsegmente 10 überträgt.

Das Zwischenelement 13 kann bspw. ein flexibler Ring, ein segmentierter Lagerring und/oder eine Wälzlagerung od. dgl . sein, um die einzelnen Zahnsegmente 7 mittels der Kontur 11 nach innen oder aussen gelagert zu bewegen.

Durch die entsprechende Kontur 7 des Antriebselementes 4 lassen sich die Zahnsegmente 10 in Abhängigkeit der Kontur 7 entsprechend nach innen und aussen bewegen, so dass diese bei dieser Bewegung ein Abtriebselement 14, welches koaxial innerhalb des Elementes 8 angeordnet ist kämmen. Das Abtriebselement 14 weist eine Aussenverzahnung 15 auf, in welche zur Herstellung einer übersetzung die einzelnen Zahnsegmente 10 mit ihren Zahnflanken 12 eingreifen. Das Abtriebselement 14 mit seiner Aussenverzahnung 15 ist bevorzugt als Hohlwelle ausgebildet. Dieses kann jedoch auch als herkömmliche Welle ausgebildet sein, um ein Abtriebsmoment zu übertragen.

Bei der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass im Gehäuse 1 koaxial der elektrische Antrieb mit einem sehr grossen Durchmesser vorgesehen ist. Somit lässt sich eine Antriebseinheit R mit sehr geringer Baulänge und integriertem elektrischen Antrieb mit hohem Antriebsmoment herstellen und kann dennoch eine hohe übersetzung koaxial innerhalb des Antriebselementes über eine Mehrzahl von Zahnsegmenten auf ein Abtriebselement 4 übertragen.

Durch das aussen liegende Gehäuse 1, insbesondere durch den aussen liegenden Stator 2 und koaxial innen liegenden Antriebselement 4 mit Magnetfelderreger 5 lässt sich eine Wärme nach aussen optimal abführen, wodurch auch die Leistung der Antriebseinheit R deutlich erhöht ist.

Zudem ist durch die erfindungsgemässe Anordnung der Antriebseinheit R und seiner Bauteile ein Bauraum optimal ausgenutzt und hierdurch eine Leistungsdichte optimiert. Zudem lässt sich ein sehr grosser Hohlwellendurchmesser des Abtriebselementes 14 realisieren, so dass eine kreisringartige Antriebseinheit, bspw. als Koaxialgetriebe mit integriertem leistungsstarken Antrieb geschaffen ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 ist das Koaxialgetriebe im Längsschnitt gemäss Figur 2 aufgezeigt.

Dort ist ersichtlich, wie im Gehäuse 1 dieses bspw. als Stator 2 genutzt wird, um dort im Gehäuse 1 die Erregerspulen 3 kreisringartig anzuordnen.

Koaxial innerhalb, bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene E ist dann das elektrische Antriebselement 4 mit seiner inneren Kontur 7 eingesetzt, wobei im bevorzugten Ausführungsbeispiel an seiner äusseren Mantelfläche die

Mehrzahl von Magnetfelderregern 5, insbesondere Permanentmagnete 6 angeordnet ist.

Dabei beaufschlagt die innere Kontur 7, bevorzugt über zumindest ein Zwischenelement 13, die im Element 8 in der Führung 9 gelagerten Zahnsegmente 10, welche die Aussenverzahnung 15 des Abtriebselementes 14 kämmen.

Die einzelnen Elemente sind koaxial angeordnet.

Dabei ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel das Element 8 zur radialen Lagerung der einzelnen Zahnsegmente 10 fest mit dem Gehäuse 1 verbunden, bzw. mit diesem festgelegt. Innen an diesem stützen sich die Lagerelemente 16.1, 16.2 stirnseitig neben der Aussenverzahnung 15 und stirnseitig neben den Zahnsegmenten 10 ab und lagern auf diese Weise das koaxial innenliegende Abtriebselement 14. Dieses kann bevorzugt als Hohlwelle mit grossem Durchmesser, aber auch als beliebige andere Welle ausgeformt sein.

Entsprechende hier nicht näher dargestellte Dichtelemente dichten stirnseitig dem Bereich zwischen Antriebselement 14 und Gehäuse 1 ab.

Von Vorteil ist auch bei der vorliegenden Erfindung, dass die eigentliche Lagerung des elektrischen Antriebselementes 4, welches über die Erregerspulen 3 des Stators 2 rotativ angetrieben wird, in Radialrichtung durch das mittels den Erregerspulen 3 erzeugte Magnetfeld erfolgt und gleichzeitig auch eine axiale Lagerung gewährleistet wird.

Zusätzlich können stirnseitig jeweils beidseitig an das elektrische Antriebselement 4 Lager 17.1, 17.2, bevorzugt ausgebildet als Axiallager, anschliessen, die sich am Element 8 an einem stirnseitigen Flansch 18 abstützen.

Andererseits erfolgt von einem weiteren Flansch 19 eine stirnseitige Abstützung des Antriebselementes 4.

Bevorzugt sind die Lager (17.1, 17.2) lediglich als reine Gleitlager ausgebildet und dienen lediglich dem geringfügigen Ausrichten und Zentrieren bzw. begrenzen des Spiels in Axialrichtung. Dies soll ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.

Daher kann eine Axial- und/der Radiallagerung, bspw. als separate Wälzlagerung des elektrischen Antriebselementes 4 entfallen, was wiederum Reibung reduziert, Bauraum schafft und eine geringere Baulänge sowie einen geringeren Durchmesser der Antriebseinheit gewährleistet.

Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Antriebseinheit R geschaffen, die sehr kompakt ist, die auf sehr kurzem Bauraum einen Antrieb und auch eine übersetzungsstufe (ü) als Antriebseinheit (R) gewährleistet, um sehr hohe Momente durch den kreisringartig ausgebildeten Antriebselement 4 auf die übersetzungsstufe ü zu übertragen. Gleichzeitig verschmelzen bei der vorliegenden Erfindung die Bauteile des elektrischen Antriebselementes 4 als Abtrieb der elektrischen Antriebseinheit zum Antriebselement der übersetzungsstufe ü der Antriebseinheit R.

DR. WEISS & ARAT

Patentanwälte European Patent Attorney

Aktenzeichen: P 3756/PCT Datum: 26.11.2008 W/MI

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