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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen mechatronischen Aktuator gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Ein
solcher Aktuator ist aus der
DE 198 45 914 A1 bekannt. Dieser Aktuator
hat ein Getriebe, das eine Gewindespindel, ein diese umgebendes Hohlrad
sowie Planetenräder
aufweist, die in Umfangsrichtung versetzt zwischen der Gewindespindel und
dem Hohlrad angeordnet sind. Das Hohlrad ist in ein Statorteil integriert,
das mehrere in Umfangsrichtung des Aktuators verteilt angeordnete
Magnetfeldspulen aufweist, in deren elektromotorischem Wirkkreis
die Planetenräder
liegen, die somit gleichzeitig Getriebeteil und Teil des elektromotorischen
Wirkkreises sind.
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Die
DE 196 23 742 A1 beschreibt
einen Spindeltrieb mit einer Gewindespindel, die an ihrer Außenseite
eine Feinprofilierung aufweist, ein die Spindel umschließendes Hohlrad,
das an seiner Innenseite eine Grobprofilierung aufweist und Planetenräder, die
in Umfangsrichtung versetzt zwischen der Spindel und dem Hohlrad
angeordnet sind, wobei die Planetenräder an ihren Außenseiten
jeweils eine Feinprofilierung, die in Axialrichtung der Spindel
in die Feinprofilierung der Spindel eingreift, und eine Grobprofilierung,
die in Axialrichtung in die Grobprofilierung des Hohlrades eingreift,
aufweisen.
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Die
US 5, 479, 058 A zeigt
einen Getriebemotor, bei dem das Getriebeteil ein exzentrischer Ring
eines Ellipsoid-Umlaufgetriebes
ist, wobei an der Innenseite des exzentrischen Ringes radial vorstehende
Polstücke
vorgesehen sind. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der exzentrische Ring ein Innenring, der gegenüber einem
radial beweglichen Außenring
drehbar ist und diesen radial exzentrisch bewegt, wobei der Außenring
eine Verzahnung aufweist, die mit einer Innenverzahnung eines Hohlrades
in Eingriff steht.
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Die
DE 197 36 734 A1 zeigt
einen Aktuator, der als Betätigungseinrichtung
für eine
Scheibenbremse dient. Dieser Aktuator hat ein Motorteil und ein
davon getrenntes Getriebeteil, die über eine Welle miteinander
gekoppelt sind. Der Motorteil weist einen scheibenförmigen Magneten
auf, der über
einen Träger
drehfest mit der welle verbunden ist und radial von ihr absteht.
Mehrere Paare von Ringspulen sind beidseitig des scheibenförmigen Magneten
angeordnet und über
ein magnetisches Joch miteinander verbunden, so daß der Luftspalt
zwischen den Spulen und der Scheibe durch im wesentlichen axial
verlaufende Magnetfeldlinien durchflutet ist.
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Die
den Motorteil und den Getriebeteil verbindende Welle hat im Getriebeteil
einen Käfig,
an dem Planetenräder
drehbar befestigt sind. Diese Planetenräder haben ein Außengewinde,
das sich an einem Innengewinde eines Gehäuses abwälzt. Weiter ist ein topfförmiger Kolben
vorgesehen, der axial verschieblich in dem Gehäuse geführt wird und der mit einem
Innengewinde in das Außengewinde
der Planetenräder
eingreift.
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Die
DE 195 11 287 A1 zeigt
einen Aktuator, der als Betätigungseinrichtung
für eine
Scheibenbremse dient. Dieser Aktuator weist einen elektronisch kommutierbaren
Elektromotor (Torque-Motor) mit in einem Gehäuse angeordneten Statorspulen auf,
die einen Hohlwellenrotor umschließen. Der Hohlwellenrotor besteht
aus einem ringförmigen
Träger teil,
an dessen Außenseite
mehrere Permanentmagnetsegmente angeordnet sind, die mit den Statorspulen
einen magnetischen Wirkkreis bilden. Der Hohlwellenrotor ist über das
Trägerteil
und eine Paßfeder
drehfest mit einer Innengewindemutter eines Rollengewindegetriebes
verbunden. Das Rollengewindegetriebe besteht aus einer axial verschiebbaren
Gewindespindel, die als Betätigungselement
der Scheibenbremse dient, sowie mehreren Gewinderollen, die planetenartig
in Umfangsrichtung versetzt zwischen der Innengewindemutter und
der Gewindespindel angeordnet sind und die durch Führungsscheiben
radial geführt
und axial fixiert sind. Eine vom Torque-Motor, d.h. von den Statorspulen
und dem Hohlwellenrotor erzeugte Drehbewegung wird über die
Paßfeder
auf die Innengewindemutter des Rollengewindegetriebes übertragen
und durch die Gewinderollen in eine Axialbewegung der Gewindespindel
umgewandelt.
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Aus
der
EP 0 320 621 A1 ist
ein ähnlicher mechanischer
Linearantrieb bekannt, der eine Umwandlung einer Drehbewegung in
eine Axialbewegung ermöglicht.
Der Linearantrieb weist eine Spindelstange mit einer Außenprofilierung
auf, ein die Spindelstange umschließendes Hohlrad mit einer Innenprofilierung
und Planetenrollen, die in Umfangsrichtung versetzt zwischen der
Spindel und dem Hohlrad angeordnet sind. Die Planetenrollen weisen an
ihren Außenseiten
jeweils zwei verschiedene Profilierungen auf, wobei die eine Profilierung
in Axialrichtung in die Außenprofilierung
der Spindel und die andere Profilierung in die Innenprofilierung
des Hohlrades eingreift. Bei einer Ausführungsform ist außen an der
Spindel ein Feingewinde mit geringer Steigung vorgesehen. Die Planetenrollen
weisen eine entsprechend dem Spindelgewinde ausgebildete Teilung
in Form von nebeneinander angeordneten Rillen auf, die in das Spindelgewinde
eingreifen. Damit alle Planetenrollen exakt in die Gewindesteigung
der Spindel eingreifen, sind die spindelseitigen Rillen der einzelnen
Planetenrollen von Rolle zu Rolle mit einem bestimmten Teilungsversatz
angeordnet. Die Innenprofilierung des Hohlrades ist durch mehrere V-förmige Rillen
gebildet, in die eine entsprechend gestaltete V-förmige Außenprofilierung
der Planetenrollen eingreift. Wird die Spindel relativ zum Hohlrad gedreht,
so führt
dies zu einer axialen Relativverschiebung der Spindel gegenüber dem
Hohlrad bzw. den Planetenrollen. Ein Ende der Spindel ist mit einem
Antriebs motor, wie z.B. einem Elektromotor, koppelbar. Im weiteren
Sinne kann obiger Linearantrieb als Getriebe bezeichnet werden.
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Aus
der
DE 197 36 734
A1 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung
in eine Translationsbewegung bekannt, die aus einem Wälztrieb
mit Planetenrädern
und zwei Hohlrädern
besteht.
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Weiter
ist es allgemein bekannt, Motor und Getriebe nicht nur aufeinander
abzustimmen, sondern auch in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren, wodurch
z.B. Gehäuseteile
eingespart werden.
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Aus
der WO 89/03490 A1 beispielsweise ist ein elektrischer Scheibenbremsaktuator
bekannt, bei dem an ein Gehäuse
eines Bremssattels ein Elektromotor angeflanscht ist.
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Konventionelle
Motor-Getriebe-Kombinationen besitzen meist als limitierende Faktoren
eine relativ aufwendige Lagerung, eine relativ hohe Anzahl von Teilen,
haben einen großen
Raumbedarf und hohe Herstellkosten. Wünschenswert ist es, diese Nachteile
zu vermeiden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen mechatronischen Aktuator zu schaffen,
der einen geringen Bauraumbedarf hat, aus einer geringen Anzahl
von Teilen besteht und mit geringeren Herstellkosten fertigbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Das
Grundprinzip der Erfindung besteht darin, daß ein elektromotorisches Teil,
d.h. ein Teil, das mit mehreren Magnetfeldspulen einen elektromotorischen
Wirkkreis bildet, gleichzeitig ein Getriebeelement ist. Durch diese
Doppelfunktion spart man ein Motor- oder Getriebeteil ein, verringert
die Baugröße und die
Herstellkosten.
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Es
werden also nicht, wie im Stand der Technik – z.B. in der eingangs erwähnten
DE 195 11 287 A1 – nur zwei
selbständige
Baugruppen (kompletter Motor und komplettes Getriebe) miteinander
gekoppelt (dort durch eine Paßfeder),
sondern eine Funktionsvereinigung vorgeschlagen und zwar derart,
daß der
Stator des Elektromotors direkt und unmittelbar eines oder mehrere
Aktuatorbauteile antreibt, die damit wesentliches Funktionselement
auch des Motors sind. Mit anderen Worten ist gemäß der Erfindung gerade keine
funktionelle Trennung zwischen elektromotorischen Komponenten und
Aktuator- bzw. Getriebekomponenten möglich, da mindestens eine Getriebekomponente
gleichzeitig auch eine elektromotorische Komponente ist.
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Der
durch die Magnetfeldspulen, d.h. durch den Stator erzeugte magnetische
Fluß treibt
direkt den Rotor an, d.h. eines oder mehrere Getriebebauteile werden
durch die erzeugten Magnetfelder in Drehbewegung versetzt. Als Getriebe
können
insbesondere Umlaufgetriebe verwendet werden, die z.B. auf dem eingangs
genannten Prinzip der "Planeten-Wälz-Gewindespindel" oder auf Rollengewindegetrieben
bzw. auf einem Planetengetriebe basieren, Reibradgetriebe, Cyclo- bzw. Kurvenscheiben-Exzentergetriebe
oder sogenannte "Harmonic
Drive"- bzw. Ellipsoid-Umlaufgetriebe.
Als Getriebe eignen sich insbesondere axialsymmetrische Bauarten
mit rotatorischem Antrieb.
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So
kann z.B. die Mutter oder das Hohlrad des Getriebes gleichzeitig
der Rotor des Elektromotors sein, oder es können die Planeten eines Getriebes
den magnetischen Fluß zwischen
den Statorpolen weiterleiten.
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Ferner
können
verschiedene bekannte elektromotorische Antriebsprinzipien verwendet
werden, wie z.B. das sogenannte Switched-Reluctance-Prinzip (SR),
das Asynchronprinzip (AS), das Synchronprinzip (SY) oder das Stepper-Prinzip (ST).
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Mit
der Erfindung ist eine Integration von Getriebe und Motor möglich. Da
einzelne Bauteile sowohl eine elektromotorische als auch eine mechanische
Getriebefunktion übernehmen,
lassen sich im Vergleich zu herkömmlichen
Bauarten der Bauraumbedarf und Kosten verringern. Zusätzlich kann
eine mechanische Bremse sehr platzsparend vorgesehen bzw. integriert
sein. Je nach Anwendung können
zusätzlich
Sensoren wie z.B. Drehwinkelsensoren, Drehmomentensensoren, Temperatursensoren
in den mechatronischen Aktuator integriert sein. Je nach Anwendung
kann mit der erfindungsgemäßen Konstruktion
auf die bislang notwendige Lagerung sowie auf ein Wegmeßsystem
vollständig
verzichtet werden, was weitere Vorteile hinsichtlich Bauraum und
Kosten bringt.
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Grundsätzlich können bei
der erfindungsgemäßen Integration
von Getriebe und Motor verschiedene Motorprinzipien verwendet werden.
Eine Unterteilung ist z.B. nach der Richtung des magnetischen Flusses
im Luftspalt zwischen den Magnetfeldspulen und dem Rotor möglich oder
nach den Bauelementen, die sowohl mechanisch als auch elektrisch und/oder
magnetisch genutzt werden.
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Der
magnetische Fluß wird
vorzugsweise von Magnetfeldspulen erzeugt, die jeweils um einen Weicheisenkern
gewickelt sein können
und die in ihrer Gesamtheit als Statorpol bezeichnet werden können. Der
Fluß im
Statorpol folgt dabei vereinfachend der Symmetrieachse des Kerns.
An Enden der Statorpole tritt der magnetische Fluß über einen
Luftspalt auf kürzestem
Wege in die nächstgelegenen
Rotorpole über.
Die Hauptflußrichtung
ist dabei nur dann genau senkrecht durch Polflächen gerichtet, wenn die Statorpole
und die Rotorpole ausgerichtet sind, d.h. wenn sie sich gegenüberliegen.
Sind die Pole nicht genau aufeinander ausgerichtet, so verläuft der Fluß auf kürzestem
Weg zwischen den Polen.
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Betrachtet
man die Polflächen,
so können
sie bevorzugt in axialer Richtung oder in radialer Richtung angeordnet
sein. Radiale Anordnungen der Polflächen sind insbesondere in Kombination
mit dem Synchron-, Asynchron- oder Switched-Reluctance-Prinzip möglich. Axiale, d.h. achsparallele
Polflächen,
eignen sich am besten in Kombination mit dem Switched-Reluctance-Prinzip.
Es ist jedoch auch eine Kombinatin von axialen und radialen Polanordnungen
möglich.
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Bei
Elektroantrieben gilt ganz allgemein, daß die vom magnetischen Fluß durchströmte Fläche und deren
mittlerer Wirkradius, d.h. der Hebelarm um die Drehachse, die Leistung
des Elektromotors ganz wesentlich bestimmen. Es ist somit von Vorteil,
wenn die durch die magnetischen Felder erzeugte motorische Wirkung
an einem großen
Hebelarm und an großen Polflächen angreift.
Bei dem eingangs genannten Getriebe, das nach dem Prinzip der Planeten-Wälz-Gewindespindel
arbeitet, kommt begünstigend
hinzu, daß wegen
der möglichen
sehr geringen Gesamtsteigung auch nur relativ geringe Antriebsmomente
und damit auch nur relativ geringe elektrische Motorleistungen für die Erzeugung
großer
Axialkräfte
erforderlich sind. Wegen der konstruktiv meist leichter zu realisierenden
großen
vom Magnetfeld durchströmten
Flächen
auf großem
Radius, d.h. mit großem
Hebelarm, sind bei radialen Anordnungen der Polflächen größere Wirkungsgrade
und Leistungen erzielbar als bei axialen Anordnungen.
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Für einen
Magnetfluß radial
zur Rotationsachse des Motors eignen sich primär das Switched-Reluctance-Prinzip
und das Stepper-Prinzip.
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Für einen
Magnetfluß parallel
zur Rotationsachse des Elektromotors eignen sich primär das Switched-Reluctance-Prinzip,
das Stepper-Prinzip, das Asynchronprinzip und das Synchronprinzip.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zqeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines distanzscheibengetriebenen integrierten Linearantriebes;
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2 einen
Schnitt durch einen muttergetriebenen bzw. hohlradgetriebenen integrierten
Linearantrieb;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines muttergetriebenen bzw. hohlradgetriebenen
integrierten Linearantriebes;
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4 ein
Ausführungsbeispiel
eines planetensatz-getriebenen integrierten Linearantriebes mit Permanentmgneten;
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5 einen
distanzscheiben-getriebenen integrierten Linearantrieb mit Permanentmagneten; und
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6 ein
Ausführungsbeispiel
mit einem Ellipsoid-Umlaufgetriebe.
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1 zeigt
einen Axialschnitt eines distanzscheibengetriebenen integrierten
Linearantriebes. Der Linearantrieb weist eine Spindel bzw. Spindelstange 1,
ein Hohlrad 2 und mehrere zwischen der Spindel 1 und
dem Hohlrad 2 in Umfangsrichtung der Spindel 1 verteilt
angeordnete Planetenrollen auf, wobei hier lediglich die Planetenrollen 3, 4 und 5 zu erkennen
sind. Die Planetenrollen 3–5 weisen zapfenartige
Enden 6, 7 auf, über die sie in Distanzscheiben 8, 9 drehbar
gelagert und somit zusätzlich
in Umfangsrichtung relativ zueinander positioniert sind. Zur Lagerung
können
beispielsweise Gleitlager oder Wälzlager
(nicht dargestellt) verwendet werden.
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Die
Distanzscheiben 8, 9 sind zusammen mit den Planetenrollen 3–5 um
die Spindel 1 drehbar. Im Außenbereich der Distanzscheiben 8, 9 sind
jeweils mehrere radial abstehende Polstücke 10–15 vorgesehen.
Ferner sind den beiden Distanzscheiben 8, 9 jeweils
mehrere Magnetfeldspulen 16, 17 zugeordnet, die
in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und die hier nur schematisch
dargestellt sind. Die Magnetfeldspulen 16, 17 haben
die Form von "Klammern" bzw. sind C- förmig und weisen jeweils Luftspalte 18 auf,
in die die Polstücke 10–15 ragen.
Durch eine geeignete elektrische Ansteuerung der Magnetfeldspulen 16, 17 wird
in den Luftspalten 18 ein magnetischer Fluß erzeugt,
der die Polstücke 10–15 durchsetzt
und die Distanzscheiben 8, 9 und die Planetenrollen 3–5 in
Relativdrehung um die Spindel 1 versetzt. Aufgrund der "klammerartigen" Form der Magnetfeldspulen 16, 17,
durch deren "Öffnungen" die Polstücke 10–15 laufen,
wird eine gute magnetische Durchflutung der Polstücke 10–15 und
somit eine gute elektromechanische Kraftübertragung erreicht, wobei
es vorteilhaft ist, wenn die Polstücke 10–15 einstückig in
die Distanzscheiben 8, 9 übergehen. Die Distanzscheiben 8, 9 bzw.
die Polstücke 10–15 sind
also integraler Bestandteil des mechanischen Getriebes sowie integraler
Bestandteil des elektromagnetischen Wirkkreises, der das mechanische Getriebe
antreibt.
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Die
Planetenrollen 3–5 weisen
ferner mehrere V-förmige
Einkerbungen 19 auf, in die zugeordnete V-förmige Profilierungen 20 eingreifen,
die an der Innenseite des Hohlrades 2 vorgesehen sind.
Die Planetenrollen 3–5 sind
somit durch die V-förmige
Profilierung 20 relativ zum Hohlrad 2 geführt.
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Die
Planetenrollen
3–
5 weisen
an ihrer Außenseite
ferner eine Feinprofilierung
21 auf, die in ein an der
Außenseite
der Spindel
1 vorgesehenes Feinprofil
22 eingreift.
Eine Drehung der Distanzscheiben
8,
9 bzw. der
Planetenrollen
3–
5 führt somit
zu einer axialen Relativverschiebung der Spindel
1 gegenüber dem
Hohlrad
2, den Planetenrollen
3–
5 und
den Distanzscheiben
8,
9, was in der eingangs
genannten
EP 0 320
621 A1 ausführlich
erläutert
ist. Mit dem gezeigten Linearantrieb ist eine Umwandlung einer Drehbewegung
in eine Linearbewegung möglich,
sofern mindestens eine der Profilierungen, d.h. die Grob- bzw. Feinprofilierung
auf der Spindelstange
1, die Grob- bzw. Feinprofilierung
der Planeten oder des Hohlrades
2 als Gewinde ausgeführt ist.
Gebräuchliche
Anordnungen kombinieren eine gewindeprofilierte Spindelstange
1 mit
einem Hohlrad bzw. einer Mutter, die steigungsfreie Stege als Profilierung
aufweist, bzw. eine gewindeprofilierte Mutter mit einer rillenprofilierten
Spindelstange. Dabei sind die Planeten vorzugsweise rillenprofiliert
oder weisen im Eingriff mit der gewindeprofilierten Komponente,
d.h. der Mutter bzw. der Spindelstange, jeweils selbst auch ein
Gewinde mit gleicher oder gegensinniger Steigung auf.
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Die
Integration von Getriebe und Motor erfolgt dadurch, daß die Distanzscheiben 8, 9 (Treibscheiben)
am Ende der Planetenrollen 3–5 des Planeten-Wälz-Gewindespindelgetriebes
(PWG) gleichzeitig als Rotor eines Elektromotors fungieren. Sie können so
ausgeführt
sein, daß sie
für mindestens
eines der verschiedenen Motorfunktionsprinzipien – Switched-Reluctance-Prinzip,
Asynchronprinzip, Synchronprinzip – optimal gestaltet sind. Hier
ist das Switched-Reluctance-Antriebsprinzip
mit dafür
geeigneter Distanzscheibenbauart dargestellt. Die von den Distanzscheiben 8, 9 radial
abstehenden passive Polstücke 10–15 werden
in das magnetische Feld der durch die Magnetfeldspulen 16, 17 gebildeten Statorpole
gezogen. Schaltet man die Statorpole paarweise durch, so werden
die Distanzscheiben 8, 9 in Drehbewegung versetzt.
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Es
ist sinnvoll, die beiden Distanzscheiben 8, 9 konstruktiv
gleichartig auszuführen
und die beiden "Antriebseinheiten" synchron zu betreiben,
um Schränkbewegungen
der Planetenrollen 3–5 allein durch
das Antriebsprinzip zu unterbinden. Gegebenenfalls kann jedoch ein
etwas "versetzter
Feldverlauf" an
den beiden Enden der Planetenrollen 3–5 dazu genutzt werden,
um den Planetensatz gezielt zu verdrillen, was eine "Verkeilung" bzw. "Verklemmung", d.h. ein stark
erhöhtes
Bremsmoment, hervorruft. Dies kann sowohl für eine Feststellung im Stillstand – d.h. als
elektromechanische Bremse zum Festellen oder Halten – als auch
für extrem
hohe Bremsleistungen im Vorschubbetrieb genutzt werden, was z.B.
in Notaus-Situationen erforderlich ist.
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Die
in 1 dargestellte distanzscheibengetriebene Bauform eines
integrierten Linearaktors (DIL-Bauform) bietet in Verbindung mit
einem rillenprofilierten Planeten-Wälz-Gewindespindelgetriebe den
Vorteil, daß die
Gesamtsteigung des Systems der Steigung der Spindel 1 entspricht,
d.h. es liegt ein steigungsgetreues System ohne Schlupf vor.
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Das
Hohlrad 2 bzw. die "Mutter" dient nur nach der
Aufnahme radialer und axialer Kräfte
sowie von Abstützmomenten.
Dadurch wird eine Axiallagerung im Kraftfluß vollständig ersetzt, was Reibungsverluste
verringert und den Gesamtwirkungsgrad wesentlich anhebt.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines muttergetriebenen bzw. hohlradgetriebenen integrierten Linearantriebes
(MIL)- vgl. 3.
Hier sind ebenfalls eine Spindel 1, ein Hohlrad 2 und
dazwischen angeordnete Planetenrollen 3, 4 vorgesehen, die
entsprechend 1 in ein Feinprofil 22 der
Spindel 1 und eine Profilierung (nicht dargestellt) an
der Innenseite des Hohlrades 2 eingreifen. Analog dem Ausführungsbeispiel
der 1 sind die Planetenrollen 3, 4 in
Distanzscheiben 8, 9 gelagert, die hier ringförmig gestaltet
sind.
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Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
der 1 sind hier an der Außenseite des Hohlrades 2 in Umfangsrichtung
versetzt Polstücke 10, 11 angeordnet.
Die Polstücke 10, 11 ragen
analog zur 1 in von Magnetfeldspulen 16 gebildete
Luftspalte 18, die hier ebenfalls nur schematisch dargestellt
sind.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
fungiert somit die "Mutter" bzw. das Hohlrad 2 des
Planeten-Wälz-Gewindespindelgetriebes
gleichzeitig als Rotor eines Elektromotors. Das Hohlrad 2 bzw.
dessen Polstücke 10, 11 können so
ausgeführt
sein, daß sie
jeweils für
mindestens eines der verschiedenen Motorfunktionsprinzipien (Switched-Reluctance-Prinzip,
Asynchronprinzip, Synchronprinzip) optimal gestaltet sind.
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3 zeigt
eine dem Ausführungsbeispiel der 2 entspre chende
Darstellung eines muttergetriebenen integrierten Linearantriebes.
Hier ist wiederum das Switched-Reluctance-Prinzip mit dafür geeigneter Mutternbauart
dargestellt. Das Hohlrad besitzt hier sechs ferromagnetische Pole 10–15,
die über
den Außendurchmesser
des Hohlrades 2 überstehen
und die hier axial von den Magnetfeldern durchflossen werden, die
von acht Polen des Stators, d.h. von Magnetfeldspulen 16,
erzeugt werden. Die hier dargestellten acht Statorpole sind getrennt
gewickelt. Zwei gegenüberliegende
Statorpole bilden jeweils ein magnetisch gegensinnig gerichtetes
Polpaar. Das Hohlrad 2 erfährt ein Drehmoment, das seine
Induktivität
zu vergrößern tendiert.
Die maximale Induktivität
entsteht, wenn zwei Rotorpole genau unter einem aktiven Statorpolpaar
liegen, d.h. ausgerichtet sind. Sobald der Rotor, d.h. das Hohlrad 2,
diese ausgerichtete Position erreicht, wird die aktive Phase abgeschaltet
und das nächste
Polpaar wird aktiv geschaltet. Damit wird das nächste passive Rotorpolpaar
in das Feld des aktiven Statorpolpaares gezogen. Diese Anordnung
und Beschaltung wird als "Switched-Reluctance-Prinzip" bezeichnet. Schaltet man
die klammerförmigen
Statorpole, d.h. die Magnetfeldspulen 16, paarweise durch,
so wird das Hohlrad 2 in Drehbewegung versetzt. Es sind
auch Beschaltungen möglich,
die gleichzeitig mehrere Polpaare bestromen, wodurch weichere Übergänge und ein
ruhiger Lauf erreicht werden.
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In
Stirnflächen 23 des
Hohlrads 2 können Axiallagersitze
eingearbeitet sein, was die Teilezahl und die Herstellkosten weiter
senkt.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
kann die Antriebsleistung durch Vergrößerung der von den Magnetfeldern
durchströmten
Fläche
erhöht
werden. Das kann beispielsweise durch eine zwei- oder mehrreihige
Polanordnung (vgl. 1) erreicht werden.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines planetensatzgetriebenen integrierten Linearantriebes (PIL).
Hier dienen die Planetenrollen als Rotoren des Elektromotors. An
den Enden 6, 7 der Planetenrollen (hier nicht
zu erkennen) sind jeweils Permanentmagneten 24 vorgesehen,
die in den Planetenrollen eine Nord-Süd- bzw. Süd-Nord-Magnetisierung bewirken.
Die Planetenrollen sind hier analog zu den o.g. Ausführungsbeispielen
durch Distanzscheiben 8 auf gleichmäßigem Abstand geführt. Der
Antrieb erfolgt durch ein in axialer Richtung auf die Planetenenden 6, 7 gerichtetes
wechselndes Magnetfeld, das durch die Magnetfeldspulen 16 erzeugt
wird. Auch hier sind die Magnetfeldspulen 16 so verschaltet,
daß der
Planetensatz vom umlaufend geschalteten Wechselfeld angetrieben
wird.
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Die
in 4 gezeigte PIL-Bauform bietet in Verbindung mit
einem Planeten-Wälz-Gewindespindelgetriebe
den Vorteil, daß die
Gesamtsteigung des Systems genau der Steigung des Feingewindes der Spindel 1 bzw.
der Mutter entspricht, d.h. es liegt ein steigungstreues System
ohne Schlupf vor.
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Wie
bei der in 1 dargestellten DIL-Bauform
ist keine zusätzliche
Axiallagerung erforderlich. Die Mutter ist hier vollständig festgelegt,
und die Spindel 1 ist gegen Verdrehen gesichert.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Linearantriebes, bei dem die Permanentmagneten 24 in
die Distanzscheiben 8 bzw. 9 integriert sind.
Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel
der 4 sind die Permanentmagneten 24, 25 radial
außerhalb
der Planetenrollen 3, d.h. in einem größeren Abstand von der Spindel 1,
angeordnet, wodurch sich der "Hebelarm" des Elektromotors,
d.h. dessen Leistung, erhöht.
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Ferner
ist eine Kombination des in 5 gezeigten "PIL-Prinzips" mit dem in 1 dargestellten "DIL-Prinzip" möglich. Die
Permanentmagnete 24, 25 können in beiden Distanzscheiben 8, 9 angeordnet sein
und mit zwei Spulenreihen einen doppelreihigen Motor bilden (vgl. 1).
Anstatt der in 1 gezeigten überstehenden Polstücke 10–15 können die
Permanentmagnete 24, 25 in die Distanzscheiben 8, 9 integriert
sein. Der Antrieb kann sowohl synchronisiert erfolgen als auch mit
einer gezielten "Verdrillung", was im Zusammenhang
mit 1 beschrieben wurde.
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Bei
einem weiteren möglichen
Ausführungsbeispiel
(nicht dargestellt) dienen ebenfalls die Planetenrollen im Satz
als Rotoren des Elektromotors. An beiden Enden oder im gesamten
Kern der Planetenrollen sind wiederum Permanentmagneten vorgesehen,
die in den Planetenrollen eine Nord-Süd- bzw. Süd-Nord-Magnetisierung bewirken.
In den Distanzscheiben werden die Planetenrollen auf gleichmäßigem Abstand
geführt,
d.h. auf eine Verzahnung kann verzichtet werden. Der Antrieb erfolgt
durch ein in axialer Richtung auf die Planetenenden gerichtetes wechselndes
Magnetfeld. Auch hier sind die Magnetfeldspulen so verschaltet,
daß der
Planetensatz vom "umlaufenden" Wechselfeld angetrieben
wird. Günstig
ist es, das Hohlrad festzulegen und die Axial- bzw. Vorschubbewegung
von der Spindel abzunehmen.
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Wahlweise
kann auch nur ein Planetenträger als
Rotor des Elektromotors dienen. Die Magneten sind dann in den Planetenträger eingelassen
und in axialer Richtung jeweils Nord-Süd oder Süd-Nord magnetisiert.
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Mit
den dargestellten Direktantriebskonzepten können nicht nur Planeten-Wälz-Gewindespindelgetriebe
und bauartähnliche
Rollengewindegetriebe als vollintegrierte Antriebseinheiten ausgeführt werden.
Vielmehr eröffnet
die Integration von Getriebe, Elektromotor, Sensorik, lokaler Regelung
bzw. eines Kommunikationsbussystems bzw. deren Funktionsvereinigung
auch bei anderen Antriebskonzepten interessante Perspektiven. Planetengetriebe,
Cyclogetriebe, Flex-Spline-Getriebe
(Harmonic Drive), Differentialspindelgetriebe, Reibradgetriebe etc.
können in
analoger Weise betrieben werden. Insbesondere solche Bauformen,
die auch bei schlupfbehafteter Leistungsübertragung einen Antrieb ermöglichen, der
steigungstreuen Vorschub garantiert, sind von Bedeutung, weil kein
Wegmeßsystem
und keine Axiallagerung mehr erforderlich sind. Bauprinzipbedingt lassen
sich mit Planeten-Wälz-Gewindespindelgetrieben
besonders kleine Systemsteigungen realisieren, die deswegen auch
bei hohen Axiallasten nur relativ geringe Antriebsmomente erfordern.
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Analog
gilt für
sog. "Harmonic-Drive-Getriebe" bzw. "Flex-Spline-Getriebe", daß mit ihnen
sehr hohe Unter- bzw. Übersetzungen
spielfrei zu realisieren sind.
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Speziell
bei diesen Antriebskonzepten lassen sich die Vorteile einer hohen
Integration durch mehrfache Nutzung der Bauelemente und Zusammenführung von
Mechanik, elektrischer Antriebstechnik und Sensorik, ggf. erweitert
durch eine damit verbundene Regelung des Gesamtantriebes und eine
Datenübertragung
besonders platz-, material- und kostensparend sowie energieverbrauchsoptimiert
nutzen.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines mechatronischen Aktuators mit einem Ellipsoid-Umlaufgetriebe.
Dieser mechatronische Aktuator weist ein Hohlrad 26, ein
radial elastisches becherartiges Teil 27 sowie ein Ellipsoid-Kugellager
auf, das aus einem radial elastischen Außenring 28 und einem
starren Innenring 29 besteht. Der Innenring 29 hat
in der Draufsicht, d.h. in Axialrichtung gesehen, eine leicht elliptische
Form, was in der vorliegenden perspektivischen Darstellung nicht
erkennbar ist.
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An
der radial inneren Seite des Innenrings 29 sind in Umfangsrichtung
beabstandet Polstücke 10, 11 angeordnet,
die ähnlich
wie bei den obigen Ausführungsbeispielen
klammerartig von Magnetfeldspulen 16, 17 umgriffen
werden. Ähnlich
wie bei einem herkömmlichen
Kugellager sind zwischen dem Innenring 29 und dem Außenring 28 Kugeln 30 vorgesehen,
die auf einer äußeren Lauffläche des
Innenrings 29 bzw. auf einer inneren Lauffläche des Außenrings 28 abrollen.
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Der
Außenring 28 ist
an der radial inneren Seite des becherartigen Teils 27 befestigt.
Das becherartige Teil 27 und der Außenring 28 haben im Gegensatz
zu dem Innenring 29 relativ hohe radiale Elastizität.
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An
der Außenseite
des becherartigen Teils 27 ist eine Außenverzahnung vorgesehen, die
in eine zugeordnete Innenverzahnung des Hohlrades 26 eingreift.
Eine Besonderheit des Ellipsoid-Umlaufgetriebes besteht darin, daß das Hohlrad 26 und
das becherartige Teil 27 unterschiedliche Zähnezahlen haben.
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Das
Hohlrad 26 ist nämlich
kreisförmig,
wohingegen das radial elastische becherartige Teil 27 und
der Außenring 28 eine
ovale bzw. elliptische Form haben, entsprechend der elliptischen
Form des Innenrings. Die Außenverzahnung
des becherartigen Teils 27 steht somit nur an zwei diametral
gegenüberliegenden
Stellen mit der Innenverzahnung des Hohlrades 26 in Eingriff.
Die Eingriffsstellen entsprechen der Drehstellung der langen Hauptachsen
der Ellipsen, d.h. der langen Hauptachsen des elliptischen Innenrings 29 bzw.
des entsprechend verformten Außenrings 28 und
des becherartigen Teils 27. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel
besteht zwischen dem Hohlrad 26 und dem becherartigen Teil 27 eine
Zahndifferenz von genau zwei Zähnen.
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Das
Hohlrad 26 und das becherartige Teil 27 weisen
ferner jeweils in Umfangsrichtung beabstandete Flanschlöcher 31 bzw. 32 auf.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise näher erläutert. Durch eine geeignete
zeitliche Ansteuerung der Magnetfeldspulen 16, 17 werden
an den Polstücken 10, 11 Umfangskräfte erzeugt,
die den elliptischen Innenring 29 in Drehung versetzen.
Bei der Drehung des Innenrings 29 überträgt sich dessen elliptische
Form über
die Kugeln 30 auf den Außenring 28 bzw. das
radial elastische becherartige Teil 27. Der Außenring 28 bzw.
das becherartige Teil 27 werden also entsprechend radial
elliptisch verformt. Folglich laufen die Hauptachsen des becherartigen Teils 27 bzw.
des Außenrings 28 entsprechend
der Drehung des elliptischen Innenrings 29 um, wobei die Außenverzahnung
des becherartigen Teils 27 an den diametral gegenüberliegenden
Eingriffsstellen auf der Innenverzahnung des Hohlrades 26 abwälzt. Somit
wird eine Drehbewegung vom Innenring 29 auf das becherartige
Teil 27 übertragen.
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Entsprechend
den obigen Ausführungsbeispielen
bildet auch hier ein mechanisches Getriebeteil, nämlich der
elliptische Innenring 29 ein Teil eines elektromotorischen
Wirkkreises. Dieser auf einem Ellipsoid-Umlaufgetriebe basierender
mechatronischer Aktuator hat im Vergleich zu herkömmlichen
Stufengetrieben eine große
Untersetzung und eine kompakte Bauweise, da die Drehachse des Antriebsteils, d.h.
des elliptischen Innenrings 29 mit der Drehachse des Abtriebsteils,
d.h. mit dem becherartigen Teil 27, zusammenfällt.