DE102004056211B4

DE102004056211B4 - Rotationslinearantrieb mit Gebereinrichtung

Info

Publication number: DE102004056211B4
Application number: DE102004056211A
Authority: DE
Inventors: Erich 97618 Bott; Matthias 97711 Braun; Holger 97461 Schunk; Rolf 36129 Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2024-11-23
Also published as: WO2006056551A1; US7755315B2; DE102004056211A1; US20090039713A1; JP2008521378A

Abstract

Rotationslinearantrieb mit – einer Linearantriebseinrichtung (2), die einen Primärteil (6), und einen Sekundärteil (4) aufweist, wobei – der Sekundärteil (4) als Außenläufer ausgestaltet ist und – eine Gebereinrichtung zur Erfassung einer Linearbewegung und einer Rotationsbewegung des Sekundärteils (4) zumindest teilweise im Inneren des Primärteils (6) angeordnet ist, wobei mindestens eine Komponente der Gebereinrichtung an einen Hohlzapfen (10) des Sekundärteils (4) montiert ist, und wobei der Hohlzapfen (10) in das Innere des Primärteils (6) ragt, wobei ein feststehender Sensorzapfen (13) in das Innere des Hohlzapfens (10) ragt, wobei an dem freien Ende des Hohlzapfens (10) ein Lineargebermagnet (16) angebracht ist, dessen Linearbewegung durch einen Sensor (17) in dem Sensorzapfen (13) erfassbar ist, wobei am Umfang des Hohlzapfens (10) mindestens ein Rotationsgebermagnet (12) angeordnet ist, dessen Rotationsbewegung durch einen Sensor (14) an der freien Stirnseite des Sensorzapfens (13) erfassbar ist, wobei die axiale Erstreckung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotationslinearantrieb mit einer linearen Antriebseinrichtung, die einen Primärteil und einen Sekundärteil aufweist.
Rotationslinearantriebe sind allgemein bekannt. Rotationslinearantriebe mit Außenläufer für den Linearantrieb haben den Vorteil gegenüber Rotationslinearantrieben mit Innenläufer, dass sie bei gleichem Außendurchmesser über eine größere Luftspaltfläche verfügen, so dass höhere axiale Kräfte erzeugt werden können.
Sowohl die lineare Bewegung als auch die Rotationsbewegung derartiger Rotationslinearantriebe muss zu deren Ansteuerung durch entsprechende Geber erfasst werden. Hierfür geeignete magnetische Erfassungseinrichtungen sind jedoch in der Regel sehr empfindlich gegenüber Exzentritäten zwischen den Gebermagneten und dem Sensor.
Darüber hinaus ist die Platzierung der Magnetfeldsensoren der Gebereinrichtungen kritisch. Sie müssen grundsätzlich gegenüber den Elektromagneten beziehungsweise Permanentmagneten des Linearantriebs abgeschirmt oder von diesen entsprechend weit entfernt sein.
In der nachveröffentlichten Druckschrift DE 103 24 601 A1 wird eine Antriebsvorrichtung für Linear- und Rotationsbewegung beschreiben. Der Sekundärteil des Linearantriebs ist als Außenläufer ausgestaltet. Im Inneren des Außenläufers befindet sich ein Sensor, mit dem die lineare Bewegung bzw. die lineare Position für die Steuerung des Antriebs detektierbar ist.
Darüber hinaus beschreibt der Artikel von Juergen Carstens, Siemens AG: „Endanschläge in einem Rotationslinearantrieb”, in IP.com Datenbank vom 24.08.2004 Anschläge am Gehäuse eines Rotationslinearantriebs. Der Linearantrieb weist ebenfalls einen Außenläufer auf.
Ferner zeigt die Druckschrift EP 1 375 205 A2 einen Sensor zur Erfassung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Teile. Zur berührungslosen Messung werden Magnete und entsprechende Magnetsensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren oder PLCD-Sensoren eingesetzt. Hierbei werden das Sensorelement auf dem stationären Teil und der Ansteuermagnet auf dem bewegten Teil des Systems angeordnet.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 103 59 713 A1 eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung der Rotorstellung eines Elektromotors bekannt. Dabei ist eine Anordnung von Hall-Sensoren im Zentrum eines magnetischen Polrads zur Winkelmessung beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Rotationslinearantrieb mit verbesserter Gebereinrichtung vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Rotationslinearantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Durch die Anordnung der Gebereinrichtung zumindest teilweise im Inneren des Primärteils lässt sich diese weitestgehend von den magnetischen Einrichtungen des Primärteils abschirmen. Dadurch ist eine erhöhte Qualität der Gebersignale gewährleistet.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist mindestens eine Komponente der Gebereinrichtung an einen Hohlzapfen des Sekundärteils montiert, wobei der Hohlzapfen in das Innere des Primärteilteils ragt. Somit ist die Bewegung des Sekundärteils im Inneren des Primärteils registrierbar.
Zur Erfassung der Bewegung des Hohlzapfens ragt ein feststehender Sensorzapfen in das Innere des Hohlzapfens Dadurch können Bewegungen von Gebermagneten registriert werden, die an dem Hohlzapfen befestigt sind.
Am freien Ende des Hohlzapfens ist ein Lineargebermagnet angebracht, dessen Linearbewegung durch einen Sensor in dem Sensorzapfen erfasst wird. Speziell kann es sich bei dem Magneten um einen Ringmagneten handeln, der über einen zylinderförmigen Linearsensor mit einer Sekundärspule und zwei Primärspulen bewegt wird.
Weiterhin ist am Umfang des Hohlzapfens mindestens ein Rotationsgebermagnet angeordnet sein, dessen Rotationsbewegung durch einen Sensor an der freien Stirnseite des Sensorzapfens erfassbar ist. Der im Inneren des Hohlzapfens arbeitende Sensor ist somit weitgehend von äußeren Einflüssen abgeschirmt.
Vorzugsweise wird der Hohlzapfen in einer Bohrung des Primärteils gelagert. Dadurch, dass die Gebereinrichtung an dem Hohlzapfen und somit in der Nähe des Lagers angeordnet ist, lassen sich Exzentritäten größtenteils vermeiden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Primärteil eine Kühleinrichtung auf. Diese sollte insbesondere auch den inneren Bereich des Primärteils kühlen, so dass die Gebereinrichtung, aber auch das Lager des Hohlzapfens, nicht durch die Verlustleistung des Primärteils übermäßig erwärmt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotationslinearantrieb zeigt.
Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Der in der FIG dargestellte Rotationslinearantrieb besitzt eine Rotationsantriebseinheit 1 und eine Linearantriebseinheit 2. Somit lässt sich eine Welle 3 sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung bewegen. Derartige Bewegungen sind beispielsweise für Rollen von Druckmaschinen oder für Werkzeugmaschinen und insbesondere Fräsmaschinen notwendig.
Der Linearantrieb 2 ist mit einem Außenläufer 4, der topfförmig gestaltet ist, ausgestattet. Der Außenläufer ist mit Permanentmagneten 5 an seinem Innenumfang bestückt.
Ein hohlzylinderförmiges Primärteil befindet sich im Inneren des Sekundärteils 4 bzw. Außenläufers. Der Primärteil 6 ist mit Wicklungen 7 versehen. Weiterhin ist der Primärteil 6 fest mit einem Deckel 8 des Gehäuses 9 des Rotationslinearantriebs drehfest verbunden.
Im Zentrum weist der Primärteil 6 eine Bohrung auf, in die ein Hohlzapfen 10 des Sekundärteils 4 ragt. Mit Hilfe eines Lagers 11 ist der Hohlzapfen 10 in der Bohrung des Primärteils 6 gelagert.
Der Hohlzapfen 10 besitzt eine Bohrung, an deren Innenseite Rotationsgebermagnete 12 angebracht sind. Die axiale Erstreckung der Rotationsgebermagneten 12 entspricht in etwa dem Hub, den der Linearantrieb 2 vollführen kann. Damit ist sichergestellt, dass in dem gesamten Linearbereich des Antriebs ein Rotationssignal gewonnen werden kann.
An den Deckel 8 ist ferner ein Rohr bzw. ein Sensorzapfen 13 drehfest angebracht. An der Stirnseite des rohrförmigen Sensorzapfens 13 befindet sich ein Rotationssensor 14, der beispielsweise durch einen Winkel-Hallsensor realisiert ist. Dieser nimmt Drehbewegungen der Rotationsgebermagnete 12 an dem Hohlzapfen 10 des Sekundärteils 4 wahr.
Ein Kunststoffverlängerungsrohr 15 ist in dem freien Ende des Hohlzapfens 10 befestigt. Am Ende dieses Verlängerungsrohrs 15 befindet sich ein ringförmiger Lineargebermagnet 16. Das Verlängerungsrohr 15 aus Kunststoff beeinflusst das Magnetfeld der Gebermagnete 12 und 16 nicht.
Zur Erfassung der Linearbewegung des Hohlzapfens 10 bzw. des Sekundärteils 4 ist in dem Sensorzapfen 13 weiterhin ein Linearsensor 17 untergebracht. Dieser besteht aus einem weichmagnetischen Material einschließlich einer Sekundärspule und zwei Primärspulen. Er ist in der Lage, die Linearposition des Lineargebermagneten 16 und damit die Linearposition des Sekundärteils 4 zu erfassen.
Durch die spezielle Gestaltung des in Form eines Außenläufers ausgebildeten Linearläufers bzw. Sekundärteils 4 mit einem Hohlzapfen 10 in dessen Innerem ist somit eine Möglichkeit gegeben, auf dem Hohlzapfen 10 die Gebermagnete 12 und 16 anzuordnen, welche die drehende und lineare Bewegung des Läufers mitmachen.
Das Verlängerungsrohr 15 aus Kunststoff beeinflusst das Magnetfeld der Gebermagnete 12 und 16 nicht.
Der Sensorzapfen 13 ist an dem Deckel 8 wechselbar befestigt, und ist somit gegenüber dem Gehäuse 9, den Wicklungen 7 des Primärteils 6 und den Wicklungen 18 des Rotationsantriebs 1 in seiner Position und Ausrichtung fest.
Da der Hohlzapfen 10 auch für die Anordnung des Lagers 11 benutzt wird, ergibt sich daraus der Vorteil einer nahezu idealen, koaxialen Anordnung der Gebermagnete 12 und 16 zu den Sensoren 14 und 17. Dadurch ist eine hohe Qualität der Gebersignale erzielbar.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung der Gebereinrichtung innerhalb des Primärteils 6 des Linearantriebs 2 besteht in der abgeschirmten Lage der Gebermagnete und Sensoren von den elektromagnetischen Feldern der Antriebe 1 und 2. Die Wechselfelder der Antriebe 1 und 2 nehmen somit keinen Einfluss auf die Sensorsignale der Gebereinrichtung.
Der Primärteil 6 des Linearantriebs 2 ist mit einer Wasserkühlung versehen, die durch eine Kühlbohrung 19 angedeutet ist. Mehrere dieser axial verlaufenden Kühlbohrungen 19 sind in dem Deckel 8 und einem an der gegenüberliegenden Stirnseite des Primärteils 6 angebrachten weiteren Deckel 20 durch mäanderförmig eingefräste Bahnen miteinander verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlung durch eine wendelförmige Nut realisiert werden, die in die Bohrung des Primärteils 6 eingefräst ist. Diese wendelförmige Nut lässt sich durch eine Hülse abdecken, die dann gleichzeitig als Außenhülse des Lagers 11 dienen kann.
Durch die Kühlung wird der Bereich der Gebereinrichtung 12, 14, 16, 17 und des Lagers 11 neben dem Bereich der Wicklungen 7 gut mitgekühlt. Dadurch können ein thermisches Driften der Sensorsignale aber auch ein Sensorausfall wegen zu hoher Temperatur vermieden werden.
Die axiale Erstreckung der Rotationsgebermagneten 12 entspricht in etwa dem Hub, den der Linearantrieb 2 vollführen kann. Damit ist sichergestellt, dass in dem gesamten Linearbereich des Antriebs ein Rotationssignal gewonnen werden kann.
Durch die Anordnung der beiden Gebersysteme (Linear- und Rotationsgebersystem) axial hintereinander, ist eine einfache Montage und Demontage gewährleistet. Darüber hinaus ist eine gegenseitige Beeinflussung so gut wie ausgeschlossen.

Claims

Rotationslinearantrieb mit – einer Linearantriebseinrichtung (2), die einen Primärteil (6), und einen Sekundärteil (4) aufweist, wobei – der Sekundärteil (4) als Außenläufer ausgestaltet ist und – eine Gebereinrichtung zur Erfassung einer Linearbewegung und einer Rotationsbewegung des Sekundärteils (4) zumindest teilweise im Inneren des Primärteils (6) angeordnet ist, wobei mindestens eine Komponente der Gebereinrichtung an einen Hohlzapfen (10) des Sekundärteils (4) montiert ist, und wobei der Hohlzapfen (10) in das Innere des Primärteils (6) ragt, wobei ein feststehender Sensorzapfen (13) in das Innere des Hohlzapfens (10) ragt, wobei an dem freien Ende des Hohlzapfens (10) ein Lineargebermagnet (16) angebracht ist, dessen Linearbewegung durch einen Sensor (17) in dem Sensorzapfen (13) erfassbar ist, wobei am Umfang des Hohlzapfens (10) mindestens ein Rotationsgebermagnet (12) angeordnet ist, dessen Rotationsbewegung durch einen Sensor (14) an der freien Stirnseite des Sensorzapfens (13) erfassbar ist, wobei die axiale Erstreckung der Rotationsgebermagneten, ein etwa dem Hub entspricht, den der Linerantrieb 2 vollführen kann.
Rotationslinearantrieb nach Anspruch 1, wobei der Hohlzapfen (10) in einer Bohrung des Primärteils (6) gelagert ist.
Rotationslinearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Primärteil (6) ein Kühleinrichtung (19) aufweist.