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Die
Erfindung betrifft einen Getriebemotor nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruches mit einem Wellgetriebe und einem Antriebsmotor.
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Wellgetriebe
bestehen üblicherweise
aus einem starren Ring und einem flexiblen Ring sowie einem Wellgenerator,
wobei je nach Anwendungsfall einer der Ringe als rotierendes Abtriebselement
und der andere Ring als stehender Teil ausgebildet ist. Die Kraftübertragung
für die
Rotationsbewegung erfolgt durch eine vom Wellgenerator hervorgerufene umlaufende
Verformung des flexiblen Ringes. Bei bekannten Ausführungen
von Wellgetrieben besitzen flexibler und starrer Ring entweder Verzahnungen
mit geringem Zähneunterschied
oder bei Wellgetrieben auf Reibradbasis einem geringfügig unterschiedlichen
Umfang. Durch die vom Wellgenerator erzeugte Verformung des flexiblen
Ringes gelangt dieser mit dem starren Ring in einer oder mehreren
Zonen in Eingriff. Auf Grund des Teilkreisunterschiedes bewegen
sich bei rotierendem Wellgenerator flexibler und starrer Ring relativ
zu einander.
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Ein
Wellgetriebe ist meistens mit einem externen Elektromotor verbunden,
welcher den inneren flexiblen Ring antreibt. Eine solche Anordnung
nimmt relativ viel axialen Bauraum in Anspruch. In der
EP 1 130 290 B1 wird beispielsweise
eine piezoelektrische Antriebsanordnung für ein Wellgetriebe beschrieben. Dieser
piezoelektrische Antrieb ist in dem Innenraum des Wellgetriebes
angeordnet und nimmt einen kleineren axialen Bauraum in Anspruch
als bei einem Wellgetriebe mit Elektromotor. Dieser Antrieb hat zwei
innere becherförmige
flexible Zahnhülsen,
nämlich
eine primäre
und eine sekundäre
Zahnhülse.
Die sekundäre
flexible Zahnhülse
hat schwenkbare Finger, welche von den piezoelektrischen Elementen
erregt werden, so dass die primäre
flexible Zahnhülse mit
dem äußeren starren
Rad in Eingriff kommt. Der piezoelektri sche Antrieb ist aufgrund
der relativ hohen Herstellungskosten und hohen elektrischen Versorgungsspannung
nur für
Sonderlösungen
geeignet Aufgabe der Erfindung ist es, einen Getriebemotor mit einem
Wellgetriebe anzugeben, dessen axialer Bauraum wesentlich kürzer ist,
als der Bauraum eines Wellgetriebes mit bekanntem elektrischem Antriebsmotor.
Gleichzeitig sind ein leiserer Gang und geringerer Verschleiß sowie
ein kostengünstigerer und
sparsamerer Getriebemotor als bei der piezoelektrischen Antriebs-Variante
gewünscht.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Getriebemotor
bestehend aus einem Wellgetriebe und einem Antriebsmotor, wobei
das Wellgetriebe auf bekannte Weise mit einem Außenring mit innerer Verzahnung
und einem Innenring mit äußerer Verzahnung
aufgebaut ist und einer der Ringe radial flexibel und der andere
Ring starr ist. Welcher Ring flexibel und welcher starr ist und
welcher als Abtriebsring wirkt, ist durch den Fachmann frei wählbar, so
dass das Wellgetriebe für die
Einsatzapplikation optimiert werden kann.
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Der
Antrieb des Wellgetriebes besteht erfindungsgemäß aus elektrisch ansteuerbaren
Spulen und andren magnetisch beeinflussbaren Bauteilen, wie beispielsweise,
Permanentmagneten und elektrische Leiter, welche auf den Ringen
angeordnet sind. Eine Drehbewegung des Abtriebsringes erfolgt vorteilhafterweise
durch eine von den vorgenannten Antriebselementen hervorgerufene
Verformung des flexiblen Ringes. Diese Verformung wird mittels eines von
mindestens einer Spule generierten magnetischen Feldes und der Wechselwirkung
dieser Spule mit mindestens einem anderen magnetisch beeinflussbaren
Bauteil erzeugt.
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Jeder
der beiden Ringe weist an seinem Umfang ausschließlich eine
Art magnetisch beeinflussbarer Bauteile auf, jedoch muss ein Ring
mindestens vier Spulen aufweisen um die elektrisch gesteuerte Bewegung
des Antriebs zu ermöglichen.
Welche Bauteile auf welchem Ring angeordnet sind, ist vorn Fachmann
frei zu wählen.
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Die
Verformung des flexiblen Ringes wird so ausgelegt, dass mindestens
ein Eingriffspunkt zwischen den Verzahnungen der beiden Ringe entsteht. Im
Eingriffspunkt ist zum Zeitpunkt des Eingriffs auf einem Ring mindestens
eine Spule bestromt, so dass um diese Spule ein Magnetfeld entsteht
und dieses eine Magnetkraft erzeugt, welche auf ein auf dem anderen
Ring angebrachtes magnetisch beeinflussbares Bauteil eine Anziehungskraft
erzeugt und der flexible Ring somit im Eingriffspunkt verformt wird.
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Ein
Rotieren der Verformung des flexiblen Ringes und damit eine Drehbewegung
des flexiblen Ringes gegenüber
dem starren Ring, wird durch eine wechselnde Ansteuerung aufeinander
folgender Spulen erreicht. Die Spulen werden derart bestromt, dass
die Verformung vorteilhafterweise in einer oder mehreren Wellen
in dem flexiblen Ring umläuft.
Die Verformung kann sich auf diese Weise z.B. mit ca. 1 500 Umdrehungen
pro Minute bewegen.
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Ein
Antrieb eines Wellgetriebes wie oben beschrieben hat den Vorteil,
dass es keinen mechanischen Wellgenerator benötigt, wodurch ein leiserer Gang
und ein niedrigerer Verschleiß als
bei einem bekannten Wellgetriebe mit mechanischem Antrieb darstellbar
sind. Gegenüber
den piezoelektrischen Antrieben wird eine einfachere Bauweise erreicht.
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Um
eine vorteilhafte Steuerung des Antriebs zu ermöglichen ist die Bestromung
der einzelnen Spulen individuell derart ansteuerbar, sodass ihre Polarität einstellbar
ist oder die Spulen stromlos geschaltet sind. Bei der ausschließlichen
Verwendung von Spulen oder bei Verwendung von Spulen in Kombinationen
mit Permanentmagneten ist die Polarität der Spulen in den Eingriffspunkten
so einstellbar, dass die Spulen und/oder die Permanentmagnete einander
anziehen.
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Bei
Spulen, welche sich zum Zeitpunkt des Eingriffs mittig zwischen
den Eingriffspunkten befinden, ist die Polarität so ausgelegt beziehungsweise eingestellt,
dass sich die Spulen und/oder Permanentmagnete einander abstoßen.
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Eine
Variante des erfindungsgemäßen Getriebemotors
besteht aus einem flexiblen Innenring aus magnetisierbarem Material
und einem starren Außenring
aus nicht magnetisierbarem Material. Im Innenring sind elektrisch
ansteuerbare Leiter angeordnet und um den Außenring sind Spulen mit einem Spulenkern
aus magnetisierbarem Material angeordnet. Die Spulenkerne sind einststückig mit
dem Gehäuse
aus magnetisierbarem Material verbunden. Wie die Spulen sind auch
die Leiter individuell derart ansteuerbar, so dass die Richtung
des Stroms einstellbar ist oder die Leiter stromlos geschaltet sind. Mit
diesem Aufbau können
ein Nord- und ein diametral gegenüberliegender Südpol auf
dem Umfang des Außenrings
ausgebildet werden. Der Innenring wird durch die Magnetkräfte verformt
und in den Polen entsteht ein Eingriff zwischen Innen- und Außenring. Im
magnetisierbaren Innenring werden die Feldlinien des Magnetfeldes
gebündelt
und somit liegen die elektrischen Leiter in dem Magnetfeld. Wenn
nun die Leiter bestromt werden, wirkt eine Kraft, (die so genannte
Lorentzkraft,) senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Stromrichtung
auf die Leiter. Die Bestromung der Leiter wird so angesteuert, dass
die Lorentzkräfte
und die Magnetkräfte
in den Eingriffspunkten überlagert
werden und die Leiter mittig zwischen den Eingriffspunkten abstoßend wirkende
Lorentzkräfte
erzeugen.
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Abhängig von
der Konstruktion besitzen der Innen- und der Außenring unterschiedliche magnetische
Eigenschaften, es sind magnetisierbare sowie nicht magnetisierbare
Materialien bzw. Werkstoffe als mögliche Alternative einsetzbar.
Entscheidend ist, ob die Ringe aktiv oder passiv an dem Verfor mungsverfahren
des flexiblen Rings teilnehmen. Bei aktiver Teilnahme müssen die
Ringe aus magnetisierbarem Material und bei passiver Teilnahme aus
nicht magnetisierbarem Material gestaltet werden, z.B. bei Verformung
des flexiblen Ringes nur durch Spulen oder durch Spulen mit Permanentmagneten
sind die Ringe in einem nicht magnetisierbaren Material ausgeführt, so
dass die magnetischen Felder der Spulen und/oder der Permanentmagnete
nicht gestört
werden. Ein nicht magnetisierbares Material ist bspw. Kunststoff,
welcher insbesondere im Spritzgussverfahren herstellbar ist und
wobei die magnetisch beeinflussbaren Bauteile in den Kunststoffring
eingespritzt sind.
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Um
die Vereinfachung der Verformung des flexiblen Ringes zu erleichtern,
können
Nuten in axialer Richtung an der nicht verzahnten Seite des flexiblen
Ringes angebracht werden.
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Wenn
die Spulen des Getriebemotors stromlos geschaltet sind, findet kein
Eingriff zwischen den Verzahnungen der beiden Ringe statt und eine
unkontrollierte Verdrehung zwischen dem flexiblen und dem starren
Ring ist möglich.
Um eine solche Verdrehung zu verhindern, wird vorteilhafteweise
eine Verriegelung vorgeschlagen.
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So
ist beispielsweise bei einem Wellgetriebe mit einem flexiblen Innenring
in dessen Innenraum ein Kniehebel vorgesehen. Wenn der Antrieb ausgeschaltet
ist, wird durch Betätigung
des Kniehebels eine Verformung des Innenrings erzeugt, worauf der Innenring
am Außenring
zur Anlage kommt und somit eine Verdrehung zwischen beiden Ringen
verhindert wird.
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Eine
andere Möglichkeit
eine Verriegelung zu realisieren ist es, einen Stift vorzusehen,
welcher verschiebbar z.B. am Gehäuse
des Getriebemotors gelagert ist und in eine Ausnehmung in dem starren Außenring
einbringbar ist. Der Stift wird beispielsweise durch einen Elektromagneten
betätigt
und vorteil hafterweise bei stehendem Motor in die korrespondierende
Ausnehmung am Außenring
eingeführt.
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Vorteilhafte
Anwendungen für
den Getriebemotor sind insbesondere als Lenkservomotor, Industrierobotgelenk-
sowie Kipp-, Dreh- und Fahrantrieb.
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Weitere
Ausbildungen und Abwandlungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den Ansprüchen und
aus nachstehender Beschreibung von in den Zeichnungen unter Beschränkung auf
das Funktionswesentliche abstrahiert skizzierten Ausführungsbeispielen
zum Umsetzen der Erfindung bei einem Wellgetriebe mit eingebauten
Antrieb.
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In
diesen zeigen:
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1 einen
Radialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Getriebemotor mit starrem
Außenring
mit außen
liegenden Spulen und flexiblem Innenring mit Permanentmagneten oder
Blechen;
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2 einen
Axialschnitt durch einen Getriebemotor nach 1;
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3 einen
Radialschnitt durch einen Getriebemotor in alternativer Ausbildung
mit starrem Außenring
mit außen
liegenden Spulen und flexiblem Innenring mit innen liegenden Spulen;
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4 einen
Radialschnitt durch einen Getriebemotor in einer weiteren alternativen
Ausbildung mit starrem Außenring
mit außen
liegenden Spulen und flexiblem Innenring mit elektrischen Leitern
und
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5 ein
Getriebemotor nach 4 mit einer über 90° dargestellten Verformung des
Innenrings in den Zeitpunkten t1, t2, t3 und t4.
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Der
Getriebemotor (1) besteht im Wesentlichen aus
einem Wellgetriebe mit einem Antriebsmotor, welche in einem gemeinsamen
Gehäuse 1 angeordnet
sind. Zwischen dem Gehäuse 1 und dem
starren Außenring 2 sind
Spulen 9 fest angeordnet. Die Spulen 9 haben einen
Spulenkern 10 aus einem magnetisierbaren Material und eine
Spulenwicklung 11. Der Außenring 2 hat eine
innere Verzahnung 5 welche zum dargestellten Zeitpunkt
in zwei diametral gegenüberliegenden
Eingriffspunkten 8, 13 mit der äußeren Verzahnung 6 des
Innenrings 3 in Eingriff stehen. In den beiden Eingriffspunkten 8, 13 sind die
Spulen 9 bestromt, so dass ein magnetisches Feld um die
Spulen 9 entsteht.
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Wenn
die im Innenring 3 angeordneten magnetisch beeinflussbaren
Bauteile 7 als Permanentmagnete ausgebildet sind, wie auch
in 2 dargestellt, ist die Richtung des Magnetfeldes
um die Spulen 9 in den momentanen Eingriffspunkten 8, 13 derart
ausgebildet, dass die Permanentmagnete 7 angezogen werden.
In den momentanen Abstoßpunkten 4, 12,
welche sich zwischen Innen- und Außenring und mittig zwischen
den Eingriffspunkten 8, 13 ausbilden, ist die
Richtung des Magnetfeldes um die Spulen 9 so eingestellt,
dass die Permanentmagnete 7 von den Spulen abgestoßen werden.
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Wenn
die im Innenring 3 angeordneten, magnetisch beeinflussbaren
Bauteile 7 magnetisierbare Bleche sind, so ist die Richtung
des Magnetfeldes um die Spulen 9 in den Eingriffspunkten 8, 13 nicht
relevant. Die Bleche 7 werden angezogen unabhängig von
der Richtung des Magnetfeldes. Statt der Bleche 7 kann
alternativ auch der ganze Innenring 3 aus einem magnetisierbaren
Material gefertigt sein.
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In 2 ist
der Innenring 3 als flexibler Ring in Hülsenform ausgebildet. Nahe
der Befestigung des Innenrings 3 auf der Abtriebswelle 15 ist
die Hülse
mit einer umlaufenden Sicke 16 zur leichteren Verformung
des Innenrings 3 versehen. In dem Innenring 3 sind
die magnetisch beeinflussbaren Bauteile als stabförmige Permanentmagnete 7 vorgesehen, bzw.
in den Innenring 3 eingespritzt. Die Spulen 9 sind
mit einem U-förmigen
Spulenkern ausgebildet, welcher sich in axialer Richtung erstreckt,
und die Spulen werden derart angesteuert, dass sich die in den Eingriffspunkten 8, 13 bzw.
Abstoßpunkten 4, 12 die
richtige Polarität
zum Anziehen bzw. Abstoßen der
Permanentmagnete 7 gegenüber den Spulen 9 einstellt.
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Gemäß 3 sind
in einer alternativen Ausbildung sowohl auf dem Innenring 3 als
auch auf dem Außenring 2 Spulen
angeordnet. Wenn Spulen 9 auf beiden Ringen 2, 3 angeordnet
sind, werden diese so angesteuert, dass gegenüberliegende Spulen 9 gleichzeitig
aktiviert sind und somit einen anziehenden bzw. abstoßenden Effekt
aufeinander haben. Die Spulen auf dem abtriebsseitigen Innenring 3 werden bspw. über Bürsten oder
Schleifringe mit einer elektrischen Steuerung gekoppelt. Auf der
Innenseite des flexiblen Innenrings 3 sind außerdem Nuten 17 in
axialer Richtung angebracht. Die Nuten 17 erleichtern die
Verformung des flexiblen Rings. Auch bei einem flexiblen Außenring
können
zur einfacheren Verformung Nuten 17 auf der korrespondierenden
Seite des Außenrings 2 in
axialer Richtung angebracht werden.
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4 zeigt
eine Variante mit Überlagerung von
Magnetkräften
und Lorentzkräften
in den Eingriffspunkten 8, 13. Das aus magnetisierbarem
Material gefertigte Gehäuse 1 enthält die Spulenkerne 10 für alle Spulen 9 und
liegt an dem aus nicht magnetisierbarem Material gefertigten Außenring 2 an.
Bei Bestromung der Spulen 9 in den Eingriffspunkten 8, 13 bilden
sich momentan ein Magnetfeld mit magnetischem Süd- und Nordpol in den Eingriffspunkten 8, 13. Über den
aus magnetisierbarem Material gefertigten flexiblen Innenring 3 wird
das Magnetfeld geschlossen, so dass die Feldlinien zwischen den
Polen S, N innerhalb des Gehäuses 1 sowie
des Innenrings 3 verlaufen.
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In
dem Innenring 3 sind elektrische Leiter 18 parallel
zu einander und in axialer Richtung angeordnet, welche beispielsweise
an einer Stirnseite des Innenrings mit einer elektrischen Spannungsversorgung
verbunden sind. Wenn das Magnetfeld ausgebildet ist, befinden sich
die elektrischen Leiter 18 innerhalb des Magnetfeldes.
Wenn nun ein Leiter 18 bestromt wird, wird eine Kraft,
die so genannte Lorentzkraft, senkrecht zum Magnetfeld und zur Stromrichtung
im Leiter 18 erzeugt. Abhängig von der Stromrichtung
durch den Leiter 18 wirkt diese Kraft nun radial nach innen
bzw. radial nach außen.
Die Leiter 18 sind in Gruppen angeordnet, wobei die Leiter
jede Gruppe dieselbe Stromflussrichtung aufweisen und die Leiter 18 werden
elektrisch individuell derart gesteuert, so dass die Kraft auf die
Leitern in den Eingriffspunkten 8, 13 radial nach
außen
wirken und in den Abstoßpunkten 4, 12 radial
nach innen wirken.
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In
den dargestellten Eingriffspunkten 8, 13 überlagern
sich die Lorentzkräfte
mit den Magnetkräften,
sodass sich der Innenring verformt und in den Eingriffspunkten die
Verzahnungen 6 des Innenrings 3 an den Verzahnungen 5 des
Außenrings 2 anliegen.
In den Abstoßpunkten 4, 12 wirken
nur Lorentzkräfte,
sodass sich Innen- und Außenring
nicht berühren.
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In 5 ist
für einen
Getriebemotor nach 4 der zeitliche Ablauf der Verformung
eines flexiblen Innenrings 3 über 90° in vier zeitlich nacheinander
folgenden Positionen t1 bis t4 dargestellt.
Das Magnetfeld hat sich zu den gezeigten Zeitpunkten jeweils um
30° gedreht,
so dass der Süd-
und Nordpol des Magnetfeldes jeweils in den umlaufenden Eingriffspunkten 8, 13 wirken.
Die Teilung zwischen den Spulen kann jedoch auch jeden anderen technisch sinnvollen
Wert kleiner bzw. größer 30° annehmen.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Außenring
- 3
- Innenring
- 4
- Abstoßpunkt
- 5
- Verzahnung
- 6
- Verzahnung
- 7
- Permanentmagnete/Bleche
- 8
- Eingriffspunkt
- 9
- Spule
- 10
- Spulenkern
- 11
- Spulenwicklung
- 12
- Abstoßpunkt
- 13
- Eingriffspunkt
- 14
- Drehachse
- 15
- Abtriebswelle
- 16
- Sicke
- 17
- Nut
- 18
- elektrische
Leiter