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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung richtet sich auf einen elektromechanischen Aktor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus
US 2013/0 102 435 A1 ist ein Aktor bekannt, bei welchem im Innenbereich eines Läufers eines Elektromotors eine Getriebeanordnung untergebracht ist, welche ein stationär festgelegtes Sonnenrad, sowie ein als Abtrieb fungierendes zweites Sonnenrad umfasst. Die beiden Sonnenräder sind über eine Planetenanordnung miteinander gekoppelt, welche mit dem Läufer rotiert.
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Aus
DE 30 32 587 A1 ist eine elektromechanische Maschine bekannt, welche ein innerhalb einer Läufernabe angeordnetes Planetengetriebe aufweist. Dieses Planetengetriebe umfasst eine zur Umlaufachse des Läufers gleichachsige Abtriebswelle die in einem Getriebegehäuse gelagert ist. Diese Abtriebswelle trägt ein zur Verbindung mit einer Arbeitsmaschine vorgesehenes Kupplungsteil.
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Aus
DE 10 2010 012 879 A1 ist ein Planetengetriebe in Wolfromanordnung, sowie ein Elektromotor mit einem derartigen, integrierten Planetengetriebe bekannt. Das Planetengetriebe umfasst ein erstes Hohlrad und ein zweites Hohlrad. Die beiden Hohlräder sind über Umlaufplaneten gekoppelt. Die beiden Hohlräder weisen unterschiedliche Zähnezahlen auf. Jeweils ein dem ersten Hohlrad zugeordneter Umlaufplanet ist torsionssteif mit einem axial benachbarten Umlaufplaneten gekoppelt welcher von innen her in das zweite Hohlrad eingreift. Die paarweise miteinander gekoppelten Umlaufplaneten weisen ebenfalls unterschiedliche Zähnezahlen auf. Der Leistungstransfer in das Getriebe erfolgt über ein Sonnenrad das in einen der Umlaufplaneten eingreift. Der Leistungsabgriff aus dem Getriebe erfolgt über das zweite Hohlrad. Diese bekannte Getriebeanordnung ist derart bemessen, dass diese koaxial zur Achse eines Außenläufermotors in dessen innenliegenden Stator eingesetzt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktor zu schaffen der sich durch einen hohen mechanischen Wirkungsgrad und eine hohe Strukturfestigkeit auszeichnet.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die vorangehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektromechanischen Aktor mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite Sonnenrad derart angeordnet, dass diese in enger Nachbarschaft axial abfolgen. Die beiden Sonnenräder können ggf. durch axial ineinander gesteckte Lagerzapfen auch aneinander zentriert werden. Die beiden Sonneräder werden vorzugsweise über die gesamte Länge ihrer Außenverzahnung von den Umlaufplaneten überbrückt. Demgemäß entspricht die Länge der Umlaufplaneten vorzugsweise im wesentlichen dem Abstand der einander abgewandten Axialenden der Verzahnung der beiden Sonnenräder.
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Die Verzahnung der Umlaufplaneten kann über die gesamte Länge der Umlaufplaneten gleichförmig ausgebildet sein. Es ist auch möglich, hier einen ggf. durch einen Freistich getrennten Stufensprung zwischen einem Abschnitt mit negativer und einem Abschnitt mit positiver Profiverschiebung vorzusehen. Die Sonnenräder weisen dann hierzu komplementäre Profilverschiebungen auf.
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Die Zähnezahldifferenz zwischen dem ersten Sonnenrad und dem zweiten Sonnenrad ist vorzugsweise so festgelegt, dass diese einen ganzzahligen Wert darstellt durch welchen die Anzahl der ersten Umlaufplaneten teilbar ist. Das erfindungsgemäße Konzept wird dabei vorzugsweise so umgesetzt, dass die Planetenanordnung keine Unwucht generiert. Hierzu kann die Planetenanordnung beispielsweise zwei oder drei in gleicher Teilung abfolgende Umlaufplaneten aufweisen. Bei einer Ausführungsform, bei welcher die Umlaufplanetenanordnung drei Umlaufplaneten umfasst, beträgt die Zähnezahldifferenz zwischen dem ersten Sonnenrad und dem zweiten Sonnenrad vorzugsweise den Wert 3. Die Drehrichtung des zweiten Sonnenrades gegenüber dem Hohlrad ergibt sich daraus, welches der beiden Sonnenräder die größere Zähnezahl aufweist.
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Der Planetenträger kann gegenüber dem Getriebegehäuse drehbar gelagert sein. Zwischen dem als Leistungsausgang fungierenden zweiten Sonnenrad und dem Planetenträger ist vorzugsweise ebenfalls eine Lagereinrichtung vorgesehen die beispielsweise ein radial tragendes Nadellager und ein leicht axial positionierendes Kugellager umfasst.
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Vorzugsweise ist das erste Sonnenrad stationär festgelegt. Die Festlegung kann erfolgen, indem das erste Sonnenrad in dem Getriebegehäuse permanent fixiert ist. Es ist auch möglich, die Fixierung des ersten Sonnenrades über eine form- oder reibschlüssig operierende Kupplungseinrichtung vorzunehmen, so dass ggf. das erste Sonnenrad frei geschaltet werden kann und die Umlaufplaneten dann in dem Planetenträger frei rotieren ohne in das zweite Sonnenrad ein Drehmoment einzukoppeln.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Planetenträger in den Rotor eines Innenläufermotors eingebunden und bildet dabei ggf. einen integralen Bestandteil desselben. Der Planetenträger kann dabei einen Läufer für einen Drehfeldmotor tragen oder auch direkt als Permanentmagnetenträger oder als Kurzschlussläufer fungieren.
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Die Erfindung betrifft im Kern ein hochübersetzendes Getriebesystem bestehend aus einem Verbund aus mehreren Planetensätzen. Das erfindungsgemäße Getriebe bietet eine hohe Übersetzung und zeichnet sich durch eine in das umlaufende Organ des Aktors integrierte Vorstufe aus. Hierdurch wird eine signifikante Reduktion des axialen Bauraumbedarfs erreicht. Es ist somit für verschiedenste Anwendungsfälle von Aktoren geeignet bei welchen nur geringer Bauraum zur Verfügung steht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs angegebene Aufgabe auch gelöst durch ein dem vorangehend beschriebenen Umlaufrädergetriebe weitgehend entsprechendes Getriebe, wobei bei diesem Getriebe der Rotor als Planetenträger fungiert und die dabei in den Rotor eingebundenen Umlaufplaneten so ausgebildet sind, dass deren in das jeweilige Sonnenrad eingreifende Abschnitte unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen. Die Zähnezahlen der beiden Sonnenräder können dann identisch sein, oder ebenfalls abweichen. Durch dieses Konzept sind nochmals höhere Übersetzungsverhältnisse realisierbar. Die beiden unterschiedlich verzahnten Abschnitte des jeweiligen Umlaufplaneten sind vorzugsweise durch einen Freistich voneinander getrennt. Die Zähnezahldifferenz kann insbesondere den Wert 1 betragen. Hiermit kann innerhalb der Primärstufe ein Übersetzungsverhältnis vom Wert 1/Zs erreicht werden, wobei Zs der Zähnezahl eines Sonnenrades entspricht.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine Schemadarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors mit einem der Primärstufe nachgeschalteten Wolfromsatz.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die Darstellung nach 1 zeigt einen elektromechanischen Aktor der einen zur Erzeugung eines Drehfeldes vorgesehenen Stator 1 und einen in diesem drehbar angeordneten Rotor 2 aufweist. In den Rotor 2 ist erfindungsgemäß eine als spezielles Umlaufrädergetriebe G1 ausgeführte Primärstufe eingebunden. Dieses Umlaufrädergetriebe G1 umfasst eine erste Umlaufplanetenanordnung PA1 mit ersten Umlaufplaneten P1, einen ersten Planetenträger C1 der als solcher die ersten Umlaufplaneten P1 trägt, ein erstes Sonnenrad S1 das radial von innen her in die ersten Umlaufplaneten P1 eingreift, sowie ein zweites Sonnerad S2 das ebenfalls radial von innen her in die ersten Umlaufplaneten P1 eingreift und gleichachsig zum ersten Sonnenrad S1 angeordnet und gegenüber diesem drehbar ist. Das Umlaufrädergetriebe G1 ist derart aufgebaut, dass die beiden Sonnenräder S1, S2 unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen – hier konkret 21 bzw. 24 Zähne. Zudem bildet der unmittelbar in den Rotor 2 eingebundene Planetenträger C1 den Leistungseingang, und das zweite Sonnenrad S2 stellt den Leistungsausgang dar. Das erste Sonnerad S1 ist hierbei stationär festgelegt, d. h. es dreht sich nicht.
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Das erste und das zweite Sonnenrad S1, S2 sind in enger Nachbarschaft axial abfolgend angeordnet, und die Axiallänge der Umlaufplaneten P1 ist wie dargestellt so bemessen, dass diese Länge im wesentlichen dem Abstand der einander abgewandten Axialenden der Verzahnung der beiden Sonnenräder S1, S2 entspricht.
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Obgleich hier nicht weiter erkennbar ist die Umlaufplanetenanordnung PA1 so gestaltet, dass diese drei Umlaufplaneten P1 umfasst. Die Zähnezahldifferenz zwischen dem ersten Sonnenrad S1 und dem zweiten Sonnenrad S2 hat dabei einen ganzzahligen Wert. Dieser ganzzahlige Wert ist so festgelegt, dass dann, wenn die Umlaufplanetenanordnung mehrere Umlaufplaneten umfasst die Anzahl der ersten Umlaufplaneten durch die Zähnezahldifferenz ganzzahlig teilbar ist. Im vorliegenden Fall hat die Umlaufplanetenanordnung drei Umlaufplaneten P1 und die Zähnezahldifferenz hat den Wert 3.
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Der erste Planetenträger C1, sowie der im Zusammenspiel mit diesem verwirklichte Rotor 2 ist über hier nur angedeutete über Lagereinrichtungen radial und axial gelagert. Der erste Planetenträger C1 ist wie bereits ausgeführt in den Rotor 2 eines Innenläufermotors eingebunden.
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Das erste Sonnenrad S1 ist stationär festgelegt. Das zweite Sonnenrad S2 ist mit einer nachgeschalteten ersten Laststufe G2 gekoppelt. Die Koppelung des zweiten Sonnenrades S2 mit der ersten Laststufe G2 wird bewerkstelligt, indem das zweite Sonnenrad S2 drehfest mit dem Sonnenrad LS2 der Laststufe G2 verbunden ist.
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Die erste Laststufe G2 ist in der Art eines sog. Wolfromsatzes so aufgebaut, dass diese ein erstes Hohlrad HW1, ein zweites Hohlrad HW2, Umlaufplaneten PW2, einen diese tragenden Planetenträger C2, sowie ein Laststufensonnenrad LS2 umfasst. Die beiden Hohlräder HW1, HW2 weisen unterschiedliche Zähnezahlen, hier konkret 72 bzw. 80 Zähne auf. Die Zähnezahldifferenz ist auf die Anzahl an Umlaufplaneten PW2 abgestimmt. Typischerweise entspricht die Zähnezahldifferenz der Anzahl an Umlaufplaneten, oder ist zumindest durch diese Anzahl teilbar. Vorzugsweise sind auch die Zähnezahlen beider Hohlräder HW1, HW2 durch die Anzahl an Umlaufplaneten PW2 ganzzahlig teilbar. An den beiden Hohlrädern HW1, HW2, sowie an den Umlaufplaneten PW2 der ersten Laststufe G2 wie auch an dem Laststufensonnenrad LS2 kann unter Rückgriffnahme auf das Konzept der positiven, bzw. negativen Profilverschiebung die Eingriffssituation zwischen den Verzahnungskomponenten optimiert werden. Die erste Laststufe G2 ist mit der Primärstufe G1 kinematisch gekoppelt, indem das Laststufensonnenrad LS2 mit dem zweiten Sonnenrad S2 der Primärstufe G1 direkt gekoppelt ist. Der Leistungsabgriff aus der ersten Laststufe G2 erfolgt über ein zweites Hohlrad HW3 das als solches noch mit einer Ausgangswelle OS2 gekoppelt ist die gleichachsig zur Getriebeachse X angeordnet ist.
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Das in den 1 dargestellte System kann in entsprechender Skalierung insbesondere als Stelltrieb für verschiedenste Applikationen eingesetzt werden. Das Konzept eignet sich insbesondere für die Realisierung kompakter Stellantriebe im Automotive Bereich, z. B. für Fensterhebemechanismen, als Antrieb für Klappen und Verdecke, sowie als Antrieb zur Sitz- und Sitzkomponentenpositionierung.
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Der Rotor 2 ist vorzugsweise als Permanentmagnet-Rotor ausgeführt und über eine Wälzlagerung gegenüber dem Stator 1 präzise gelagert. Die an den Umlaufplanteten P1 ausgebildete Außenverzahnung erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten zwischen den einander abgewandten Stirnseiten der Sonnenräder S1, S2 liegenden Bereich und ist allenfalls in dem an dem Zwischenbereich zwischen den Sonnenrädern S1, S2 vorbeilaufenden Bereich mit einem Freistich durchbrochen.
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Die an den Umlaufplaneten P1 ausgebildete Verzahnung ist so gestaltet, dass diese eine hinreichende Kompatibilität zu den Verzahnungen der beiden Sonnenräder S1, S2 bietet. Ggf. können die Umlaufplaneten P1 so gestaltet sein, dass diese in dem Abschnitt welcher mit jenem die größere Zähnezahl aufweisenden Sonnenrad in Eingriff steht, eine negative Profilverschiebung aufweist.
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Die Funktionsweise des in 1 dargestellten Systems ist wie folgt:
Durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung der Wicklungen des Stators 1 wird durch diesen ein Drehfeld erzeugt. Dieses greift an dem mit Permanentmagneten bestückten Rotor 2 an. Der Rotor 2 ist über die Lagereinrichtungen konzentrisch zur Innenbohrung des Stators 1 drehbar gelagert. Der Rotor 2 fungiert zudem als Planetenträger C1 und trägt die darin gelagerten Umlaufplaneten P1 einer Primärstufe G1. Die Umlaufplaneten P1 überbrücken die beiden Sonnenräder S1, S2. Diese beiden Sonnenräder S1, S2 weisen unterschiedliche Zähnezahlen auf. Bei einem Umlauf des Rotors 2 wird damit zwischen den beiden Sonnenrädern S1, S2 eine durch die Zähnezahldifferenz bestimmte Relativdrehung erzwungen. Da das erste Sonnenrad S1 stationär festgelegt ist, wird das zweite Sonnenrad S2 entsprechend übersetzt in Drehung versetzt. Das zweite Sonnenrad S2 treibt ein Laststufensonnenrad LS2 einer als sog. Wolfromsatz ausgelegten Laststufe G2.
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Die Laststufe G2 umfasst zwei Hohlräder HW1, HW2 die durch die Umlaufplaneten PW2 gekoppelt sind. Die Hohlräder HW1, HW2 haben unterschiedliche Zähnezahlen. Die Umlaufplaneten PW2 werden durch das Laststufensonnenrad angetrieben. Die Umlaufplaneten PW2 sind in einem Planetenträger C2 gelagert. Bei einem Umlauf des Planetenträgers C2 ergibt sich zwischen den beiden Hohlrädern HW1, HW2 eine durch die Zähnezahldifferenz bestimmte Relativdrehung und demgemäß eine relativ hohe Übersetzung. Das zweite Hohlrad HW2 fungiert hierbei als Leistungsausgang.
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Das hier gezeigte System kann als in sich geschlossene OEM-Antriebsbaugruppe gefertigt werden deren Gehäusekomponente und deren Ausgangswelle OS2 entsprechende anwenderseitig geforderte Anschlussgeometrien bereitstellt. Der elektromagnetische Aktor kann auch so ausgeführt werden, dass der als Planetenträger fungierende Rotor auch mit einer Wicklung bestückt ist, oder einen Kurzschlussläufer darstellt. Die Umlaufplaneten können auch als sog. Stufenplaneten ausgeführt sein so dass die mit dem jeweiligen Sonnenrad in Eingriff stehenden Abschnitte unterschiedliche Kopfkreisdurchmesser aufweisen. Die Lagerung der Umlaufplaneten in dem als Planetenträger fungierenden Rotor kann über Lagerbolzen erfolgen, die als solche die Umlaufplaneten axial durchsetzen. Die Lagerung kann auch durch Achszapfen erfolgen die integral mit den Umlaufplaneten ausgebildet sind und in Lagerbohrungen eintauchen, die in seitlichen Abdeckungen des Rotors ausgebildet sind. Insgesamt wird die Lagerung der Umlaufplaneten in dem Rotor vorzugsweise im Zusammenspiel mit Wälzlagern, insbesondere Nadellagern und/oder Kugellagern bewerkstelligt. Es ist auch möglich, die Umlaufplaneten über eine sog. Kopfkreislagerung in entsprechenden Axialbohrungen des Rotors zu lagern.
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Bei der Variante nach 1 ist die Laststufe G2 als Wolfrom-Satz ausgeführt, wodurch eine hohe Übersetzung erreicht wird. Die Hohlräder HW1, HW2 des Wolframsatzes G2 weisen einen geringen Zähnezahlunterschied auf. Das Hohlrad HW2 mit der höheren Zähnezahl dient als Abtrieb um eine positive Gesamtübersetzung zu erhalten.
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Bei Wahl der dargestellten Zähnezahlen ergibt sich eine Übersetzung der Vorstufe von +8 und von +40 im Wolfrom-Satz. Die Gesamtübersetzung beträgt +320.
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Das maximale Drehmoment des Aktors kann sehr gering gewählt werden, wodurch die Vorstufe G1 relativ gering belastet wird und somit klein ausgeführt werden kann. Dadurch können der Steg C1 und die Sonnen S1, S2 in den Rotor und damit in den Bauraum des Aktors verlagert werden. Damit wird eine deutliche Reduzierung des axialen Bauraumbedarfs erreicht.
