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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktuator mit einer drehbaren Spindel, einer drehfesten Spindelmutter zum Erzeugen einer Linearbewegung bei einem Drehen der Spindel, ein Schubrohr zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter, und ein innerhalb des Schubrohrs angeordnetes Magnetelement zur magnetischen Erfassung einer Position. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Linearaktuators, sowie ein System zur Erfassung einer Position in einem Linearaktuator.
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Zur Erfassung bzw. Abfrage der Position eines Antriebsteils, zum Beispiel einer Kolbenstange, in linearen Antriebssystemen kommen verbreitet Magnetelemente, wie Magnetpillen und Ringmagnete, zum Einsatz. Solche Magnetelemente sind mit dem linear bewegten Teil des Antriebes verbunden. Die Positionsabfrage erfolgt dabei mittels eines Sensors an einem feststehenden Gehäuse. Der Sensor führt eine Schaltfunktion aus, sobald von diesem ein ausreichend starkes Magnetfeld erfasst wird.
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Im Stand der Technik sind derartige Linearaktuatoren hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2016 107 388 A1 .
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Nachteilig im Stand der Technik ist, dass es bei bekannten Linearaktuatoren teilweise zu starken Wechselwirkungen zwischen dem Magnetelement und anderen ferromagnetischen Bauteilen kommt. Dabei kann ein von dem Magnetelement erzeugtes Magnetfeld derart gestört oder geschwächt werden, dass kein sicheres Schalten mittels des Sensors mehr gewährleistet ist. Beispielsweise besteht der Nachteil, dass das Magnetfeld einen negativen Einfluss auf den Kugelgewindetrieb ausübt. Hindurch werden zusätzlich die Positionsabfrage und die Lebensdauer negativ beeinträchtigt.
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Ein Abstand des Magnetelements zu den anderen ferromagnetischen Bauteilen müsste daher ausreichend groß sein. Doch gerade eine bei Linearaktuatoren anzustrebende kompakte Bauform führt zwangsläufig zu einem geringen Abstand und somit zu einer Wechselwirkung zwischen dem Magnetelement und den ferromagnetischen Bauteilen.
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Um die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Linearaktuator vorzuschlagen, welcher die Anforderungen an einen kompakten Aufbau erfüllt und gleichzeitig eine sichere Positionsabfrage gewährleistet. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine reduzierte Wechselwirkung des Magnetelements auf den Kugelgewindetrieb zu bewirken.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf den Linearaktuator durch den Gegenstand des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren zum Betreiben eines Linearaktuators durch den Gegenstand des Anspruchs 12, sowie im Hinblick auf das System zu Erfassung einer Position in einem Linearaktuator durch den Gegenstand des Anspruchs 13 gelöst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Linearaktuators sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass zwischen dem Magnetelement und der Spindel ein Abschirmelement angeordnet ist, um ein Magnetfeld des Magnetelements zumindest zur Spindel hin abzuschirmen.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Linearaktuators besteht darin, dass ein Aufmagnetisieren anderer ferromagnetischer Bauteile verringert wird. Insbesondere wird dabei verhindert, dass die Spindel aufmagnetisiert wird und somit als Stabmagnet fungiert. Dadurch werden auch Störungen auf das Magnetfeld des Magnetelements reduziert, was sich letztlich positiv auf das Schaltverhalten entsprechender Sensoren auswirkt. Das Schaltverhalten von Sensoren an dem Linearaktuator wird also erheblich verbessert bzw. in Grenzbereichen überhaupt erst ermöglicht. Zudem ist aufgrund der reduzierten Störeinflüsse ein deutlich kompakterer Aufbau des Linearaktuators möglich.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetelement als ein Ringmagnet ausgebildet. Somit ragt die Spindel zentrisch durch den Ringmagnet hindurch. Eine solche Ausbildung des Magnetelements bietet sich in besonderem Maße an, da auf diese Weise eine Erfassung der Position an jeder Stelle des Umfangs des Schubrohrs erfolgen kann.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Linearaktuator als ein elektrischer Zylinder oder elektrischer Minischlitten ausgebildet. Dabei handelt es sich um mögliche Haupteinsatzgebiete der Erfindung. Elektrische Zylinder, auch Elektrozylinder oder Elektrohubzylinder genannt, sind elektromotorisch betriebene Verstellaggregate, die ein Schubrohr linear aus- und einfahren können. Vorzugsweise sind Elektrozylinder als selbsthemmende Linearantriebe ausgebildet, wodurch im Stillstand keine Energie zugeführt werden muss. Elektrische Minischlitten oder auch Linearschlitten, zum Beispiel Profilschienenschlitten, sind Lineareinheiten für Positionier- und Handhabungsaufgaben mit mittleren Genauigkeitsanforderungen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Spindelmutter als eine Kugelumlaufspindelmutter, ein Rollengewindetrieb oder eine Gleitspindelmutter ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass der Linearaktuator das Schubrohr mit geringem Widerstand verschieben kann. Die Kugelumlaufspindelmutter, auch Kugelrollspindelmutter genannt, wird insbesondere in Kugelgewindetrieben verwendet, was ebenfalls ein mögliches Haupteinsatzgebiet der Erfindung darstellt. Ein Kugelgewindetrieb ist ein Schraubgetriebe mit zwischen einer Schraube bzw. der Spindel und einer Mutter, hier konkret der Spindelmutter, eingefügten Kugeln. Beide Teile haben je eine schraubenförmige Rille, die gemeinsam eine mit Kugeln gefüllte schraubenförmige Röhre bilden.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform ist das Abschirmelement mit einem ferromagnetischen Material ausgebildet. Bei dem ferromagnetischen Material handelt es sich vorzugsweise um Stahl mit vergleichsweise hoher Permeabilität. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Magnetelement mittels seiner Magnetkraft an dem Abschirmelement, oder umgekehrt das Abschirmelement an dem Magnetelement, befestigt werden kann. Zudem kann das Abschirmelement so zu einer gezielten Beeinflussung des Magnetfeldlinienverlaufs eingesetzt werden, wobei die Feldlinien beispielsweise von der Spindel und der Spindelmutter weggelenkt und vorzugsweise in Richtung eines Sensors gelenkt werden.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ist das Abschirmelement als ein Ringelement ausgebildet. Dadurch ist eine umfassende Abschirmung der Spindel gegenüber dem Magnetelement, insbesondere in seiner Ausführung als Ringmagnet, gewährleistet.
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Erfindungsgemäß weist das Abschirmelement einen flanschartigen Fortsatz auf, um das Magnetfeld des Magnetelements zur Spindelmutter hin abzuschirmen. Dabei wirkt der flanschartige Fortsatz als Polscheibe. Dadurch wird auch das Magnetfeld in seiner Wirkung nach außen bzw. in Richtung eines Aktuatorgehäuses verstärkt, an welchem mindestens ein Sensor angeordnet ist. Zusätzlich wird ein Bereich präzisiert, in dem der Sensor anspricht. Außerdem kann aufgrund der Wirkung des flanschartigen Fortsatzes als Polscheibe das Magnetelement sehr dicht an der Spindelmutter platziert werden, wodurch eine kürzere Baulänge des Linearaktuators möglich wird. Der Flansch in Kombination mit der Hülse wirken als Bypass für das Magnetfeld. Indem der Flansch nicht zur vollen Höhe des Magneten ausgeführt ist, kann das Magnetfeld zumindest teilweise nach außen gelangen.
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Besonders vorteilhaft wirkt sich der flanschartige Fortsatz in Verbindung mit einem Kugelgewindetrieb aus. Die Wechselwirkung zwischen Magnetelement und Kugeln des Kugelgewindetriebes hat einen negativen Einfluss auf das Laufverhalten und die Lebensdauer des Linearaktuators. Bei längeren Hüben nimmt der Störeinfluss durch eine entsprechend längere Spindel zu. Mittels des erfindungsgemäßen Abschirmelements mit dem flanschartigen Fortsatz kann der negative Einfluss des Magnetfeldes auf die Kugeln in der Spindelmutter vermieden oder zumindest auf ein akzeptables Maß reduziert werden, sodass eine sichere Positionsabfrage über alle Baugrößen und Hublängen des Linearaktuators hinweg gewährleistet ist. Laufverhalten und Lebensdauer des Kugelgewindetriebs sind nicht mehr durch das Magnetelement beeinträchtigt.
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Darauf aufbauend ist vorzugsweise zumindest der flanschartige Fortsatz des Abschirmelements von dem Magnetelement beabstandet angeordnet. Dadurch ist ein Spalt, beispielsweise ein kleiner Luftspalt, zwischen dem Magnetelement und dem Abschirmelement gebildet, welcher sich ebenfalls positiv auf den Verlauf der Feldlinien auswirkt. Das Magnetfeld wird dabei im Erfassungsbereich des Sensors präzisiert.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Abschirmelement und der Spindel ein Distanzelement angeordnet, um das Abschirmelement zumindest zur Spindel hin zu beabstanden. Dadurch ist ein Mindestabstand zwischen Abschirmelement und Spindel sichergestellt. Zudem wird ein möglicher magnetischer Effekt zwischen Distanzelement und Spindel vermieden oder zumindest abgeschwächt. Außerdem ist mittels des Distanzelements eine genaue Fixierung und Positionierung des Magnetelements und des Abschirmelements zueinander sowie gegenüber der Spindel und der Spindelmutter möglich. Das Magnetelement, das Abschirmelement und das Distanzelement bilden zusammen eine sogenannte Magnet-Baugruppe.
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Darauf aufbauend weist das Distanzelement einen radialen Fortsatz auf, welcher zwischen Magnetelement und Spindelmutter angeordnet ist. Der radiale Fortsatz stellt einen Mindestabstand des Magnetelements zur Spindelmutter sicher. Insbesondere bei einem Kugelgewindetrieb wird so ein negativer Einfluss des Magnetfelds auf die Kugeln in der Spindelmutter minimiert.
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Ferner ist das Distanzelement vorzugsweise mit einem nicht-ferromagnetischen Material ausgebildet. Bei dem nicht-ferromagnetischem Material handelt es sich bevorzugt um Aluminium oder Kunststoff. Der Vorteil der Verwendung eines solchen Materials besteht darin, dass das Distanzelement selbst nicht aufmagnetisiert werden und somit keinen negativen Einfluss auf das Magnetfeld des Magnetelements ausüben kann.
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Zudem ist das Distanzelement bevorzugt in axialer Richtung unmittelbar an die Spindelmutter angrenzend angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine Baugruppe aus Magnetelement, Abschirmelement und Distanzelement mittels der Spindelmutter gegen ein Verrutschen gesichert ist.
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Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben eines Linearaktuators nach einer der vorangehenden Ausführungsformen wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 12 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt des magnetischen Erfassens einer Position über das in dem Schubrohr angeordnete Magnetelement.
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Hinsichtlich des Systems zur Erfassung einer Position in einem Linearaktuator wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 13 gelöst. Das erfindungsgemäße System umfasst einen Linearaktuator nach einer der vorangehenden Ausführungsformen, und mindestens einen an einem Aktuatorgehäuse des Linearaktuators angeordneten Sensor zum Erfassen eines von dem Magnetelement verursachten Magnetfelds. Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um einen Magnetfeldsensor.
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Mittels des Verfahrens und des Systems ergeben sich jeweils ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Linearaktuator erläutert wurden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Linearaktuators, und
- 2 eine schematische Perspektiv-Darstellung des Details II gemäß 1, in einer Längsschnitt-Ansicht.
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Die 1 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Linearaktuators 100 mit einer Vorderseite 110 und einer Rückseite 120, wobei der Linearaktuator 100 hier als ein Elektrozylinder ausgebildet ist. Der Linearaktuator 100 weist ein Aktuatorgehäuse 130 auf, in welchem eine drehbare Spindel 140, eine Spindelmutter 150 und eine Magnet-Baugruppe 160 angeordnet sind, wobei die Spindelmutter 150 hier als eine Kugelumlaufspindelmutter ausgebildet ist. Die Magnet-Baugruppe 160 ist in axialer Richtung unmittelbar an die Spindelmutter 150 angrenzend angeordnet. Die Spindel 140 führt zentrisch durch die Spindelmutter 150 und die Magnet-Baugruppe 160 hindurch. Die Magnet-Baugruppe 160 enthält zudem ein Magnetelement 170, welches hier als ein Ringmagnet ausgebildet ist, sowie ein Abschirmelement 180 und ein Distanzelement 190. Die Magnet-Baugruppe 160 wird in der Beschreibung zu 2 noch detaillierter ausgeführt.
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In dem Aktuatorgehäuse 130 ist außerdem ein Schubrohr 200 angeordnet, welches zumindest einen Teil der Spindel 140 und die Magnet-Baugruppe 160 umschließt, und an der Vorderseite 110 aus dem Aktuatorgehäuse 130 hinausragt. Des Weiteren sind an dem Aktuatorgehäuse 130 bzw. in das Aktuatorgehäuse 130 eingelassen mehrere Sensoren 210 angeordnet, welche hier als Magnetfeldsensoren ausgebildet sind. Die Sensoren 210 sind in 1 als mit gestrichelten Linien umrandete Flächen innerhalb des Aktuatorgehäuses 130 angedeutet.
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Die zur Beschreibung der Erfindung notwendigen und hinreichend deutlich erkennbaren Komponenten in 1 wurden bereits vollständig bezeichnet. Für ein besseres Allgemeinverständnis sind im Folgenden noch einige weitere Komponenten des Linearaktuators 100 aufgeführt. So weist der Linearaktuator 100 zusätzlich - und von der Vorderseite 110 in Richtung der Rückseite 120 nacheinander aufgezählt - eine Sechskantmutter 220, einen Verbinder 230, einen Führungsring 240, eine Zylinderkopfschraube 250, einen Gleitring 260, einen luftdurchlässigen aber flüssigkeitsundurchlässigen Verschluss 270, eine Anschlaghülse 280 und einen Anschlagring 290 auf. Beispielsweise ist im Bereich der Rückseite 120 des Linearaktuators 100 eine Schnittstelle für einen Elektromotor realisiert (nicht gezeigt).
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Der Linearaktuator 100 in seiner hier in 1 gezeigten Ausbildung als ein Elektrozylinder ist ein elektromotorisch betriebenes Verstellaggregat, welches das Schubrohr 200 linear aus- und einfahren kann. Dabei wird die Spindel 140 gedreht, sodass die drehfest angeordnete Spindelmutter 150 eine Linearbewegung erzeugt, welche auf das Schubrohr 200 übertragen wird. Innerhalb des Schubrohrs 200, konkret im Bereich der Rückseite 120 des Schubrohrs 200, ist das Magnetelement 170 zur magnetischen Erfassung einer Position, zum Beispiel der Position der Spindelmutter 150, angeordnet. Das Abschirmelement 180 ist zwischen dem Magnetelement 170 und der Spindel 140 angeordnet, um ein Magnetfeld des Magnetelements 170 zur Spindel 140 hin abzuschirmen und in Richtung der Sensoren 210 umzulenken. Zu diesem Zweck ist das Abschirmelement 180 aus einen ferromagnetischen Material hergestellt, hier konkret als eine Stahlhülse mit einer vergleichsweise hohen Permeabilität. Das Distanzelement 190 ist hingegen aus einem nicht-ferromagnetischen Material, hier aus Aluminium oder einem Kunststoff, hergestellt, und erfüllt lediglich Halte- und Beabstandungsfunktionen.
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Mindestens ein an dem Aktuatorgehäuse 130 angeordneter Sensor 210 erfasst das von dem Magnetelement 170 verursachte Magnetfeld, worauf der Sensor 210 eine Schaltfunktion ausführt, sobald sich das Magnetelement 170 so nahe bei dem Sensor 210 befindet, dass eine vordefinierte Magnetfeldstärke erreicht ist.
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Die 2 zeigt die Magnet-Baugruppe 160 des Linearaktuators 100 aus 1, umfassend das Magnetelement 170, das Abschirmelement 180 und das Distanzelement 190. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die Bezeichnungen für die Vorderseite 110 und die Rückseite 120 auch in 2 beibehalten. Wie erst hier deutlich erkennbar ist, weist das Abschirmelement 180 an der Rückseite 120 einen flanschartigen Fortsatz 300 auf. Dabei wirkt der flanschartige Fortsatz 300 als eine Polscheibe, die das Magnetfeld in Axialrichtung zusammendrückt. Die Magnetfeldlinien weichen also in die Breite aus und verstärken somit das Magnetfeld in seiner Wirkung nach außen bzw. in Richtung eines Aktuatorgehäuses 130, an welchem mindestens ein Sensor 210 angeordnet ist.
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Der flanschartige Fortsatz 300 ist von dem Magnetelement 170 beabstandet angeordnet und bildet mit diesem einen Luftspalt 310. Dieser Luftspalt 310 ist mittels der besonderen Bauform des Distanzelements 190 realisiert, welches als eine Art Anschlag sowohl für das Magnetelement 170 als auch für das Abschirmelement 180 fungiert. Der Luftspalt 310 wirkt sich positiv auf den Verlauf der Magnetfeldlinien aus und präzisiert und verstärkt somit das Magnetfeld für eine Erfassung mittels Sensoren. Auf der Rückseite 120 des Distanzelements 190 ist zudem ein radialer Fortsatz 320 angeordnet, welcher einen vordefinierten Abstand der Magnet-Baugruppe 160 zu einer benachbart angeordneten Spindelmutter 150 sicherstellt.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 100
- Linearaktuator
- 110
- Vorderseite
- 120
- Rückseite
- 130
- Aktuatorgehäuse
- 140
- Spindel
- 150
- Spindelmutter
- 160
- Magnet-Baugruppe
- 170
- Magnetelement
- 180
- Abschirmelement
- 190
- Distanzelement
- 200
- Schubrohr
- 210
- Sensor
- 220
- Sechskantmutter
- 230
- Verbinder
- 240
- Führungsring
- 250
- Zylinderkopfschraube
- 260
- Gleitring
- 270
- Verschluss
- 280
- Anschlaghülse
- 290
- Anschlagring
- 300
- flanschartiger Fortsatz
- 310
- Luftspalt
- 320
- radialer Fortsatz
