EP2543132A2

EP2543132A2 - Elektromechanischer motor

Info

Publication number: EP2543132A2
Application number: EP11708002A
Authority: EP
Inventors: Ernst Goepel
Original assignee: Individual
Current assignee: KAPPEL, ANDREAS; Johnson Controls GmbH
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2013-01-09
Also published as: WO2011107297A2; DE112011100801A5; WO2011107297A3; US20130134803A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor, aufweisend einen Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist, zumindest ein Antriebselement, das um die Drehachse umlaufend so verschiebbar ist, dass der Rotor durch Verschiebung des Antriebselementes drehbar ist, zumindest zwei Aktuatoren mit jeweils einem ersten Wirkelement, mit dem auf ein zweites Wirkelement eine in eine Wirkrichtung wirkende Kraft ausübbar ist, wobei jeweils das erste und das entsprechende zweite Wirkelement nicht miteinander verbunden sind, und wobei durch die Kraftwirkung der zumindest zwei Aktuatoren das Antriebselement zur Drehung des Rotors verschiebbar ist.

Description

Elektromechanischer Motor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor, insbesondere einen einfach steuerbaren, durch elektromagnetische Felder angetriebenen, geräuscharmen und überlastfesten Elektromotor mit hoher Drehmomentdichte.

Aus dem Stand der Technik sind Schrittmotoren bekannt, wie sie beispielsweise in der EP 1087502 Bl beschrieben sind. Derartige Motoren weisen eine Reihe prinzipbedingter

Parasitäreffekte auf. Hierzu zählen insbesondere die Motorgeräusche, welche durch die von den elektromagnetischen Wechselfeldern auf die mechanischen Bauteile ausgeübten Kräfte, hervorgerufen werden. Zusätzlich weisen derartige Schrittmotoren auch bei kleiner Teilung der Polschuhe von Stator und Rotor störende Rastmomente auf, die ebenfalls zur Geräuschanregung führen und durch die im Weiteren die Positioniergenauigkeit begrenzt wird. Durch eine ungleiche Teilung der Polschuhe an Stator und Rotor, wie in der EP 1087502 B l beschrieben, lässt sich die Geräuschentwicklung zwar verringern, aufgrund der endlichen Anzahl von Polpaaren die im verfügbaren Bauraum untergebracht werden können, jedoch nicht vollständig verhindern.

Weit verbreitet sind elektronisch- und bürstenkommutierte Gleichstrommotoren. Diese sind in der Herstellung kostengünstig und ermöglichen hohe Leistungsdichten. Der Aufbau derartiger Motoren wird beispielsweise in der EP 1324465 Bl , der EP 0670621 Bl und der EP 0901710 Bl beschrieben. Störend bei diesen Motoren sind die hohen Geräuschemissionen, das niedrige Drehmoment und das begrenzte Dynamikverhalten. Die hohen Betriebsdrehzahlen von typisch 3.000 - 16.000 Upm und das hohe Rotorträgheitsmoment, führen bereits bei geringsten

Unwuchten zu Vibrationen und störenden akustischen Emissionen. Darüberhinaus ist das Dynamikverhalten solcher Motoren unbefriedigend, da bei einer Kommutierung der Rotationsrichtung zunächst die im im schnell drehenden Rotor gespeicherte Rotationsenergie abgebaut werden muss.

Aufgrund der niedrigen Drehmomente ist es in den meisten Fällen erforderlich, diese Motoren mit mehrstufigen Getrieben zu kombinieren. Bei einem 5-stufigen Stirnrad- oder Planetengetrie- be sinkt hierdurch der Gesamtwirkungsgrad auf typ. 50%, wobei mit jeder Getriebestufe die Geräuschemissionen und das Getriebespiel zunehmen.

Aus der US 5079471 A und der EP 1098429 Bl sind Motoren bekannt, welche die Linearbewegungen von Festkörperaktoren, bevorzugt Piezoaktoren, in rotatorische Bewegung umsetzen. Diese Motoren ermöglichen einen sehr geräuscharmen und dynamischen Betrieb, da die Antriebselemente rein oszillatorisch bewegt werden und im Gegensatz zu Elektromotoren nur eine geringe Energiemenge im System gespeichert ist. Nachteilig ist die geringe Betriebsstabilität dieser Antriebe. Aufgrund des geringen nutzbaren Hubes der Piezoaktoren von ca. 10 ... 100 μπι müssen die Motorkomponenten mit hoher Genauigkeit gefertigt und zusammengebaut werden. Für die Funktion dieser Piezomotoren muss die exakte Lage der einzelnen Motorkomponenten sowohl über die Lebensdauer, als auch über einen Temperaturbereich hinweg sichergestellt sein. Da bereits geringe Umgebungstemperaturänderungen oder die Eigenerwärmung des Motors im Betrieb durch die thermische Ausdehnung der Motorkomponenten und der Festkörperaktoren zu einer Dejustage der Motoren führen, sind sie nur in einem eng begrenzten Temperaturbereich betriebsfähig.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, der die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik überwindet und vorzugsweise eine im Vergleich zum Stand der Technik geringe Geräuschentwicklung, hohe Drehmomentdichte und verbesserte Betriebsstabilität aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den elektromechanischen Motor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors werden durch die abhängigen Ansprüche gegeben.

Erfindungsgemäß wird ein elektromechanischer Motor oder Elektromotor bereitgestellt, der einen Rotor aufweist, der um eine Drehachse drehbar ist. Der elektromechanische Motor weist außerdem zumindest ein Antriebselement auf, das um die Drehachse umlaufend so verschiebbar ist, dass der Rotor durch Verschiebung des Antriebselementes drehbar ist. Die Verschiebung des Antriebselementes wird dabei im Normalfall in einer Ebene erfolgen, die senkrecht zur Drehachse steht. Unter einer Verschiebung wird hierbei eine Bewegung des Antriebselementes verstanden, bei welcher das Antriebselement eine Translation erfährt. Seine Ausrichtung kann dabei in einigen Ausführungsformen der Erfindung im Wesentlichen unverändert bleiben, so dass sich das Antriebselement nicht dreht. Die Achsen eines bezüglich des Antriebselementes festen Koordinatensystems schließen in diesem Fall also mit den Achsen eines beispielsweise bezüglich eines Motorgehäuses festen Koordinatensystem in allen Phasen der Verschiebung im Wesentlichen den gleichen Winkel ein.

In anderen Ausführungsformen kann sich das Antriebselement aber auch zusätzlich zur Verschiebung selbst drehen. Dies ist insbesondere in jenen Ausführungsformen der Fall, in denen das Antriebselement mit dem Rotor drehsteif verbunden ist oder Teil des Rotors ist. Erfindungsgemäß wird die Verschiebung des mindestens einen Antriebselementes durch elektromagnetische Aktuatoren und/oder elektrostatische Aktuatoren bewirkt.

Beispielsweise kann die Verschiebung des Antriebselementes, mittels derer der Rotor drehbar ist, durch zumindest zwei elektromagnetische Aktuatoren bewirkt werden. In derartigen elektro- magnetischen Aktuatoren wird von einem ersten Wirkelement eine magnetische Kraft auf ein zweites Wirkelement ausgeübt. Ist das eine Wirkelement nun also mit dem Antriebselement fest verbunden und das andere Wirkelement fest bezüglich beispielsweise der Drehachse oder des Gehäuses des Motors, so ist mittels dieses elektromagnetischen Aktuators eine Kraft auf das Antriebselement ausübbar, mittels der dieses verschiebbar ist. Für einen gegebenen Aktuator soll jene Richtung, in welcher die magnetische Kraft zwischen den Wirkelementen wirkt, als Wirkrichtung angesehen werden. Es ist nicht entscheidend, ob die Wirkrichtung vom ersten zum zweiten oder vom zweiten zum ersten Wirkelement definiert wird, es sollte nur innerhalb eines gegebenen elektromechanischen Motors einheitlich festgelegt sein. Die Wirkrichtung zeigt also für alle Aktuatoren eines gegebenen elektromechanischen Motors vom ersten zum zweiten Wirkelement oder vom zweiten zum ersten Wirkelement. Es ist möglich, dass mehrere Wirkelemente auf ein gemeinsames anderes Wirkelement wirken. So können z.B. eine Vielzahl von Elektromagneten als ersten Wirkelementen auf ein gemeinsames zweites Wirkelement wirken, dass z.B. ein ringförmiges Element sein kann, welches mit dem Antriebselement fest verbunden ist, Teil des Antriebselementes ist oder das Antriebselement selbst ist. Hier können besonders vorteilhaft mehrere Elektromagneten als erste Wirkelemente mit abwechselnd entgegengesetzt ausgerichteter Polung so nebeneinander angeordnet sein, dass das magnetische Feld jeweils eines der Elektromagneten in dessen Außenbereich den Kern der jeweils benachbarten Elektromagneten durchsetzt, so dass sich in den Kernen der Magneten die magnetischen Felder dreier benach- barter Elektromagnete verstärkend überlagert.

Die Verschiebung des Antriebselementes mittels derer der Rotor drehbar ist, kann auch durch elektrostatische Aktuatoren bewirkt werden. In derartigen Aktuatoren wird von einem ersten Wirkelement auf ein zweites Wirkelement bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Kraft ausgeübt. Als Wirkelemente dienen Elektroden oder kammartige Elektrodenstrukturen (Comb- Strukturen). Ist das eine Wirkelement nun also mit dem Antriebselement fest verbunden und das andere Wirkelement fest bezüglich beispielsweise der Drehachse oder des Gehäuses des Motors, so ist mittels dieses elektrostatischen Aktuators eine Kraft auf das Antriebselement ausübbar, mittels der dieses verschiebbar ist. Zur Erhöhung der elektrostatischen Kraft können derartige elektrostatische Aktuatoren eine Vielzahl von Elektroden aufweisen.

Erfindungs gemäß sind die Wirkelemente jeweils eines gegebenen Aktuators nicht miteinander verbunden und berühren vorzugsweise einander auch nicht. Eine Kraftwirkung der Wirkelemen- te aufeinander kann also entweder magnetisch und/oder elektrostatisch erfolgen.

Erfindungsgemäß weist eine erste vorteilhafte Ausführungsform des elektromechanischen Motors außerdem zumindest eine Drehmomentstütze auf, die eine Drehung des Antriebselementes verhindert. Eine Drehmomentstütze ist also ein vorzugsweise mechanisches Bauteil, das ein eventuell auf das Antriebselement wirkendes Drehmoment abstützt bzw. kompensiert. Insbesondere können dadurch solche Drehmomente abgestützt bzw. kompensiert werden, die um die Drehachse wirken.

Erfindungsgemäß ist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des elektromechanischen Motors das Antriebselement mit dem Rotor drehsteif oder drehfest verbunden oder ist Teil des

Rotors oder der Rotor selbst. Dieses Antriebselement, dass auch als Antriebsrotor bezeichnet werden kann, kann über zumindest ein drehsteifes und scherweiches mechanisches Element, welches als Drehmomentstütze oder Wellenkupplung bezeichnet werden kann, mit der Motorwelle verbunden. Die Wellenkupplung kann also die Drehung des wobbelnd rotierenden An- triebselementes auf die Motorwelle übertragen, setzt dabei aber der Verschiebung des Antriebselementes nur einen geringen mechanischen Widerstand entgegen. Eine vorteilhafte Verzahnung des Antriebsrotors kann sich bei dieser Bauart in einer Verzahnung des Motorgehäuses abwälzen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors ist der Rotor als parallelgeführte Taumelscheibe ausgebildet, die fest mit der Motorwelle verbunden ist. Mit dem Rotor seinerseits fest verbunden kann das Antriebselement sein, wodurch sich die Drehbewegung des Rotors direkt auf die Motorwelle überträgt. Die Drehbewegung über- lagert hier also die Verschiebebewegung des Antriebselementes (Taumelscheibe).

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umgibt das Antriebselement den Rotor oder der Rotor umgibt das Antriebselement. Hierbei können das Antriebselement und der Rotor kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sein. Umgibt der Rotor das Antriebselement, so kann der Rotor ringförmig ausgebildet sein, wobei sich das Antriebselement im Inneren des Ringes befindet. Umgibt das Antriebselement den Rotor, so kann das Antriebselement ringförmig ausgestaltet sein und sich der Rotor im Inneren des Antriebselementes befinden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass Rotor und Antriebselement sich zumindest in jener Ebene umgeben, in welcher die Verschiebung des Antriebselementes erfolgt. Rotor und Antriebselement können sich beispielsweise auch im Wesentlichen flächig in dieser Ebene erstrecken.

Bevorzugterweise weisen Rotor und Antriebselement jeweils eine Zahnung mit einer Vielzahl von Zähnen auf, über welche sie bereichsweise ineinandergreifen. Auf diese Weise ist besonders effektiv eine Kraft vom Antriebselement auf den Rotor übertragbar. Für den Fall, dass Antriebselement und Rotor elliptisch oder kreisförmig sind, kann das jeweils außenliegende Element an seinem inneren Umfang die Zahnung aufweisen und das innenliegende Element am äußeren Umfang. Dabei sind die Längen der die Zahnung aufweisenden Umfänge unterschiedlich, so dass die innere Zahnung einen kleineren Umfang hat als die äußere Zahnung. Da das Antriebselement um die Drehachse verschoben wird, greifen die Zahnungen nur dort ineinander, wo der Abstand zwischen dem Antriebselement und dem Rotor hinreichend gering ist. Da das Antriebselement um die Drehachse verschoben wird, läuft dieser Bereich des Eingriffs der Zahnungen in Richtung der Verschiebung um die Drehachse um. In einer weiteren Ausführungsform sind Rotor und Antriebselement fest verbunden oder identisch und können als Antriebsrotor bezeichnet werden. Der Antriebsrotor kann sich hierbei in einer Verzahnung des Motorgehäuses abwälzen. Bevorzugterweise weisen auch hier der Antriebsrotor und das Motorgehäuse jeweils eine Zahnung mit einer Vielzahl von Zähnen auf, über welche sie bereichsweise ineinandergreifen. Die Verzahnungen des Antriebsrotors und des Mo- torgehäuses können in Form von innenverzahnten Ringen oder in Form von außenverzahnten

Wellen ausgeführt sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die innere Zahnung weniger Zähne auf als die äußere Zahnung.

Die Aktuatoren können auf verschiedenste Weise ausgebildet sein. Sie wirken dabei stets elektromagnetisch, was bedeutet, dass die magnetische Kraft durch einen Stromfluss bewirkt wird. Zumindest eines der Wirkelemente wird also normalerweise eine Spule aufweisen, mittels derer ein magnetisches Feld erzeugbar ist, das auf das andere Wirkelement wirkt. Das andere Wirkelement kann dann also ein magnetisches oder magnetisierbares Element, insbesondere ein fer- romagnetisches Element, sein. Wie beschrieben sind erfindungsgemäß die Wirkelemente nicht miteinander verbunden. Es besteht daher vorzugsweise stets ein Spalt zwischen den Wirkelementen, dessen Breite im Laufe der Verschiebung des Antriebselementes variiert. Um eine möglichst große Kraftwirkung zu erhalten, ist es jedoch bevorzugt, wenn der Spalt im minimalen Abstand der Wirkelemente voneinander < 2 mm breit ist, vorzugsweise < 1 mm, besonders bevorzugt < 0,5 mm. Als Spalt wird unabhängig von der Geometrie der Wirkelemente jener Bereich verstanden, der sich zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Wirkelemente erstreckt. Ist dieser Abstand nicht an allen Stellen der Oberflächen gleich, so beziehen sich die vorgenannten Werte auf den minimalen Abstand. Jedes Antriebselement wird durch zumindest zwei Aktuatoren verschoben. Für ein großes

Drehmoment des erfindungsgemäßen Motors sowie für einen runden Lauf ist es jedoch bevorzugt, wenn mehr als zwei Aktuatoren vorgesehen werden. Diese sind dann bevorzugterweise in gleichen Winkelabständen um das Antriebselement angeordnet. Der Winkel wird dabei in jener Ebene gemessen, in der das Antriebselement verschoben wird.

Zum Verschieben des Antriebselementes können nun die Aktuatoren mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden, der für unterschiedliche Aktuatoren so phasenverschoben ist, dass die Aktuatoren nacheinander umlaufend die genannte magnetische Kraft erzeugen und dadurch das Antriebselement umlaufend verschieben.

In einer vorteilhaften Ausführungsform können auch mehrere Aktuatoren jeweils gleichzeitig parallel wirken. Hierdurch kann die Kraft der Verschiebung des Antriebselementes erhöht werden und damit das Drehmoment des Motors. Hierzu können zwei oder mehr Aktuatoren mit gleichen Wirkrichtungen bezüglich der Drehachse bzw. des Mittelpunktes des Antriebselementes gegenüber angeordnet sein. Es können aber auch mehrere Wirkelemente einer ersten Art auf ein gemeinsames Wirkelement der anderen Art wirken. Es können also beispielsweise mehrere Elektromagneten auf ein gemeinsames magnetisierbares oder magnetisches Wirkelement wirken.

In vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektromotors weist dieser eine Drehmomentstütze auf. Dieser kommt insbesondere dann besondere Bedeutung zu, wenn das Antriebselement zur Drehung des Rotors nur verschoben, nicht jedoch gedreht wird. Die Drehmomentstütze lagert vorzugsweise das Antriebselement scherweich und drehsteif. Das Antriebselement ist also in der Lagerung der Drehmomentstütze im Wesentlichen frei verschiebbar, je- doch im Wesentlichen nicht drehbar.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann eine solche Drehmomentstütze beispielsweise zumindest einen schlauchförmigen Balg aufweisen. Ein solcher Balg weist zwei Ränder auf, die ihn begrenzen. Er ist dann also mit einem dieser Ränder am Antriebselement fest angeordnet und mit dem anderen Rand fest zur Drehachse bzw. dem Motorgehäuse. Alternativ kann als Drehmomentstütze auch zumindest ein zwischen Antriebselement und beispielsweise Motorgehäuse angeordnetes Festkörpergelenk zum Einsatz kommen, das einerseits am Antriebselement fest angeordnet ist und andererseits fest zur Drehachse bzw. dem Motorgehäuse ist. Auch Federn können als Drehmomentstütze eingesetzt werden, die mit einem Ende an dem Antriebselement fest angeordnet sind und mit dem anderen Ende bezüglich der Drehachse bzw. dem Motorgehäuse fest sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können dabei zwei Federn zwei mit ihren Wirkrichtungen in rechtem Winkel zueinander stehenden Aktuatoren jeweils gegenüber angeordnet sein, wobei besonders bevorzugt die Federachsen parallel zur Wirkrichtung des entsprechend gegenüber angeordneten Aktuators liegen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Federn als Schlitzfederbleche ausgestaltet sein, die sich flächig in jener Ebene erstrecken, in welcher die Verschiebung des Antriebselementes erfolgt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Drehmomentstütze zwei Arme aufweisen, die jeweils über ein Gelenk miteinander verbundene Balken aufweisen. Diese Balken können dann in einem im Wesentlichen rechten Winkel zueinander stehen, wobei ein Ende des einen Balkens mit dem Antriebselement fest verbunden ist und das andere Ende des anderen Balkens fest bezüglich der Drehachse bzw. des Motorgehäuses ist. Es können dann die beiden Gelenke über eine zug- und drucksteife Strebe miteinander verstrebt sein, so dass der Abstand der Gelenke zueinander fest ist.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann die Drehmomentstütze mittels zumindest zweier, dreier oder mehr Stifte ausgebildet sein, die fest zur Drehachse bzw. zum Motorgehäuse sind. Diese Stifte greifen in Ausnehmungen im Antriebselement ein und sind so ausgestaltet und angeordnet, dass sie eine Verschiebung des Antriebselementes ermöglichen, eine Drehung jedoch im Wesentlichen verhindern. Hierzu können die Stifte beispielsweise in eine in der Ausnehmung im Antriebselement angeordnete Verschiebekulisse eintauchen, die ein Ver- schiebeelement aufweist. Dieses Verschiebeelement weist eine Öffnung auf, die sich in einer ersten Richtung länglich erstreckt, in die der Stift eintaucht, so dass der Stift in diesem Element in dieser Richtung verschiebbar ist. Das verschiebbare Element ist seinerseits in einer Ausnehmung im Antriebselement angeordnet, in der es in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung verschiebbar ist.

Darüberhinaus ist es auch möglich, dass die Stifte in jeweils ein Exzenterauge eingreifen, das in einer Ausnehmung im Antriebselement angeordnet ist. Das Exzenterauge weist hierbei eine ex- zentrische Ausnehmung auf, in welche der genannte Stift eintaucht. Das Exzenterauge ist in der Ausnehmung im Antriebselement um seinen Mittelpunkt drehbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können zwei oder mehr Antriebselemente vorgesehen sein, die sich in zueinander parallelen Ebenen erstrecken und gemeinsam einen Rotor antreiben. Die Antriebselemente sind dabei vorzugsweise durch eigene Aktuatoren verschiebbar und werden besonders bevorzugt so verschoben, dass die Punkte des geringsten Abstands zwischen dem entsprechenden Antriebselement und dem Rotor um jeweils einen Winkel von 360° geteilt durch die Anzahl der Antriebselemente gegeneinander um die Drehachse beabstandet sind. Diese Punkte minimalen Abstands umgeben den Rotor also in gleichen Win- kelabständen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße elektromechani- sche Motor folgende Merkmale auf: - einen drehbar gelagerten Rotor, vorzugsweise mit einer Verzahnung,

- eine mit dem Rotor drehfest verbundene Motorwelle,

- mindestens einen auf den Rotor aufsetzbaren verzahnten Antriebsring als Antriebselement,

- eine zwischen Antriebsring und einem Motorgehäuse befestigte in Bezug auf Drehbewegungen des Antriebsringes um die Motorwellenachse torsionssteife, jedoch bezüglich transversaler Ver- schiebebewegungen des Antriebsringes in der Ebene senkrecht zur Motorwellenachse scherweiche Struktur, die im Folgenden als Drehmomentstütze bezeichnet wird,

- mindestens zwei elektromagnetische Aktuatoren mit jeweils in der Ebene der Motorwellenachse liegender jedoch zueinander nicht paralleler Wirkrichtungen, wobei jeder elektromagnetische Aktuator zwei räumlich getrennte Wirkelemente aufweist, von denen das jeweils eine an dem Antriebsring befestigt ist, Teil desselben ist oder der Antriebsring selbst ist und das jeweils andere Wirkelement mit dem Motorgehäuse verbunden ist und jeweils mindestens eines der beiden Wirkelemente eines jeden elektromagnetischen Antriebselementes elektrisch steuerbar ist,

- so dass der Antriebsring durch elektromagnetische Kräfte zwischen den jeweiligen Wirkelementen der elektromagnetischen Aktuatoren zu einer Verschiebebewegung in der Ebene senk- recht zur Motorwellenachse derart anregbar ist, dass der Rotor formschlüssig auf dem Antriebsring abrollt und die Motorwelle in Rotation versetzt wird.

Die vorliegende Erfindung liefert einen Elektromotor, der sich durch eine hohe Drehmoment- dichte, eine hohe Betriebsstabilität, eine geringe Geräuschentwicklung und eine kostengünstige Herstellung auszeichnet. Dieses wird insbesondere durch die im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Maßnahmen erreicht. Eine hohe Betriebsstabilität resultiert aus der rein magnetischen Kraftvermittlung zwischen den Wirkelementen eines jeden der elektromagnetischen Aktuatoren.

Da der erfindungsgemäße Motor, mit Ausnahme des vergleichsweise massearmen und langsam rotierenden Rotors und der mit diesem verbundenen Motorwelle, vorzugsweise keine weiteren rotierenden Bauteile aufweist, kann die im Antrieb gespeicherte Energie gering gehalten werden. Hierdurch ergibt sich ein gutes Dynamikverhalten. Gleichzeitig entfällt auch die Notwendigkeit einer elektromechanischen Kommutierung. Da die Wirkelemente der elektromagnetischen Aktoren fest mit dem Motorgehäuse und dem Antriebselement verbunden sind und das Antriebselement lediglich zyklische kreisförmige Verschiebebewegungen geringer Amplitude ausführt, kann die Stromzuführung über feste oder flexible elektrische Verbindungen erfolgen.

Als elektromagnetische Aktuatoren des erfindungsgemäßen Motors eignen sich alle bekannten Bauformen von Elektromagneten, in den Ausführungen "ziehend", "drückend" wie auch "ziehend und drückend". Beispiele hierfür sind: Elektromagnete, Topfmagnete, Tauchspulenantriebe (Voice Coil), Linearmagnete, Hufeisenmagnete, Hubmagnete, Magnetpole etc.. Der Entfall einer elektromechanischen Kommutierung und die Verwendung von Elektromagneten ermöglichen eine kostengünstige Herstellung.

Eine bevorzugt zwischen dem Antriebselement und dem Motorgehäuse angebrachte Drehmo- mentstütze dient zur scherweichen aber drehsteifen mechanischen Lagerung des Antriebsringes.

Auf die Motorwelle wirkende äussere Lastmomente können über die Drehmomentstütze am Motorgehäuse abgestützt werden, wodurch der erfindungsgemäße Motor in der Lage ist, Drehmomente zu erzeugen. In der Bewegungsebene des Antriebsringes die senkrecht zur Motorwellenachse verläuft, ist die Drehmomentstütze vorzugsweise scherweich, so dass der durch die elekt- romagnetischen Aktuatoren angeregten Verschiebebewegung des Antriebselementes ein möglichst geringer mechanischer Widerstand entgegengesetzt wird. Elemente, welche die Funktion der beschriebene Drehmomentstütze erfüllen, sind beispielsweise Bälge aus Metall, Metall- Legierungen, Kunststoff, GFK, CFK oder Keramiken oder kinematische Strukturen mit Festkörpergelenken.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann eine der Verzahnungen feststehend und mit dem Motorgehäuse verbunden sein. Das als Wellenkupplung bezeichnete Element kann hierbei zwischen dem Antriebselement und der Motorwelle befestigt sein. Die Drehbewegung des An- triebselementes wird über die beispielsweise als Balg ausgeführte Wellenkupplung direkt auf die Motorwelle übertragen. Der Balg weist eine hohe Drehsteifigkeit auf, ist gegenüber Verschiebungen in der Ebene senkrecht zu seiner Längsachse aber mechanisch weich. Hierdurch wird der Verschiebung des Antriebselementes in der Wirkebene der Aktuatoren nur ein geringer mechani- sehen Widerstand entgegengesetzt.

Zu unterscheiden sind daher zumindest zwei vorteilhafte Bauarten:

Bauart A.)

Ausführungsvarianten mit zumindest einem drehfesten Antriebselement, wozu dieses über eine Drehmomentstütze am Motorgehäuse drehfest befestigt ist.

Bauart B.)

Ausführungsvarianten mit zumindest einem sich drehenden Antriebselement, wozu dieses ent- weder über ein drehsteifes und schwerweiches mechanisches Element (Wellenkupplung), beispielsweise einem Balg, mit der Motorwelle verbunden ist oder sich durch Parallelführungen im Motorgehäuse frei drehend und taumelnd bewegen kann. Da Rotor und Antriebselement bzw. Antriebsring bei dieser Bauart fest verbunden oder identisch sind, kann dieses Element als Antriebsrotor bezeichnet werden.

Alle Ausführungsbeispiele mit drehfestem Antriebselement der Bauart A.) können auf solche mit sich drehendem Antriebselement der Bauart B.) übertragen werden. Eine Darstellung und Erläuterung im Einzelnen erfolgt daher aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht, und es werden nur einige Ausführungsbeispiele gezeigt.

Bevorzugte elektromagnetische Aktuatoren für drehmomentstarke Motoren entsprechend der Erfindung sind elektrische Topfmagnete, da diese bei Luftspaltweiten < 1 mm sehr hohe Kräfte von bis zu mehreren 1000 N auf ferromagnetische Materialien auszuüben in der Lage sind, sowie Tauchspulenantriebe (Voice Coil) und nebeneinander angeordnete Magnetpole.

Eine Steigerung der Motorleistung kann durch Anbringung einer Vielzahl obiger elektromagnetischer Aktuatoren am Antriebselement erreicht werden, wobei diese sowohl innerhalb, als auch außerhalb des Antriebsringes bzw. Antriebselementes positioniert sein können. Auch im Hinblick auf eine möglichst hohen Drehgleichförmigkeit der Motorwelle, ist eine möglichst hohe Anzahl von Aktuatoren vorteilhaft.

Für eine Anzahl von N Aktuatoren, deren Wirkrichtungen radial bezüglich der Motorwellenachse gerichtet sind, gilt für die bevorzugten Winkelstellungen α der Aktuatoren bzw. derer Wirk- richtungen am Umfang des Antriebsringes folgender Zusammenhang:

N = 2 -» α = 90°

N > 2 - α = 360°/N

Die elektrische Ansteuerung des erfindungsgemäßen Motors erfolgt vorzugsweise durch phasenversetzte sinusförmige Bestromung der elektromagnetischen Antriebselemente.

Durch die oben beschriebene elektrische Ansteuerung der elektromagnetischen Aktuatoren wird das Antriebselement in kreisförmige Verschiebebewegungen versetzt.

Da bei der Bauart A.) in jeder Phase der Verschiebebewegung ein formschlüssiger Kontakt zwischen dem Antriebselement und dem Rotor besteht, kann sich der Rotor am Antriebselement abwälzen, wodurch der Rotor und die mit ihm drehfest verbundene Motorwelle in Rotation ver- setzt werden können.

Da bei der Bauart B.) in jeder Phase der Verschiebebewegung ein formschlüssiger Kontakt zwischen dem Antriebsrotor und der Verzahnung des Motorgehäuses besteht, kann sich der Antriebsrotor bzw. das Antriebselement an der Verzahnung des Motorgehäuses abwälzen, wodurch der Antriebsrotor und die mit ihm drehfest aber schwerweich verbundene Motorwelle in Rotation versetzt werden können.

Die Funktion des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors ist jedoch nicht auf die oben beschriebenen ausgezeichneten Winkelstellungen der Antriebselemente beschränkt, da die Wirk- richtung einzelner Antriebselemente nicht notwendigerweise auf die Drehachse der Motorwelle gerichtet sein muss.

Die dem erfindungsgemäßen Motor zugrundeliegende formschlüssige Kinematik kann kreisförmige Verschiebebewegungen des Antriebsringes in eine hochübersetzte Rotation der Motorwelle umwandeln. Bei gleichförmiger Drehung des Rotors durchläuft jeder Punkt des Antriebsringes zyklisch eine kreisförmige Trajektorie. Das innere Übersetzungsverhältnis Ü des Motors ist dabei gegeben durch die Anzahl derjenigen zyklischen Trajektorien, die der Antriebsring bzw. das Antriebselement für eine Winkeldrehung des Rotors von 360° durchlaufen muss. Für das innere Übersetzungsverhältnis Ü des erfindungsgemäßen Motors kann dann gelten:

Ü = (m - n)/n mit m n m : Anzahl der Zähne des Antriebsringes n : Anzahl der Zähne des Rotors

Im Falle m > n umschließt der Antriebsring den Rotor, wobei der Antriebsring eine Innenverzahnung und der Rotor eine Außenverzahnung aufweisen können.

Bei m < n umschließt der Rotor den Antriebsring, wobei der bevorzugt glockenförmige Rotor eine Innenverzahnung und der Antriebsring eine Außenverzahnung aufweisen können.

Durch Fein- oder Mikroverzahnungen von Antriebsring und Rotor mit hoher Zähnezahl und ge- ringer Zähnezahldifferenz, kann in einer Stufe ein sehr hohes inneres Übersetzungsverhältnis Ü erreicht werden, wie es sonst, gemäß dem Stand der Technik, nur mit mehrstufigen Getrieben möglich ist. Durch die Fein- oder Mikroverzahnungen ist der Motor nahezu spielfrei und vermeidet, aufgrund der einstufigen Untersetzung, die hohen Getriebeverluste mehrstufiger Getriebe.

Eine besonders hohe Überdeckung, als solche wird die Anzahl der zugleich tragend im Eingriff befindlichen Zähne bezeichnet, und ein maximales Übersetzungsverhältnis, lassen sich durch eine Auslegung erreichen, bei der Antriebsring und der Rotor eine Zähnezahldifferenz von 1 aufweisen. Typische Übersetzungsverhältnisse derartiger Verzahnungspaarungen können bis zu 1 zu mehrere Tausend betragen.

Aufgrund der möglichen hohen inneren Übersetzung des erfindungsgemäßen Motors kann dieser hohe Drehmomente erzeugen und ein externes Getriebe, mit seinen bekannten Nachteilen, kann vollständig entfallen. Dabei kann die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle von Null bis zu meh- reren 100 Umdrehungen pro Minute betragen. Sie ist proportional zur elektrischen Ansteuerfrequenz f [Hz] der elektromagnetischen Aktuatoren und damit einfach steuerbar. Insbesondere kann die Motorwelle in jede Winkelstellung positioniert und gehalten werden, sowie die Drehrichtung durch die Phasenlage der elektrischen Ansteuersignale der Antriebselemente einfach kommutiert werden. Für einen Motor mit dem inneren Übersetzungsverhältnis Ü [-] gilt bei einer elektrischen Ansteuerfrequenz f [Hz] für die Drehfrequenz Ω [Hz] der Motorwelle:

Q = f - Ü [Hz]

Beispielsweise bewirkt eine Ansteuerfrequenz von f = 100 Hz bei einem inneren Übersetzungs- Verhältnis von Ü = 1/400 eine Drehfrequenz der Motorwelle von Ω = 0,25 [Hz]. Die hohe innere Übersetzung des erfindungsgemäßen Motors ermöglicht in Verbindung mit leistungsstarken elektromagnetischen Aktuatoren getriebelose Motoren mit hohem Drehmoment und aufgrund der einstufigen Übersetzung, hohen elektromechanischen Wirkungsgraden. Besonders vorteilhaft ist in allen Ausführungsformen eine Ausführung der Verzahnungen, bei der die Durchmesserdifferenz b der Zähnhöhe entspricht. Dadurch dass sich die Zähne von Rotor und Antriebselement in dem dem Eingriffsbereich gegenüberliegenden Bereich jeweils genau gegenüberliegen, kann die Verzahnung nicht außer Eingriff geraten. Sie besitzt damit selbstführende Eigenschaften. Weiterhin vorteilhaft für die Verzahnungsauslegung ist in allen Ausführungsformen der Erfindung ein sinusförmiges Zahnprofil. In Verbindung mit einer geringen Zähnezahldifferenz, idealerweise von 1 , wird hierdurch erreicht, dass sich immer eine größere Anzahl von Zähnen tragend im Eingriff befinden. Durch den hohen Überlappungsgrad der Ver- zahnungen von Rotor und Antriebsring ergibt sich eine günstige Lastverteilung und eine hohe Robustheit der Verzahnungen gegenüber Überlastungen.

Durch die lastproportionale Verdrehung des Antriebselementes gegenüber dem Motorgehäuse und damit der ersten Wirkelemente gegenüber den zweiten Wirkelementen, ändern sich die Induktivitäten der elektromagnetischen Aktuatoren in Abhängigkeit und insbesondere proportional zum Lastdrehmoment. Die Änderung der Induktivitäten der Aktuatoren kann vorteilhaft elektronisch ausgewertet werden und zur Erfassung des Drehmomentes genutzt werden. Auf diese Weise kann jederzeit unmittelbar ermittelt werden, welche Last auf den Rotor wirkt. Durch das formschlüssige Abwälzen des Rotors am Antriebselement, wobei sich beide Elemente in ständigem Kontakt befinden, sind zudem die Geräuschentwicklung und der Verschleiß gering.

Dem Stand der Technik entsprechend eignen sich als elektrostatische Aktuatoren insbesondere als Comb- Antriebe bezeichnete, kammartig ineinandergreifende Elektrodenstrukturen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den mindestens zwei durch einen Spalt voneinander elektrisch getrennten Einzelelektroden, wirkt zwischen den Elektroden eine elektrostatische Kraft, deren Höhe durch die Amplitude der angelegten elektrischen Spannung gesteuert werden kann. Derartige Comb-Strukturen lassen sich mittel photolithographischer Strukturierung Und Nass- oder Trockenätzverfahren kostengünstig in grossen Nutzen überwiegend als mikromechatronische Bauteile in Silizium herstellen. Durch mechanisches Zusammenschalten einer Vielzahl einzelner Comb-Strukturen, kann die auf das Antriebselement wirkende Kraft geeignet erhöht werden.

Im Folgenden soll der erfindungsgemäße mechanische Motor anhand einiger Figuren beispiel- haft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei gleichen oder analogen Elementen. Die in den Beispielen gezeigten Merkmale können erfindungsgemäß auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein. zeigt als Schnittzeichnung in Aufsicht einen erfindungsgemäßen Motor mit außenliegendem Antriebsring, Rotor, Motorwelle, Drehmomentstütze und zwei zueinander in einem Winkel von 90 Grad angeordneten elektromagnetischen Aktuatoren.

zeigt eine Schnittdarstellung des in Fig. 1 dargestellten Motors entlang der Linie I - Γ in Figur 1. zeigt ein zum Betrieb des erfindungsgemäßen Motors geeignetes Ansteue- rungsdiagramm. zeigt eine bevorzugte Ausführung der Verzahnung von Rotor und Antriebsring. zeigte einen erfindungsgemäßen Motor mit zwei elektromagnetischen Tauchspulenmagneten als Aktuatoren. zeigt einen erfindungsgemäßen Motor mit zwei Elektromagneten als Aktuatoren. zeigt einen selbsthemmenden Motor mit zwei Federrückstellelementen und zwei Elektromagneten als Aktuatoren. zeigt einen selbsthemmenden Motor bei dem die Federrückstellelemente Schlitzfederbleche sind und diese gleichzeitig als Drehmomentstütze dienen sowie zwei Elektromagnete als Aktuatoren. zeigt einen Motor mit einem Teil einer parallelkinematischen Drehmomentstütze und zwei elektromagnetischen Tauchspulenantrieben. zeigt einen Motor mit einer vollständigen parallelelkinematischen Drehmomentstütze und zwei elektromagnetischen Tauchspulenantrieben. zeigt einen Motor mit Verschiebekulissen als Drehmomentstütze und zwei elektromagnetischen Tauchspulenantrieben. zeigt einen Motor mit Stiftführungen als Drehmomentstütze und zwei elektromagnetischen Tauchspulenantrieben. zeigt einen Motor mit Exzenterpleueln als Drehmomentstütze und zwei elekt- romagnetischen Tauchspulenantrieben. zeigt einen Motor mit acht Elektromagneten als Aktuatoren in Ringanordnung. zeigt einen Motor mit vier elektromagnetischen Tauchspulenantrieben in Propelleranordnung. zeigt einen Motor mit vier elektromagnetischen Tauchspulenantrieben in Scherenanordnung. zeigt einen Motor mit vier elektromagnetischen Tauchspulenantrieben in Rautenanordnung. zeigt einen Motor mit drei Elektromagneten als Antriebselemente in 120 Grad Sternanordnung. zeigt einen Motor mit sechs Elektromagneten als Antriebselemente in 60 Grad Sternanordnung. zeigt einen selbsthemmenden Motor mit innenliegendem Antriebsring, zwei Elektromagneten als Antriebselementen und zwei Federrückstellelementen. zeigt eine Schnittdarstellung des in Fig. 19 dargestellten Motor entlang der Linie I - Γ in Figur 19. zeigt einen Motor mit innenliegendem Antriebsring und sechs Elektromagneten als Aktuatoren in 60 Grad Sternanordnung. zeigt einen Motor mit zwei auf einen gemeinsamen Rotor wirkenden Antriebsringen zeigt einen Motor mit außenliegenden Elektromagneten, bei dem die Drehbewegung des Antriebsrotors über eine Wellenkupplung auf die Motorwelle übertragen wird. zeigt einen lagerlosen Motor, bei dem der Drehbewegung der Motorwelle eine wobbelnde Verschiebebewegung überlagert ist. Figur 25 zeigt eine vorteilhafte Ausführung der Elektromagnete in Form von Magnetpolen, die alternierend bestromt werden.

Figur 26 zeigt einen Motor, bei dem die Verschiebebewegung des Antriebselementes durch elektrostratische Aktuatoren (Comb) erfolgt.

Figur 27 zeigt eine Schnittdarstellung des in Fig. 26 dargestellten Motor entlang der

Linie I - Γ in Figur 26. Figur 1 zeigt als Schnittdarstellung in Aufsicht einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Motor. Dieser weist einen kreisförmigen Rotor 2 des Teilkreisdurchmessers d , mit einer verzahnten äußeren Mantelfläche 2.1 und eine mit dem Rotor 2 drehfest verbundene Motorwelle 3 auf. Die Motorwelle 3 ist in nicht dargestellten Lagern eines Motorgehäuses 8 spielfrei drehbar gelagert. Weiterhin weist der erfindungsgemäße elektromechanische Motor einen Antriebsring 1 als Antriebselement 1 mit einer verzahnten kreisförmigen inneren Mantelfläche 1.1 auf, die gegenüber der verzahnten äußeren Mantelfläche 2.1 des Rotors 2 einen größeren Teilkreisdurchmesser dA besitzt. Wie in der Ausschnittsvergrößerung B in Figur 1 dargestellt sind die Innenverzahnung 2.1 und die Außenverzahnung 1.1 derart ausgebildet, dass die Zähne formschlüssig ineinandergreifen können, wobei die Außenverzahnung 1 .1 mindestens einen Zahn mehr auf- weist, als die Innenverzahnung 2.1. Außerdem sind die Zahnprofile und die Differenz der Teilkreisdurchmesser dA-dR so gewählt, dass der Rotor 2 und der Antriebsring 1 den gleichen Modul m aufweisen, d.h. die Bedingung ά^Ιτ.^ = ÜRIZR erfüllt ist, mit ZA = Anzahl der Zähne des Antriebsringes 1 und ZR = Anzahl der Zähne des Rotors 2, so dass sich die Verzahnung des Rotors 2 in der Verzahnung des Antriebsringes 1 abwälzen kann.

Als zentrales Funktionselement besitzt der erfindungsgemäße elektromechanische Motor eine Drehmomentstütze 9, die zwischen dem Antriebsring 1 und dem Motorgehäuse 8 angebracht ist. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Motors weist die Drehmomentstütze 9 mindestens einen konzentrisch in Bezug auf die Motorwelle 3 orientierten Balg 9 auf, dessen eines Ende mechanisch drehfest mit dem Antriebsring 1 verbunden ist und dessen anderes Ende mechanisch drehfest mit dem Motorgehäuse 8 verbunden ist. Die Drehmomentstütze 9 erfüllt hier mindestens drei Funktionen. Zum einen dient sie als Befestigung für den Antriebsring 1. Zweitens ermöglicht sie Verschiebebewegungen des Antriebsringes 1 in der senkrecht zur Motorwellenachse 3 liegenden xy-Ebene, wobei die Drehmomentstütze 9 so konstruiert ist, dass sie diesen Verschiebebewegungen einen nur geringen mechanischen Widerstand entgegensetzt.

Drittens verhindert die Drehmomentstütze 9 Drehbewegungen des Antriebsringes 1 um die Achse der Motorwelle 3 gegenüber dem Motorgehäuse 8. Hierzu weist die Drehmomentstütze 9 bezüglich Drehungen um die Achse der Motorwelle 3 eine maximale Drehsteifigkeit auf. Elemente die diese Funktionen erfüllen, sind z.B. Bälge, Rohre, Verschiebkinematiken, Kulissen, Stifte, Biegeelemente, Kardangelenke und Federn.

Weiterhin sind ein erster elektromagnetischer Aktuator AI , zwei Wirkelemente 4.1 und 5.1 auf- weisend, und ein zweiter elektromagnetischer Aktuator A2, zwei Wirkelemente 4.2 und 5.2 aufweisend, vorhanden, wobei mindestens eines der Wirkelemente eines jeden Aktuators AI , A2 über Zuleitungen 6.1 , 6.2 elektrisch erregbar ist. Die Wirkelemente 4 und 5 eines jeden elektromagnetischen Aktuators AI , A2 sind entlang ihrer zugehörigen Hauptwirkachsen, also Wirkrichtungen, 7.1 , 7.2 zueinander in einem Abstand d angeordnet, so dass durch elektrische Erre- gung über die Zuleitungen 6, zwischen den Wirkelementen 4 und 5 eines jeden elektromagnetischen Aktuators AI , A2 in einer Hauptwirkachse 7 wirkende elektromagnetische Kräfte erzeugt werden können. Dabei sind die Wirkelemente 4, 5 der elektromagnetischen Aktuators AI , A2 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 so orientiert, dass die Hauptwirkachse 7.1 und die Hauptwirkachse 7.2 einen rechten Winkel bilden. Ferner sind die Wirkelemente 4.1 und 4.2 fest mit dem Motorgehäuse 8 und die Wirkelemente 5.1 und 5.2 fest mit dem Antriebsring 1 verbunden. Hierbei ist es für die Funktion unerheblich, welches der beiden Wirkelemente 4, 5 einer Hauptwirkungsachse mit dem Antriebsring 1 und welches mit dem Motorgehäuse 8 verbunden ist. Im Hinblick auf ein optimales Dynamikverhalten des erfindungsgemäßen elektromechani- schen Motors wird eine minimale bewegte Masse angestrebt. Unter diesem Aspekt kann es vor- teilhaft sein, das Wirkelement mit der geringeren Masse am Antriebsring 1 und dasjenige mit der höheren Masse mit dem Motorgehäuse 8 zu verbinden. Ebenso kann der Antriebsring 1 selbst als Wirkelement dienen, beispielsweise wenn das mit dem Motorgehäuse 8 verbundene Wirkelement 4 ein Elektromagnet ist und der Antriebsring 1 aus in Teilbereichen oder ganz

ferromagnetisches Material, beispielsweise Eisen, Stahl oder einem Permanentmagneten, auf- weist oder daraus besteht.

Durch die formschlüssige Anlage an den Rotor 2, wird die maximale Auslenkung des Antriebsringes 1 bei dessen Verschiebung in der xy-Ebene bezogen auf die Drehachse der Motorwelle 3 begrenzt.

Der Abstand d zwischen den Wirkelementen 4, 5 eines jeden der elektromagnetischen Aktuato- ren AI , A2 ist so gewählt, dass bei den Verschiebebewegungen des Antriebsringes 1 kein mechanischer Kontakt zwischen den Wirkelementen 4, 5 eines jeden der elektromagnetischen Ak- tuatoren AI , A2 auftreten kann.

Einige elektromagnetische Aktuatoren, wie beispielsweise Elektromagnete, weisen eine stark ausgeprägte Abhängigkeit der elektromagnetischen Kräfte von dem Abstand der Wirkelemente 4, 5 auf, wobei die elektromagnetische Kraft mit abnehmendem Abstand stark zunimmt. Aus diesem Grund besitzen die Wirkelemente 4, 5 eines jeden der elektromagnetischen Antriebselemente AI , A2 des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors vorzugsweise einen Abstand d, der möglichst klein ist, jedoch hinreichend groß, um einen mechanischen Kontakt zwischen den Wirkelementen 4.1 und 5.1 sowie zwischen den Wirkelementen 4.2 und 5.2 im Motorbetrieb auszuschließen.

Figur 2 zeigt den erfindungsgemäßen elektromechanischen Motor in einer Schnittansicht entlang der in Figur 1 mit I - Γ gekennzeichneten Schnittebene. Die Motorwelle 3 ist mit dem an ihr mechanisch drehfest verbundenen Rotor 2 in Kugellagern 10 eines Motorgehäuses 8 spielfrei dreh- bar gelagert. Zur axialen Fixierung der Motorwelle 3 dienen hier zwei Tellerfedern 12, die in Nuten der Motorwelle 3 eingreifen und sich am Motorgehäuse 8 abstützen.

Der Antriebsring 1 ist mit Hilfe der Drehmomentstütze 9, welche die zwei konzentrisch zur Drehachse der Motorwelle 3 angeordneten Bälge 9.1 und 9.2 aufweist, mechanisch drehfest mit dem Motorgehäuse 8 verbunden. Die drehfeste Verbindung der Bälge 9.1 und 9.2 mit dem Antriebsring 1 einerseits und dem Motorgehäuse 8 andererseits ist in Figur 2 symbolhaft durch Schweißnähte 1 1 dargestellt. In Bezug auf die Drehsteifigkeit besonders vorteilhaft sind möglichst große Balgdurchmesser, was sich durch eine Befestigung am äußeren Umfang des Antriebsrings 1 erreichen lässt. In einer bevorzugten Ausführung, gemäß der Darstellung in Figur 2, ist der Antriebsring 1 mittig zwischen zwei identischen Bälgen 9.1 und 9.2 angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass der Antriebsring 1 bei Einwirkung der durch die elektromagnetischen Antriebselemente AI und A2 ausgeübten Kräfte in der senkrecht zur Motorwellenachse 3 liegenden xy-Ebene rein parallelverschoben wird. Zudem wird durch die beiden Bälge 9.1 und 9.2 gegenüber einem Balg eine nochmals höhere Drehsteifigkeit erreicht.

Grundsätzlich ist die in Figur 2 gezeigte Ausführung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors jedoch auch mit nur einem Balg, z.B. 9.1 oder 9.2, oder zwei unterschiedlichen Bälgen funktionsfähig. Da der Balg scherweich ist, richten sich die Verzahnungen von Rotor 2 und Antriebsring 1 , durch die von den elektromagnetischen Aktuatoren AI und A2 erzeugten Kräfte, zueinander parallel aus. Zum Ausgleich des Kippwinkels des Balges oder der Bälge können die Verzahnungen auch konisch ausgeführt sein.

Figur 2 zeigt den erfindungsgemäßen elektromechanischen Motor in einer Betriebsphase, bei der der Antriebsring 1 durch die elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 aus seiner zentrischen La- ge auf Anlage mit dem Rotor 2 gebracht ist. Die Eingriffsverhältnisse an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten des Rotors 2 sind in den Ausschnittsvergrößerungen D und D' verdeutlicht. Dabei zeigt Ausschnittsvergrößerung D, wie die Innenverzahnung 1.1 des Antriebsringes 1 mit der Außenverzahnung 2.1 des Rotors 2 im Bereich D in formschiüssigem Eingriff ist, wäh- rend die Verzahnungen von Rotor 2 und Antriebsring 1 in dem diametral gegenüberliegendem Bereich, siehe Ausschnittsvergrößerung D', gleichzeitig maximal außer Eingriff sind.

Für die weitere Erläuterung der Funktion des in Figur 1 und Figur 2 dargestellten erfindungsge- mäßen elektromechanischen Motor wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass es sich bei den mit dem Motorgehäuse 8 verbundenen Wirkelementen 4.1 und 4.2 um Elekt- romagnete mit den elektrischen Anschlussleitungen 6.1 , 6.2 und bei den mit dem Antriebsring 1 verbundenen Wirkelementen 5.1 und 5.2 um Permanentmagnete handelt, so dass durch

Bestromung der Elektromagnete 4.1 , 4.2 sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte in der Hauptwirkrichtung 7.1 zwischen dem Wirkelementen 4.1 und 5.1 sowie in der Hauptwirkrichtung 7.2 zwischen dem Wirkelementen 4.2 und 5.2 erzeugt werden können.

Ausgehend von einer durch die Verzahnungsform, die Teilkreisdurchmesserdifferenzen und durch die Montagebedingungen definierten Anfangsposition des Antriebsringes 1 wird dieser durch periodische Kräfte der über die Zuleitungen 6, 1 , 6.2 elektrisch phasenversetzt angesteuerten elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2, nun zu einer zyklischen kreisförmigen Verschiebebewegung im Formschluss mit dem Rotor 2 angeregt.

Figur 3 zeigt ein für den Betrieb des in Figur 1 und Figur 2 gezeigten erfindungsgemäßen elekt- romechani sehen Motors geeignetes Bestromungsprofil. Dabei weisen die Wirkelemente 5 Permanentmagnete auf, die so magnetisiert sind, dass bei Bestromung der als Elektromagnete ausgeführten zugehörigen Wirkelemente 4 sowohl anziehende, als auch abstoßende Kräfte zwischen den Wirkelementen 4 und 5 eines jeden der elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 erzeugt werden können. Zur Erzeugung einer umlaufenden kreisförmigen Verschiebebewegung des An- triebsringes 1 werden die elektromagnetischen Aktuatoren A 1 , A2 mit zueinander phasenversetzten Ansteuersignalen betrieben. Beispielhaft zeigt Figur 3 ein geeignetes Ansteuerungsprofil, mit einem Stromverlauf der elektromagnetischen Aktuatoren gemäß:

Ui(t) = Imax · sin[cp(t)] (Ampere)

IA2( = Imax^■ sin[q>(t)± π/2)] (Ampere) wobei Ui den Strom durch den elektromagnetischen Aktuator AI , IA2 den Strom durch den elektromagnetischen Aktuator A2, I_max den Maximalstrom und (p(t) den Phasenwinkel in Radiant bezeichnen. Durch Änderung der Phasenlage der beiden Spulenströme I_Ai (t), ) um ± π/2 wird die Drehrichtung der Motorwelle des Motors kommutiert.

Anhand des in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels wird Motorfunktion im Zu- sammenwirken mit dem in Figur 3 gezeigten Ansteuerungsprofil im Folgenden genauer erläutert.

Durch die Bestromung des Elektromagneten 4.1 mit einem sinusförmigen Stromverlauf und des Elektromagneten 4.2 mit einem cosinusförmigen Stromverlauf gleicher Frequenz f [Hz] wirken in den Hauptwirkrichtungen 7.1. und 7.2 der elektromagnetischen Aktuators AI , A2 simultan zueinander 90 Grad phasenverschobene sinusförmige Kräfte auf die Wirkelemente 5.1 und 5.2, die sich linear zu einer kreisförmigen Verschiebebewegung des Antriebsringes 1 überlagern. Die auf den Antriebsring 1 wirkenden Kräfte sind dabei dem elektrischen Strom durch die Elektromagneten näherungsweise proportional. Da die maximale Auslenkung des Antriebsringes 1 durch den Rotor 2 begrenzt ist, wird zwischen dem Rotor 2 und dem Antriebsring 1 eine Kontaktkraft aufgebaut, welche die Verzahnungen 1.1 und 2.1 im Kontaktbereich in Eingriff bringt. Der Kontaktbereich läuft dabei mit der Kreisfrequenz f [Hz] des elektrischen Stromes, entlang des Umfangs des Antriebsringes 1 um, wobei sich die Außenfläche 2.1 des Rotors 2 im Form- schluss auf der Innenfläche 1.1 des Antriebsringes 1 abwälzt und der Rotor 2 mit der Motorwelle 3 in Rotation versetzt wird. Die Drehrichtung des Rotors 2 ist dabei gegensinnig zum Umlaufsinn der kreisförmigen Verschiebebewegung des Antriebsringes 1. Sie wird gesteuert durch die Phasenlage der elektrischen Ansteuersignale 6.1 , 6.2 der Elektromagneten. Durch Veränderung der elektrischen Ansteuerfrequenz f [Hz] von Null bis zu mehreren Kilohertz kann die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle 2 in weiten Grenzen gesteuert werden. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der festen Phasenbeziehung zwischen elektrischer Kreisfrequenz f [Hz] und Drehfrequenz Ω [Hz] der Motorwelle 3 bei Kenntnis einer Anfangswinkelstellung der Motorwelle 3 jede weitere Winkelstellung ohne zusätzliche Sensorik angefahren werden kann. Dabei kann die Motorwelle 3 in jeder gewünschten Winkelposition gehalten werden. Äußere auf die Motorwelle 3 wirkende Drehmomente werden über den mindestens einen, als

Drehmomentstütze 9 dienenden Balg 9.1 , 9.2 am Motorgehäuse 8 abgestützt. Aufgrund der endlichen Drehsteifigkeit der Drehmomentstütze 9, den mindestens einen Balg 9.1 , 9.2 aufweisend, tritt bei an der Motorwelle 3 angreifenden Drehmomenten eine, wenn auch geringe, drehmo- mentproportionale Verdrehung des Antriebsringes 1 gegenüber dem Motorgehäuse 8 auf. Die Drehmomenstütze 9 ist so dimensioniert, dass die drehmomentabhängige Verdrehung des Antriebsringes 1 gering ist, so dass die Verzahnungen 1.1 und 2.1 hierdurch nicht außer Eingriff geraten. Durch die lastproportionale Verdrehung des Antriebselementes 1 gegenüber dem Motorgehäuse 8 und damit der Wirkelemente 4 gegenüber den Wirkelementen 5, ändern sich die Induktivitäten der elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 proportional zum Lastdrehmoment. Die Änderung der Induktivitäten der magnetischen Kreise der Aktuatoren AI , A2 wird elektronisch ausgewertet und zur Erfassung des Drehmomentes genutzt.

Figur 4 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Verzahnungen von Rotor 2 und Antriebsring 1 des in Figur 1 und Figur 2 gezeigten erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors, bei der der Rotor 2 eine Anzahl von n Zähnen und der Antriebsring 1 eine Anzahl von n+1 Zähnen aufweist und die Mantelfläche der Innenverzahnung 1 .1 des Antriebsringes 1 einen gegenüber der Mantelfläche der Außenverzahnung 2. 1 des Rotors 2 um den Betrag b größeren Durchmesser aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass die Zähne des Rotors 2.1 mit den Zähnen des Antriebsringes 1.1 in einem Bereich D formschlüssig ineinandergreifen und die Zähne von Rotor 2.1 und Antriebsring 1.1 in dem dem Bereich D diametral gegenüberliegenden Bereich D' sich außer Eingriff befinden. Die Durchmesserdifferenz b entspricht hierbei mindestens der Höhe der Zähne, so dass die Zähne des Antriebsringes 1 an den Zähnen des Rotors 2 vorbeibewegbar sind.

Besonders vorteilhaft ist in allen Ausführungsformen die in Figur 4 dargestellte Ausführung der Verzahnungen, bei der die Durchmesserdifferenz b der Zahnhöhe zuzüglich einer geringen Toleranz entspricht. Dadurch dass sich die Zähne von Rotor 2 und Antriebsring 1 in dem dem Eingriffsbereich D gegenüberliegenden Bereich D' jeweils genau gegenüberliegen, kann die Ver- zahnung nicht außer Eingriff geraten. Sie besitzt damit selbstführende Eigenschaften. Weiterhin vorteilhaft für die Verzahnungsauslegung ist in allen Ausführungsformen der Erfindung ein sinusförmiges Zahnprofil. In Verbindung mit einer geringen Zähnezahldifferenz, idealerweise von 1 , wird hierdurch erreicht, dass sich immer eine größere Anzahl von Zähnen tragend im Eingriff befinden. Durch den hohen Überlappungsgrad der Verzahnungen von Rotor 2 und Antriebsring 1 ergibt sich eine günstige Lastverteilung und eine hohe Robustheit der Verzahnungen gegenüber Überlastungen.

Zur Erzeugung hoher Drehmomente und einer hohen Winkelauflösung kann der in Figur 1 und Figur 2 dargestellte Grundtyp eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors in vorteil- hafter Weise Feinst- oder Mikroverzahnungen sehr kleiner Module m, mit Zahnhöhen von typisch < 200 μιη, vorzugsweise < 100 μιη, besonders bevorzugt < 50 μιτι an Rotor 2 und Antriebsring 1 aufweisen. Demzufolge besitzen Rotor 2 und Antriebsring 1 eine sehr hohe Anzahl feiner Zähne mit einer geringen Zähnezahldifferenz, womit sich sehr hohe innere Übersetzungsverhältnisse Ü des Motors von 1 /mehreren Tausend ergeben. Insbesondere folgt für eine

Zähnezahldifferenz von 1 zwischen Antriebsring 1 und Rotor 2 ein minimaler Hubbedarf, um die

Verzahnungen ineinander abzuwälzen, was eine räumlich enge Anordnung der Wirkelemente 4,5 eines jeden elektromagnetischen Aktuators AI , A2 mit einem minimalen Abstand d gestattet, wodurch sehr hohe Kräfte entlang der Wirkachsen 7 von den Wirkelementen 4 und 5 auf den Antriebsring 1 ausgeübt werden und sehr hohe Drehmomente erzeugt werden können.

Der erfindungsgemäße elektromechanische Motor ist jedoch auch mit wesentlich gröberen Verzahnungen mit Zahnhöhen > 100 Mikrometer betreibbar. Als weitere Ausführungsform zeigt Figur 5 einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Motor, bei dem im Luftspalt von Permanentmagneten 4 angeordnete elektromagnetische Tauchspulen 5 (Voice Coil) als Aktuator AI , A2 verwendet werden. Die Tauchspulen 5 können über elektrische Zuleitungen 6 bestromt werden. Der magnetische Fluss der Permanentmagnete 4 ist im Luftspalt so orientiert, dass bei Bestromung der Tauchspulen 5 in Wirkachse 7 gerichtete Magnetkräfte wirksam werden. Die in Figur 5 gezeigte Anordnung, bei der die aktiven als Tauchspulen ausgeführten Wirkelemente 5 am Antriebsring 1 und die passiven als Permanentmagnete ausgeführten Wirkelemente 4 am Motorgehäuse 8 befestigt sind, ist nur beispielhaft. Ebenso können die passiven Wirkelemente 4 am Antriebsring 1 und die aktiven Wirkelemente 5 am Motorgehäuse 8 befestigt sein oder beide Wirkelemente 4 und 5 eines jeden elektromagnetischen Aktuator AI , A2 aktive Wirkelemente aufweisen.

Je nach Ausführung der Verzahnungen von Rotor und Antriebsring können die Verzahnungen von Rotor und Antriebsring in der unbestromten Anfangslage dabei teilweise, vollständig oder gar nicht im Eingriff sein. Aus Schnitts Vergrößerung B in Figur 5 zeigt einen Zustand, bei dem die Verzahnungen teilweise im Eingriff sind. Ausgehend von einer Anfangslage von Rotor 2 und Antriebsring 1 im unbestromten Zustand, wird die Motorwelle durch Bestromung der elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 je nach Phasenlage entweder rechts- oder linksdrehend in Rotation versetzt. Entsprechend der maximal möglichen Verschiebung des Antriebsringes 1 in der xy-Ebene sind die Abstände d und e der Tauchspulen zu den Oberflächen der Topfmagnete so gewählt, dass im Motorbetrieb eine Berührung zwischen den Wirkelementen 4 und 5 sicher vermieden wird.

Gegenüber der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform zeigt Figur 6 einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Motor, bei dem die aktiven Wirkelemente 4 am stationären Motorgehäuse

8 befestigt sind. Die Wirkelemente 4 werden von leistungsstarken Elektromagneten gebildet, jeweils eine Spule mit den elektrischen Anschlüssen 6 und einen hochpermeablen Spulenkörper aufweisend. Als passive Wirkelemente 5 dienen mit dem Antriebsring 1 verbundene und in der Wirkachse 7 gegenüber den Elektromagneten 4 positionierte Permanentmagneten 5. Das Funkti- onsprinzip entspricht dem bereits bei Figur 5 beschriebenen. Durch phasenversetzte Bestromung der elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 kann der Rotor sowohl rechts- als auch linksdrehend in Rotation versetzt werden und in jeder Position angehalten werden.

Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen, zeigt Figur 7 einen erfin- dungsgemäßen elektromechanischen Motor, der im unbestromten Zustand selbsthemmend ist. Hierzu dienen diametral gegenüber den elektromagnetischen Aktuatoren A 1 , A2 angeordnete Federn 13 und 14. Die Federn 13, 14 stützen sich jeweils zwischen dem Motorgehäuse 8 und dem Antriebsring 1 ab. Ihre Wirkrichtung ist dabei in Richtung der Wirkachse des gegenüberlie- genden elektromagnetischen Aktuators orientiert. Jede der beiden Federn 13, 14 ist mechanisch vorgespannt und übt eine Zugkraft auf den Antriebsring 1 aus. Hierdurch wird der Antriebsring 1 bei unbestromten elektromagnetischen Aktuatoren AI, A2 in dem Bereich D in formschlüssigem Eingriff mit dem Rotor 2 gehalten, während die Verzahnungen von Rotor 2 und Antriebsring 1 in der dem Bereich D diametral gegenüberliegenden Position D' maximalen Abstand aufweisen.

Unter der Annahme, dass die Zugfedern 13, 14 betragsmäßig gleich große Zugkräfte auf den Antriebsring 1 ausüben, liegt der Bereich D dabei auf der durch die beiden elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 gebildeten Symmetrieachse, zwischen den beiden elektromagnetischen Ak- tuatoren AI , A2. Hierdurch wird der Rotor 2 bei unbestromten Aktuatoren AI , A2 gegenüber Drehbewegungen arretiert.

Als elektromagnetische Aktuatoren dienen in diesem Fall Wirkelemente 4 und 5, die bei

Bestromung im wesentlichen Zugkräfte generieren. Bei einer einfachsten Ausführung weist hier- bei das passive am Antriebsring 1 befestigte Wirkelement 5 ein hochpermeables ferromagneti- sches Material auf und das aktive Wirkelement 4 weist einen Elektromagneten auf. Eine weitere Vereinfachung lässt sich dadurch erzielen, dass der Antriebsring 1 in den Bereichen, in denen sonst die separaten Wirkelemente 5 befestigt sind, selbst aus ferromagnetischem Material hergestellt ist. Im Weiteren kann auch der gesamte Antriebsring 1 ferromagnetisches Material aufwei- sen oder daraus bestehen. Um die Motorwelle 3 in Rotation zu versetzen, werden die elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2, auf die bereits geschilderte Weise phasenversetzt sinusförmig bestromt. Die elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 sind beide so dimensioniert, dass die bei Bestromung erzeugte Zugkraft betragsmäßig etwa dem doppelten der von der jeweiligen Zugfeder 13, 14 ausgeübten Zugkraft entspricht.

Die in Figur 7 gezeigte Anordnung eignet sich bevorzugt in Kombination mit elektromagnetischen Zugmagneten, bei der im Zusammenwirken von den durch die Federn 13, 14 ausgeübten statischen Kräften und den durch die Aktuatoren AI , A2 ausgeübten periodisch sinusförmig modulierten Kräften eine kreisförmige Verschiebung des Antriebsringes 1 erzeugt wird. Da für ei- nen gleichförmigen Motorlauf einerseits die Zugfederkräfte überwunden werden müssen und andererseits in der der Ruheposition D gegenüberliegenden Position D' eine betragsmäßig gleich große Andruckkraft erzeugt werden muss, ist der Strom verlauf, wie in Figur 3 dargestellt, um einen der Überwindung der Zugfederkraft entsprechenden Biasstrom verschoben. Durch einen Biasstrom und phasenversetzte sinusförmige Ansteuerung der Antriebselemente AI , A2 lässt sich der Antriebsring 1 damit zu einer umlaufenden Verschiebebewegung mit konstanter radialer Andruckkraft anregen. Das in Figur 7 gezeigte Ausführungsbeispiel gestattet es damit, den Rotor 2 in beliebiger Winkelstellung mit einem nur geringen Winkelfehler leistungslos zu halten und den Rotor 2 aus dieser Position heraus durch elektrische Ansteuerung der Aktuatoren AI , A2 in Rotation zu versetzen.

Vorteilhaft für die Funktion des erfindungsgemäßen Motors ist eine Aufhängung des Antriebsringes 1 , die einerseits bezüglich der Motorwellenachse verdrehsteif ist, andererseits transversale Verschiebungen des Antriebsringes 1 in der senkrecht zur Motorwellenachse liegenden xy- Ebene gestattet. Elemente welche diese Bedingungen erfüllen können als Drehmomentstütze 9 bezeichnet werden. In den bisherigen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen elektrome- chanischen Motors wurde für diese Funktionen eine rotationssymmetrische Struktur in Form von Bälgen oder Rohren verwendet. Dieses ist jedoch nur eine von einer Vielzahl weiterer Ausführungsformen für die Drehmomentstütze 9. Figur 8 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Motor der Bauart gemäß Figur 7, bei dem die Zugfedern durch Schlitzfederbleche 13 und 14 realisiert sind. Bei geeigneter Auslegung der Federcharakteristik durch entsprechende Schlitzgeometrien und ein hinreichendes Aspektverhältnis, als welches die Breite der Feder in Bezug auf ihre Länge in Hauptfederrichtung bezeichnet wird, können die Schlitzfedern 13, 14 gleichzeitig die Funktion einer Drehmo- mentstütze 9 besitzen. Die Anbringung einer zusätzlichen Drehmomentstütze 9 am Antriebsring 1 ist damit optional und für die Motorfunktion nicht zwingend.

Als weiteres Beispiel zeigen Figur 9a und Figur 9b eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors mit einer als Drehmomentstütze 9 dienenden parallelkinemati- sehen Aufhängung des Antriebsringes 1 an bezüglich der xy-Ebene zug- und drucksteifen aber biegeweichen Armen 15, 16, 17, 18 die über eine zug- und drucksteife Strebe 22 an den gegenüberliegenden Drehpunkten 20, 21 querverstrebt ist. Das Zusammenwirken der Elemente 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22 erfüllt in gleicher Weise wie das bisher mit 9 bezeichnete Element die Funktionen einer Drehmomentstütze. Sämtliche Elemente sind im Wesentlichen planar in der xy-Ebene angeordnet. Jeweils eines der Wirkelemente 5 der im Ausführungsbeispiel der Figur 9 als Tauchspulenantriebe dargestellten Aktuatoren AI , A2 ist auf die bereits in Figur 5 dargestellte Art mit dem Antriebsring 1 verbunden. Aufgrund der Durchdringung sind die Arme 15 und 18 daher im Bereich der elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 entweder mit Durchbrüchen versehen oder in z-Richtung um die Aktuatoren AI , A2 herumgeführt. Bei einer anderen, bildlich nicht dargestellten Ausführungsform, ist jeweils eines der Wirkelemente 5 der elektromagnetischen Aktuatoren AI , A2 direkt mit den Armen 15, 18 oder 16, 17 verbunden. Neben einem einfacheren Aufbau lassen sich hierdurch beliebige Hebelübersetzungsverhältnisse für die von den Antriebselementen AI , A2 erzeugten und auf den Antriebsring 1 übertragenen Kräfte realisieren. Eine bezüglich Verschiebungen in der xy-Ebene weiche Struktur wird durch einen ersten Arm 15, der an seinem einen Ende mit dem Motorgehäuse 8 verbunden ist und einen zweiten Arm 16, der an seinem einen Ende mit dem Antriebsring 1 verbunden ist, sowie einer drehnachgiebigen Verbindung 20 der Arme 15 und 16 miteinander an ihrem jeweils anderen Ende erreicht. Eine möglichst hohe Biegeweichheit und Drehnachgiebigkeit wird durch Festkörpergelenke 19 oder Drehgelenke 20, 21 erreicht. Exemplarisch sind in Figur 9 beide Gestaltungsformen gezeigt. Die in Fig. 9 dargestellte kinematische Struktur kann jedoch sowohl allein mit Festkörpergelenken 19, als auch mit klassischen Drehgelenken 20, 21 realisiert werden.

Durch die Anbringung einer zweiten, gegenüber den Armen 15, 16 um 180 Grad gedrehten aus den Armen 17, 18 bestehenden am Antriebsring 1 und am Motorgehäuse 8 befestigten zweiten Armstruktur, mit dem Drehpunkt 21 ist eine verschiebeweiche Aufhängung des Antriebsringe 1 in der xy-Ebene erreicht, wobei die derart realisierte Struktur gegenüber Drehbewegungen noch weich ist. Der erfindungsgemäßen Ausführung der in Figur 9 gezeigten Drehmomentstütze 9 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der Abstand der Drehpunkte 20 und 21 bei Verdrehungen des Antriebsringes 1 verändert. Die in Figur 9b gezeigte, zwischen den Drehpunkten 20 und 21 angebrachte Querstrebe 22 verhindert derartige Abstandsänderungen ohne jedoch die Verschiebung des Antriebsrings 1 in der xy-Ebene zu behindern. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigt dabei Figur 9a die Kinematik ohne und Figur 9b die Kinematik mit aufgesetzter Querstrebe 22. Die Querstrebe 22 besitzt eine innere Ausnehmung 23, durch welche die Motorwelle 3 hindurchgeführt ist. Damit erfüllt die in Figur 9b dargestellte Struktur in dem gewünschten Umfang die Funktion einer Drehmomentstütze 9. Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors, bei dem die Drehmomentstütze 9 Verschiebekulissen El , E2 aufweist. Die Verschiebekulisse El weist eine rechteckförmige Ausnehmung 24 des Antriebsringes 1 auf, in deren Inneren ein bezüglich x-Verschiebungen spielfrei beweglicher Rahmen 25 angeordnet ist, der eine längliche innere Ausnehmung 27 besitzt, in der ein mit dem Motorgehäuse 8 fest verbundener Stift 26 spielfrei geführt ist, so dass der Rahmen 25 auch bei Verschiebungen in der y-Richtung mit dem Antriebsring 1 mitgeführt wird. Die Elemente 24, 25, 26, 27 sind dabei so dimensioniert, dass sie reibungsarm aber spielfrei gleiten können.

Eine besonders wirksame Blockierung von Drehbewegungen des Antriebsringes 1 ohne Behin- derung der xy-Verschiebebewegungen des Antriebsringes 1 , wird durch die Anbringung mindestens einer zweiten Verschiebekulisse E2 in möglichst großem Abstand zur Verschiebekulisse El am Antriebsring 1 erreicht, wie in Figur 10 dargestellt. Figur 1 1 zeigt eine weitere Ausführungsform der Drehmomentstütze 9. Diese weist mit dem Motorgehäuse 8 fest verbundenen runde Stifte 27 des Außendurchmessers di auf, die in kreisförmigen Ausnehmungen 28 mit dem Innendurchmesser d₂, mit d₂ > di, des Antriebsringes 1 geführt sind, wobei die Durchmesserdifferenz d₂ - d| mindestens dem maximalen Verschiebeweg des Antriebsringes 1 entspricht. Um eine Verdrehung des Antriebsringes 1 zu verhindern, sollten mindestens zwei jeweils die Elemente 27 und 28 aufweisende Verdrehsicherungen am Antriebsring 1 vorhanden sein. Um das Drehspiel des Antriebsringes 1 bei Kommutierung der Rotationsrichtung des Rotors 2 möglichst gering zu halten, ist gleichfalls anzustreben, dass die

Durchmesserdifferenz d₂ - di möglichst genau dem maximalen Verschiebeweg des Antriebsrin- ges 1 entspricht. Durch eine Vielzahl von am Antriebsring angebrachten Elementen 27, 28 lässt sich eine hohe Verdrehsteifigkeit des Antriebsringes 1 bei gleichzeitiger Verschiebbarkeit erreichen.

In dem in Figur 12 abgebildeten Ausführungsbeispiel dienen zwei Exzenterpleuel als Drehmo- mentstütze. Ein erstes Exzenterpleuel weist eine runde Ausnehmung 29 in dem Antriebsring 1 auf. Innerhalb der Ausnehmung 29 befindet sich das spielfrei aber drehbar gelagerte runde Pleuelauge 30. Das Pleuelauge 30 weist eine exzentrisch zu seiner Rotationsache angebrachte kreisförmige Ausnehmung 31 auf, die den mit dem Motorgehäuse 8 verbundenen runden Zapfen spielfrei aber drehbar umschließt. An dem Antriebsring 1 befindet sich mindestens ein zweites baugleiches Exzenterpleuel, aufweisend die Elemente 29', 30', 31 ', 32' in möglichst großem Abstand zu dem ersten Exzenterpleuel mit den Elementen 29, 30, 31 , 32. Die Exzentrizität der Exzenterpleuel ist so gewählt, dass sie dem maximalen Verschiebeweg des Antriebsringes 1 entspricht. Hierdurch wird erreicht, dass der Antriebsring 1 in der xy-Ebene der Figur 12 durch die Aktuatoren A 1 , A2 nur parallelverschoben werden kann, jedoch nicht rotieren kann.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Indizierung der Elemente eines jeden einzelnen elektromagnetischen Aktuators verzichtet. Die Grundelemente des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors sind jedoch weiterhin mit den durchgängig einheitlichen Bezugszeichen versehen.

Figur 13 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors, aufweisend acht elektromagnetische Antriebselemente AI ... A8, bei der jeweils zwei spiegelbildlich bezüglich jeweils eines Wirkelementes 4 angeordnete elektromagnetische Aktuatoren, z.B. AI , A2, auf ein gemeinsames, radial vom Antriebsring 1 abstehendes Wirkelement 4 wirken. Weiterhin sind die Wirkachsen 7 der elektromagnetischen Aktuatoren AI ...A8 nicht radial auf die Motorwelle 3 gerichtet. Die einem Wirkelement 4 zugeordneten Wirkelemente 5 werden hierbei so angesteuert, dass sich die auf das Wirkelement 4 ausgeübten Kräfte geeignet überlagern. Wenn der Aktuator A2 in Figur 13 beispielsweise eine Kraft auf das Wirkelement 4 in x-Richtung aus- übt, wird das Antriebselement AI so angesteuert, dass es ebenfalls eine Kraft in x-Richtung oder überhaupt keine Kraft auf das Wirkelement 4 ausübt. Dem einem Wirkelement zugehörigen Antriebselementepaar diametral gegenüber befindet sich ein weiteres am Antriebsring zugeordnetes Antriebselementepaar. Zu dem Aktuatorpaar AI , A2 zugeordnet ist das Aktuatorpaar A5, A6, ebenso korrespondiert mit dem Aktuatorpaar A3, A4 das Aktuatorpaar A6, A7. Zur Erzeugung der Rotation der Motorwelle 3 werden die einzelnen Antriebselemente A1...A8 so synchronisiert betrieben, dass sich eine umlaufende Verschiebebewegung des Antriebsringes 1 einstellt. Hierzu können die Aktuatoren gleicher Wirkrichtung, d.h. AI mit A6, A2 mit A5, A3 mit A8 und A4 mit A7 miteinander elektrisch zu Gruppen Gl , G2, G3, G4 verbunden und aus einer je- weils einer Gruppe zugeordneten Ansteuerquelle gemeinsam betrieben werden. Der Phasenversatz zwischen den einzelnen Gruppen G1...G4 ist wiederum so zu wählen, dass sich eine umlaufende Verschiebebewegung des Antriebsringes 1 einstellt. Aufgrund der hohen Anzahl der auf den Antriebsring 1 wirkenden Aktuatoren A1...A8, ermöglicht die in Figur 13 gezeigte Bauform ein hohes Drehmoment des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors.

Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, Package und Bauform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors an den gegebenen Raumbedarf anzupassen. Diesbezüglich eröffnet der erfindungsgemäße Motor eine große Gestaltungsfreiheit, wie die in den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 14, Figur 15, Figur 16 nur beispielhaft gezeigten Konfigurationen zeigen.

Figur 14 zeigt eine rotationssymmetrische Bauform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors mit flügelartig ausgeführten Ecken des Antriebsringes 1 , an denen Tauchspulen als Wirkelemente 5 der vier Antriebselemente AI .. A4 befestigt sind. Figur 15 zeigt eine bezüglich einer Achse I - Γ spiegelsymmetrische Bauform, mit vier Aktuatoren AI ... A4.

Figur 16 zeigt eine ebenfalls bezüglich einer Achse I - Γ spiegelsymmetrische jedoch schlankere Bauform, mit jeweils gegenüberliegende Aktuatoren.

In Bezug auf die Drehgleichförmigkeit grundsätzlich vorteilhaft ist eine symmetrische Anordnung und Kraftübertragung der N elektromagnetischen Aktuatoren am Umfang des Antriebsringes 1. Figur 17 zeigt eine diesbezüglich verbesserte Bauform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors, mit drei am Umfang in Bezug auf die Drehachse der Motorwelle 3 gemäß der Beziehung

N > 2— >· α = 360°/N in einem Winkelabstand α von 120 Grad symmetrisch angeordneten Aktuatoren AI , A2, A3. Die elektromagnetischen Aktuatoren können dergestalt sein, dass sie entweder nur anziehende, nur abstoßende oder sowohl anziehende, als auch abstoßende Kräfte zwischen den Wirkelementen 4 und 5 entlang der jeweiligen Wirkachse 7 zu erzeugen vermögen.

Der in Figur 17 dargestellte Motor weist als Funktionselemente einen Rotor 2 mit einer drehfest befestigten Motorwelle 3, einen den Rotor 2 umschließenden Antriebsring 1 und eine zwischen dem Antriebsring 1 und dem Motorgehäuse 8 befestigte Drehmomentstütze 9 auf. Rotor 2 und Antriebsring 1 sind auf die bereits dargestellte Weise mit Verzahnungen, die ineinander form- schlüssig abwälzen können, versehen. Um den Rotor 2 in Drehung zu versetzen, werden an die drei Aktuatoren AI , A2, A3 zueinander phasenversetzte Signalspannungen angelegt. Die Aktuatoren können El ektromagnete jeder Bauform sein.

Figur 18 zeigt eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen elektromechanischen Motors aus Figur 17 mit sechs symmetrisch am Umfang des Antriebsringes 1 in einem Winkelabstand von 60 Grad angebrachten Antriebselementen AI , A2, A3, A4, A5, A6. Neben dem nochmals höheren Drehmoment bewirkt die Anzahl von sechs Antriebselementen eine weiter gesteigerte Drehgleichförmigkeit des Rotors 2. Die maximale Anzahl der Aktuatoren eines Antriebsringes ist nach oben prinzipiell nicht beschränkt. Naturgemäß lassen sich an einem Antriebsring großen Durchmessers mehr Aktuatoren anbringen, als bei Antriebsringen geringeren Durchmessers. In der Praxis stellt damit der verfügbare Bauraum eine obere Grenze für die maximale Anzahl von Aktuatoren dar. Zur Erzielung sehr hoher Drehmomente kann der erfindungs gemäße Motor einen großen Rotordurchmesser besitzen. Hierbei kann der innere Bereich des Antriebsringes 1 vorteilhafterweise zur platzsparenden Aufnahme der Aktuatoren genutzt werden.

Figur 19 zeigt ein Ausführungsbeispiel, für einen zu Figur 7 und Figur 8 funktionsgleichen Mo- tor mit einem im Vergleich zu Figur 7, Figur 8 jedoch wesentlich größerem Durchmesser des

Rotors 2, bei dem die Aktuatoren AI , A2 sowie die Zugfedern 13, 14 platzsparend in einem inneren Hohlbereich 29 des Antriebsringes 1 angeordnet sind. Hierbei ist der Rotor 2 als ring- oder topfförmiges Element ausgebildet, welches den Antriebsring 1 mit einem Übermaß umschließt. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen weisen nunmehr der Rotor 2 auf seiner inneren Mantelfläche 2.1 und der Antriebsring auf seiner äußeren Mantelfläche 1.1 formschlüssig ineinander abwälzbare Verzahnungen auf, wobei der Rotor 2 gegenüber dem Antriebsring 1 mindestens einen Zahn mehr aufweist. Die Zugfedern 13, 14 sind zwischen dem Antriebsring 1 und dem Motorgehäuseblock 8, der gleichzeitig zur Durchführung der Motorwelle 3 dient, angelenkt. Durch eine Vorspannung der Federn 13 und 14 wird eine jeweils in Federlängsachse wirkende Zugkraft auf den Antriebsring 1 ausgeübt, wodurch dieser bei unbestromten Aktuatoren AI , A2 in dem Bereich zwischen den Aktuatoren AI , A2 in formschlüssigem Eingriff mit dem Rotor 2 gehalten wird. Der erfindungsgemäße elektromechanische Motor ist somit auf die gleiche Weise wie die Ausführungsbeispiele der Figur 7 und Figur 8 selbsthemmend.

Zur weiteren Verdeutlichung des Aufbaus und der Funktion zeigt Figur 20 einen Schnitt entlang der Linie I - Γ des in Figur 19 dargestellten Ausführungsbeispiels. Der erfindungsgemäße elektromechanische Motor besitzt eine durch zwei Kugellager 10 in dem Motorgehäuse 8 spielfrei drehbar gelagerte Motorwelle 3, die durch zwei Tellerfedern 12 axial fixiert ist.

Der Rotor 2 ist als topfförmiges, drehfest mit der Motorwelle 3 verbundenes Element ausgeführt, welches den Antriebsring 1 umschließt. Der Antriebsring 1 ist durch eine als Balg ausgeführte Drehmomentstütze 9 in der Ebene senkrecht zur Motorwellenachse 3 transversal verschiebbar, jedoch bezüglich der Motorwellenachse 3 drehsteif mit dem Motorgehäuse 8 verbunden. Die mechanisch feste Verbindung des Balges 9 mit dem Antriebsring 1 und dem Motorgehäuse 8, ist in Figur 20 durch beispielhafte Schweißnähte 1 1 symbolhaft angedeutet. Der Rotor 2 weist auf seiner inneren Mantelfläche eine Verzahnung 2.1 und der Antriebsring auf seiner äußeren Mantelfläche eine Verzahnung 1.1 auf, wie in den Ausschnittsvergrößerungen D und D' verdeutlicht. Figur 20 zeigt den Motor in einer Betriebsphase, bei der die Verzahnung in einem unteren, durch den Ausschnitt D vergrößert dargestellten Bereich in Eingriff und in einem oberen, durch den Ausschnitt D' vergrößert dargestellten Bereich vollständig außer Eingriff ist.

Die Funktion des Motors ist analog zu den in Figur 7 und Figur 8 bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen und wird hier deshalb nicht weiter ausgeführt.

Figur 21 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit sechs im Inneren des Antriebs- ringes 1 mit einem Winkelabstand von 60 Grad symmetrisch um die Motorwellenachse 3 angeordneten Aktuatoren AI ... A6.

In der in Figur 22 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors sind auf einen gemeinsamen Rotor 2 mit einer drehfest verbundenen Motorwelle 3, zwei Antriebsringe 1 , aufgesetzt, wobei der Antriebsring 1 ihm zugehörige Aktuatoren AI , A2, A3 und der Antriebsring im zugehörige Aktuatoren ΑΓ, A2', A3' aufweist. Der Antriebsring 1 besitzt eine Drehmomentstütze 9, der Antriebsring Γ eine Drehmomentstütze 9'. Die Drehmomentstützen 9, 9' sind zwischen dem jeweiligen Antriebsring 1 , und dem gemeinsamen Motorgehäuse 8 ange- bracht. Sie erlauben Verschiebungen der Antriebsringe 1 , in der senkrecht zur Motorwellenachse 3 liegenden xy-Ebene und behindern Drehbewegungen der Antriebsringe 1 , 1 ' um die Motorwellenachse 3. Als Aktuatoren können alle Bauformen von Elektromagneten verwendet werden. Die Aktuatoren weisen jeweils die Komponenten Motorgehäuse 8, mindestens ein elektrisch erregbares Wirkelement 4, 4' mit elektrischen Zuleitungen 6, 6' und ein zweites Wirkelement 5, 5' auf. Die Wirkelemente 4 und 5 sowie 4' und 5' sind zueinander in einem Abstand angeordnet und so orientiert, dass sie entlang einer Wirkachse 7, 7' magnetische Kräfte aufeinander ausüben können. Eines der Wirkelemente eines jeden Aktuators ist jeweils an dem Motorgehäuse 8 befestigt, in Figur 22 sind dieses die Wirkelemente 4 und 4', während die Wirkelemente 5 mit dem Antriebsring 1 und die Wirkelemente 5' mit dem Antriebsring verbunden sind. In Figur 22 sind die Wirkelemente 5, 5' mit dem Antriebsring 1 identisch, d.h. dieser weist ferromagnetisches Material auf. Die Aktuatoren AI , A2, A3 sind dabei am Umfang des Antriebsringes 1 in einem Winkelabstand von 120 Grad angeordnet. Ebenso sind die Aktuatoren Α , A2', A3' am Umfang des Antriebsringes Γ in einem Winkelabstand von 120 Grad angeordnet. Der Antriebsring 1 ist mit seinen Antriebselementen AI , A2, A3 gegenüber dem Antriebsring mit seinen Aktuatoren ΑΓ, A2', A3' um 60 Grad gedreht und in der senkrecht zur xy-Ebene der Figur 22 orientierten z-Achse der Motorwelle 3 axial versetzt angeordnet. Der Antriebsring 1 kann durch seine Aktuatoren AI , A2, A3 zu einer kreisförmigen Verschiebebewegung angeregt werden. Ebenso kann der Antriebsring Γ durch seine Antriebselemente Α , A2', A3' zu einer kreisförmigen Verschiebebewegung angeregt werden. Für eine Rotation des Rotors 2 und der mit ihm drehfest verbundenen Motorwelle 3 werden die Antriebselemente AI , A2, A3 und Α , A2', A3' mit der gleichen Kreisfrequenz f mit gleichem Drehsinn angesteuert, wobei zwischen den einem Antriebsring zugeordneten Aktuato- ren jeweils ein Phasenversatz besteht. Hierdurch wälzen sich die Antriebsringe 1 und synchron am gemeinsamen Rotor 2 ab, wodurch dieser in Rotation versetzt wird. Eine Drehrichtungsumkehr wird dadurch erzielt, dass die Phasenlage der elektrischen Ansteuersignale kommutiert wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Aktuatoren A I , A2, A3 des Antriebsringes 1 gegenüber den Aktuatoren ΑΓ, A2', A3' des Antriebsringes Γ mit einen zusätzlichen Phasenversatz von 180 Grad elektrisch angesteuert werden. Hierdurch wird, wie in Figur 22 durch die

Ausschnittsvergrößerungen F und F' dargestellt, erreicht, dass die Kontaktbereiche von Antriebsring 1 und Antriebsring 1 ' diametral gegenüberliegend gemeinsam umlaufen. Der auf diese Wei- se betriebene Motor ist vollständig massenausgeglichen und zeichnet sich durch eine sehr hohe Laufruhe und Vibrationsarmut aus.

Das in Figur 22 gezeigte Ausführungsbeispiel mit zwei Antriebsringen ist nur beispielhaft. Die Anzahl der auf einen gemeinsamen Rotor 2 wirkenden aktiv angetriebenen Antriebsringe ist nach oben nicht begrenzt, wobei vorteilhaft jeder Antriebsring eine Drehmomentstütze aufweist. Durch eine größere Anzahl von Antriebsringen kann die Leistung gesteigert sowie das Geräusch- und Vibrationsverhalten weiter verbessert werden.

Fig. 23 zeigt in Schnittansicht eine Ausführungsform gemäß der Bauart B.), bei der sich der Antriebsrotor 1 mit seiner Innenverzahnung 1.1 auf einer Aussenverzahnung 2.1 des Motorgehäuses 8 im Bereich 2 abwälzt. Das bisher als Drehmomentstütze 9 bezeichnete Element übernimmt hier die Funktion einer Wellenkupplung, die Verkippungen und transversale Verschiebungen ausgleicht und die Abtriebsmomente des Antriebsrotors 1 auf die Motorwelle 3 überträgt. Hierzu ist die Wellenkupplung 9. direkt zwischen dem Antriebsrotor 1 und der Motorwelle 3 befestigt. Die Drehbewegung des Antriebsrotors 1 wird über die in diesem Ausführungsbeispiel als Balg ausgeführte Wellenkupplung 9 somit direkt auf die Motorwelle 3 übertragen. Zur Anregung der umlaufenden Verschiebebewegung des Antriebsrotors 1 dienen radial am Umfang des Motorge- häuses 8 angebrachte Aktuatoren AI ... AX, Elektromagneten 4.1 ... 4.X aufweisend, deren gemeinsames Wirkelement der ferromagnetische Antriebsrotor 1 ist. Durch umlaufende phasenversetzte Bestromung der Elektromagnete 4.1 ... 4.X wird der Antriebsrotor 1 zyklisch kreisförmig verschoben und rollt dabei in der Verzahnung ab. Der als Wellenkupplung dienende Balg weist eine hohe Drehsteifigkeit auf, ist gegenüber Verschiebungen in der Ebene senkret zu seiner Längsachse aber mechanisch weich. Der Übersichtlichkeit halber in Fig. 23 nicht dargestellt, kann optional an dem Antriebsring 1 ein dem Balg 9 gegenüberliegender zweiter Balg angeordnet sein, der an seinem dem Antriebsring 1 abgewandten Ende in dem Motorgehäuses 8 drehbar gelagert ist. In einer weiteren Ausführungsform dieses Motortypes können sich die Elektromagnete auch innerhalb des Antriebsrotors befinden. Erfindungsgemäße Elektromotoren dieser Bauart zeichnen sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus.

In den meisten technischen Anwendungsfällen ist es erwünscht, dass die Abtriebswelle des Elektromotors eine reine Rotationsbewegung ausführt. Hierzu wurden in Form der Drehmomentstütze und Wellenkupplung technische Lösungen angegeben. Soweit eine der Drehbewegung der Motorwelle überlagerte oszillatorische Verschiebebewegung (Wobbeibewegung) zulässig ist, stellt Fig.24 für einen solchen Elektromotor eine nochmals einfachere Lösung bereit. Figur 24 zeigt eine Schnittansicht. Dieser erfindungsgemäße Elektromotor weist hier ein Taumelrad 1 mit einer Aussenverzahnung 1.1 auf, welches drehfest mit einer Motorwelle 3 verbunden ist. Das Motorgehäuse 8 besitzt im Bereich 2 der Aussenverzahnung 1.1 des Taumelrades 1 eine Innen- Verzahnung 2.1. Die Verzahnungen sind so ausgeführt, dass sich das Taumelrad 1 mit seiner

Aussenverzahnung 1.1. in der Innenverzahnung 2.1 im Bereich 2 des Motorgehäuses 8 abwälzen kann. Hierzu besitzt das Taumelrad 1 einen geringen Durchmesser, als dem Innendurchmesser des Motorgehäuses 8 im Bereich 2 entspricht. Unter Verzicht auf jegliche Lager wird das Taumelrad 1 durch die Parallelflächen 8.1 und 8.2 des Motorgehäuses 8 rein gleitend geführt. In Fig. 24 sind die derart gebildeten Gleitflächen mit G bezeichnet. Durch Aussparungen 9 des Motorgehäuses 8 oder des Taumelrads 1 kann die Gleitfläche reduziert werden, wobei die so gebildeten Taschen zur Aufnahme von Schmiermitteln dienen können. Durch die Gleitlagerung ist das Taumelrad 1 innerhalb der xy-Ebene verschieblich und kann um die z-Achse der Motorwelle rotieren. Am Außenradius des Taumelrads 1 ist als elektromagnetisches Wirkelement 5 ein Ring ferromagnetischen Materials oder ein ringförmiger Permanentmagnet befestigt. In Aussparungen des Motorgehäuses 8 befinden sich radial angeordnete Elektromagnete 4.1 bis 4.x, die auf das ringförmig ausgeführte Wirkelement 5 magnetische Kräfte ausüben können. Der Aufbau des Magnetkreises ist dem in Fig.21 gezeigten vergleichbar. Durch umlaufende phasenversetzte Bestromung der Elektromagnete 4.1 bis 4.x werden umlaufende magnetische Kräfte auf das Taumelrad 1 erzeugt, was zu dessen umlaufender Verschiebung und einem Abwälzen der Außenverzahnung 1.1 des Taumelrads 1 in der In- nenverzahnung 2.1 des Motorgehäuses 8 führt. Hierdurch wird die Motorwelle 3 in Rotation versetzt, jedoch ist der Rotationsbewegung eine wobbelnde Verschiebebewegung der Taumelscheibe überlagert. Für höhere Drehzahlen bei niedrigeren Drehmomenten, können die Elektromagnete 4.1 bis 4.x auch außerhalb des Wirkelementes 5 angeordnet sein. Hinsichtlich des elektromagnetischen Wirkungsgrades sehr vorteilhaft sind Ausführungen der Elektromagnete in Form von aneinandergereihten Magnetpolen P, wie in Fig. 25 dargestellt. Durch gegensinnige Bestromung aneinandergrenzender Magnetpole P schließt sich der magnetische Fluß F über das ferromagnetische Antriebselement 1. Eine umlaufende magnetische Kraft wird durch phasenversetzte Ansteuerung der Magnetpole P erreicht, wodurch das Antriebsele- ment 1 zyklisch kreisförmig verschoben und sich auf dem Antriebsring abwälzen kann oder das Antriebselement selbst ist über eine drehsteife aber schwerweiche Drehmomentstütze mit der Motorwelle verbunden.

Figur 26 zeigt als Schnittzeichnung in Aufsicht einen elektromechanischen Motor mit zwei elektrostatischen als Cl und C2 bezeichneten (Comb)Aktuatoren. Die Wirkrichtungen der elektrostatischen Aktuatoren Cl und C2 sind auf den Mittelpunkt des Antriebselementes 1 ausgerichtet und zueinander in einem rechten Winkel orientiert. Jeder der mindestens zwei elektrostatischen Aktuatoren Cl, C2 besteht aus einem ersten Wirkelement 5 mit einer kammartigen Elektrodenstruktur, die fest mit einem nicht dargestellten Substrat verbunden ist oder aus diesem be- steht und als zweitem Wirkelement 6 aus einer in Wirkrichtung des jeweiligen elektrostatischen Aktuators C beweglich angebrachten zweiten kammartigen Elektrodenstruktur, die über die als Drehmomentstütze wirkende stegartige Struktur, bestehend aus den beiden Druckstreben 9.1 und 9.2, mit dem Antriebselement 1 verbunden ist. Durch eine an dem beweglichen Wirkelement 6 angebrachte Feder 7 wird eine Parallelführung des ersten Wirkelementes 6 in Wirkrichtung auf das zweite Wirkelement 5 erreicht. Die Feder 7 dient gleichfalls als Rückstellelement für das bewegliche Wirkelement 6. Sie ist im Bereich 8 mit dem Substrat verbunden. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den elektrisch voneinander isolierten Wirkelementen 5 und 6, wirkt auf diese eine Kraft, durch die das bewegliche Wirkelement 6 in das feste Wirkelement 5 hineingezogen wird. Die auf den Mittelpunkt des Antriebselementes 1 gerichtete Bewegung des beweglichen Wirkelementes 6 wird durch die Druckstreben 9.1 und 9.2 auf das Antriebselement 1 übertragen. Gegenüber Bewegungen senkrecht zur Längserstreckung der Druckstreben 9.1 , 9.2 sind diese scherweich. Hierdurch können sich die Bewegungen der jeweiligen Wirkelemente der elektrostatischen Aktuatoren Cl und C2 ungestört überlagern und auf das Antriebselement 1 übertragen. Durch phasenversetzte sinusförmige Ansteuerung der beiden elektrostatischen (Comb) Antriebe Cl und C2 kann auf diese Weise eine Verschiebewegung des Antriebselementes 1 generiert werden. Das Antriebselement 1 besitzt eine Innenverzahnung 1. 1 die sich in der Aussenverzahnung 2.1 des Rotors 2 abwälzen kann. Hierdurch wird die mit dem Rotor 2 ver- bundene Motorwelle 3 in Rotation versetzt, an der beispielsweise ein Zeiger 4 befestigt sein kann.

Das Antriebselement 1 kann mit einer Vielzahl von elektrostatischen Aktuatoren verbunden sein, wobei diese auch untereinander mechanisch gekoppelt und verschieden orientiert sein können. Der erfindungsgemäße elektrostatische Motor eignet sich damit beispielsweise für Uhren oder Anzeigeinstrumente oder im Bereich der Medizintechnik für Dosiersysteme, Lab-on-Chip Anwendungen und Mikropumpen..

Figur 27 zeigt den Motor in einer Schnittansicht längs der Linie I - Γ in Figur 26. Das Substrat 8, welches als Boden eines Gehäuses dient und beispielsweise aus Silizium, Glas, Kunststoff oder Verbundmaterialien bestehen kann, besitzt zur Aufnahme der _.Motorwelle 3 eine zylindrische

Bohrung 10. Zur Durchführung der Motorwelle 3 weist der Deckel 12 eine Bohrung 1 1 auf. Der Abstand zwischen dem Deckel 12 und Boden 8 ist so bemessen, dass sich das Antriebselement 1 und der Rotor 3 in der durch die Wirkrichtungen der Aktuatoren C 1 und C2 aufgespannten Ebene frei bewegen können. An der Motorwelle 3 kann beispielsweise ein Zeiger 4 angebracht sein.

Der erfindungsgemäße elektromechanische Motor kann sowohl in einem Schrittmotormodus wie auch in einem kontinuierlichen Modus betrieben werden.

Das vorgestellte Motorprinzip ist auch bei reibschlüssiger Kraftübertragung zwischen Antriebs- ring und Rotor funktionsfähig.

Der erfindungsgemäße Motor kann in vorteilhaften Ausführungsformen folgende Merkmale aufweisen: Als Antriebselemente können Elektromagnete und/oder elektrostatische Aktuatoren verwendet werden. Die Krafteinleitung der Elektromagnete in den Antriebsring oder Antriebsrotor kann über magnetische Feldkräfte und/oder über elektrostatischen Aktuatoren über elektrische Feld- kräfte erfolgen. Zwischen den Wirkelementen der Elektromagnete und/oder zwischen den Wirkelementen der elektrostatischen Aktuatoren besteht vorzugsweise kein mechanischer Kontakt, da diese bevorzugt über einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Der erfindungsgemäße Elektromotor besitzt deshalb ein sehr gutes Temperaturverhalten. Zusätzlich sind Montage und Justage wesentlich vereinfacht, da hierbei keine engen Toleranzen eingehalten werden müssen.

Elektromagnete sind in vielfältigen Bauformen und Leistungsklassen kostengünstig am Markt verfügbar. Mit dem erfindungsgemäßen Elektromotor lassen sich kostengünstige elektrische Rotationsantriebe aller Leistungsklassen darstellen. Elektromagnete besitzen eine hohe Betriebsstabilität über einen weiten Temperaturbereich und sind unempfindlich gegenüber feuchter Atmosphäre.

Elektrostatische Comb- Antriebe sind kostengünstig in Batchfabrikation in hohen Stückzahlen herstellbar.

Der erfindungsgemäße Elektromotor kann mit innenliegenden oder außenliegenden Aktuatoren sowie mit drehfestem Antriebsring oder sich drehendem Antriebsrotor ausgeführt werden.

Claims

Patentansprüche

Elektromechani scher Motor, aufweisend

einen Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist,

zumindest ein Antriebselement, das um die Drehachse umlaufend so verschiebbar ist, dass der Rotor durch Verschiebung des Antriebselementes drehbar ist,

zumindest zwei Aktuatoren mit jeweils einem ersten Wirkelement, mit dem auf ein zweites Wirkelement eine in eine Wirkrichtung wirkende Kraft ausübbar ist, wobei jeweils das erste und das entsprechende zweite Wirkelement nicht miteinander verbunden sind,

und wobei durch die Kraftwirkung der zumindest zwei Aktuatoren das Antriebselement zur Drehung des Rotors verschiebbar ist.

Elektromechanischer Motor nach dem vorhergehenden Anspruch, weiter aufweisend zumindest eine Drehmomentstütze, die eine Verschiebung des Antriebselementes erlaubt und eine Drehung des Antriebselementes verhindert und vorzugsweise das Antriebselement scherweich und drehsteif lagert.

Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement den Rotor umgibt oder dass der Rotor das Antriebselement umgibt, oder dass das Antriebselement mit dem Rotor drehsteif verbunden ist und/oder mit dem Rotor über zumindest eine Wellenkupplung verbunden ist und/oder Teil des Rotors ist, wobei vorzugsweise das Antriebselement und/oder der Rotor kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sind.

Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor und das Antriebselement jeweils eine Zahnung aufweisen, über welche sie bereichsweise so ineinandergreifen, dass dort, wo sie ineinandergreifen, eine Kraft zur Drehung des Rotors vom Antriebselement auf den Rotor übertragbar ist, wobei vorzugsweise das innenliegende Element aus Rotor und Antriebselement eine geringere Anzahl an Zähnen aufweist als das außenliegende Element aus Rotor und Zahnung

oder dass das Antriebselement und ein gegenüber einem Gehäuse des Motors fester Bereich jeweils eine Zahnung aufweisen, über welche sie bereichsweise so ineinandergreifen, dass dort, wo sie ineinandergreifen, eine Kraft zur Drehung des Rotors vom gegenüber dem Gehäuse festen Bereich auf das Antriebselement ausübbar ist.

5. Elektromechani scher Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aktuatoren jeweils eines der Wirkelemente mit dem Antriebselement fest verbunden ist oder Teil des Antriebselementes ist oder das Antriebselement ist und das andere Wirkelement gegenüber der Drehachse und/oder einem Motorgehäuse des elektromechanischen Motors fest ist.

6. Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren elektromagnetische und/oder elektrostatische Aktuatoren sind.

7. Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Aktuatoren oder alle Aktuatoren als eines der Wirkelemente einen Elektromagneten und als anderes der Wirkelemente ein magnetisches oder magnetisierbares Element aufweisen, oder

als eines der Wirkelemente einen Topfmagneten und als anderes der Wirkelemente ein magnetisches oder magnetisierbares Element aufweisen oder

als eines der Wirkelemente eine Tauchspule und als anderes der Wirkelemente ein magnetisches oder magnetisierbares Element aufweisen, in das die Tauchspule eintaucht, so dass ein Teil des magnetischen oder magnetisierbaren Elementes die Tauchspule um deren Spulenachse umgibt und ein Teil des magnetischen oder magnetisierbaren Elementes in die Spule entlang ihrer Spulenachse eintaucht, oder

als eines der Wirkelemente einen linearen oder kreisförmigen Elektromagneten oder einen Hubmagneten und als anderes Wirkelement ein magnetisches oder magnetisierbares Element aufweisen.

8. Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wirkelementen der Aktuatoren jeweils ein Spalt besteht, wobei vorzugsweise der Abstand zwischen den zwei Wirkelementen < 2 mm, besonders bevorzugt < 1 mm, besonders bevorzugt < 0,5 mm beträgt. Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Aktuatoren jeweils zwei der ersten Wirkelemente aufweisen, mit denen in entgegengesetzter Richtung die Kraft auf das entsprechende zweite Wirkelement ausübbar ist, wobei vorzugsweise die Kraftwirkung der beiden ersten Wirkelemente mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander auf das zweite Wirkelement ausübbar ist.

Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der zumindest einen Antriebselemente N Aktuatoren vorgesehen sind, deren Wirkrichtungen in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei die Wirkrichtungen benachbarter Aktuatoren des gleichen Antriebselementes zueinander in einem Winkel α von α = ±360°/N für N > 3 und α = ±90° für N = 2 stehen, wobei die Aktuatoren zur Erzeugung der Kraft mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung beaufschlagbar sind, der für benachbarte Aktuatoren jeweils um den entsprechenden Winkel α phasenverschoben ist, und wobei vorzugsweise α für in gleiche Richtung benachbarte Aktuatoren für alle Aktuatoren das gleiche Vorzeichen hat.

Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der zumindest einen Antriebselemente eine gerade Anzahl N von Aktuatoren vorgesehen sind und die Wirkrichtungen von bezüglich der Drehachse einander gegenüberliegenden Aktuatoren des gleichen Antriebselementes parallel zueinander in die gleiche Richtung gerichtet sind.

Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkrichtungen in Richtung der Drehachse gerichtet sind oder in einem Winkel > 0° zum Radius in ihrem Angriffspunkt stehen.

Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentstütze zumindest einen schlauchförmigen Balg mit zwei Rändern aufweist oder ein solcher ist, der mit dem einen der Ränder am Antriebselement fest angeordnet ist und mit dem anderen Rand fest zur Drehachse und/oder dem Gehäuse des Motors ist,

oder dass die Drehmomentstütze zumindest ein zwei Arme verbindendes Festkörpergelenk aufweist oder ist, das mit einem der Arme an dem Antriebselement fest angeordnet ist und mit dem anderen der Arme fest bezüglich der Drehachse und/oder des Motorgehäuses ist,

oder dass die Drehmomentstütze zumindest eine Feder aufweist, die mit einem Ende an dem Antriebselement fest angeordnet ist und mit dem anderen Ende bezüglich der Drehachse und/oder dem Motorgehäuse fest ist oder

dass die Drehmomentstütze zwei Federn aufweist, die zweien der Ak- tuatoren bezüglich der Drehachse gegenüber angeordnet sind, so dass sie eine der Kraftwirkung des entsprechenden Aktuators entgegenwirkende Federkraft auf das Antriebselement ausüben, wobei vorzugsweise die Federn Schlitzfederbleche sind.

Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentstütze zwei Arme aufweist, die jeweils zwei über ein Gelenk verbundene und vorzugsweise in einem im Wesentlichen rechten Winkel zueinander stehende Balken aufweisen,

wobei jeweils ein Ende des jeweiligen Armes mit dem Antriebselement fest verbunden ist und das andere Ende fest bezüglich der Drehachse ist,

weiter aufweisend eine zug- und drucksteife Strebe, die die Gelenke der zwei Arme miteinander in festem Abstand verstrebt.

Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentstütze zumindest zwei, drei oder vier relativ zur Drehachse und/oder dem Motorgehäuse feste Stifte aufweist, die in Ausnehmungen in dem Antriebselement, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Verschiebung des Antriebselementes senkrecht stehen, eintauchen, wobei die Stifte vorzugsweise in eine in der Ausnehmung im Antriebselement angeordnete Verschiebekulisse eintauchen, die ein Verschiebeelement aufweist, welches eine sich in einer ersten Richtung parallel zur Ebene der Verschiebung des Antriebselementes erstreckende innere Ausnehmung aufweist, in die der entsprechende Stift eintaucht, und welches in einer Ausnehmung in dem Antriebselement in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung beweglich geführt wird,

oder

wobei die Stifte jeweils in eine Ausnehmung

eines in einer kreisförmigen Ausnehmung im Antriebselement angeordneten Exzenterauges eintauchen, wobei die Ausnehmung des kreisförmigen Exzenterauges abseits eines Mittelpunktes des Exzenterauges angeordnet ist.

Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Antriebselemente vorgesehen sind, die um die Drehachse umlaufend so verschiebbar sind, dass der Rotor durch Verschiebung der Antriebselemente drehbar ist, wobei vorzugsweise die Antriebselemente den Rotor während des Ver- schiebens an unterschiedlichen Bereichen zum Verschieben berühren, die voneinander um einen Winkel ß = 360°/M um die Drehachse beabstandet sind, wobei M die Anzahl der Antriebselemente ist.

Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine Auswerteeinheit, mit der Lageänderungen der Aktuatoren und/oder auf die Aktuatoren wirkende Kräfte, vorzugsweise über eine Induktivität der jeweiligen Aktuatoren, ermittelbar sind, und aus diesen Lageänderungen und/oder Kraftänderungen eine auf den Rotor wirkende Last ermittelbar ist.

18. Elektromechanischer Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als mikroelektromechanisches Bauteil (MEMS) ausgebildet ist.