CN102780380A - 用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置和惯性减小的直线电动机 - Google Patents

Abstract

组合驱动装置或者直线电动机的动力应该得到改进。因此提出了一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置，该组合驱动装置具有旋转电动机（1）和直线电动机（2）以及工作轴（3），该工作轴能由旋转电动机（1）转入旋转运动，并且能由直线电动机（2）转入线性运动，并且该工作轴具有输出侧（4）。旋转电动机（1）和直线电动机（2）相比更接近地布置在工作轴（3）的输出侧（4）上。由此能将工作轴（3）设计得更短。其它用于提高动力的措施是减小直线电动机（2）的转子质量。

Description

用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置和惯性减小的直线电动机

技术领域

本发明涉及一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置，其具有旋转电动机、直线电动机和工作轴，该工作轴能由旋转电动机转入旋转运动，并且能由直线电动机转入线性运动，并且该工作轴具有输出侧。

背景技术

组合驱动装置被用于需要进行旋转运动和线性运动的驱动任务。其中有利的是，能够在角度和路径方面相互独立地自由调节这些运动。此外经常还要求这些运动应高动力地实现。

迄今为止，在实现组合驱动时，大部分情况下使用带有转向传动装置的相对较不灵活的驱动装置。例如能通过为线性运动和旋转运动有针对性地脱离惯性而显著提高该组合驱动装置的动力。特别是由此使得加速性能按希望得到提高。

发明内容

本发明的目的在于，进一步提高一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的动力，或者进一步提高一种直线电动机的动力。

根据本发明，该目的通过一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置得以实现，该组合驱动装置具有：

-旋转电动机，

-直线电动机，以及

-工作轴，它能由旋转电动机转入旋转运动，并且能由直线电动机转入线性运动，并且该工作轴具有输出侧，其中

-旋转电动机和直线电动机相比更接近地布置在工作轴的输出侧上。

由于旋转电动机和直线电动机更接近地布置在工作轴的输出侧上（也就是说，旋转电动机布置在组合驱动装置的输出装置或者说输出侧上），所以该工作轴不必完全被直线电动机穿过。但是，和旋转电动机布置在直线电动机的相对置的一侧上的情况相比，这样会导致工作轴长度的减少。但是借此使得工作轴的质量减小，并且因此在总体上减少组合驱动装置的惯性。

直线电动机能设计为管形。这种直线电动机的特点是覆盖长度的高力量密度。

上述目的也通过一种特别是用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机得以实现，其具有：

-管形的转子，在转子上在轴向方向上布置了多个永磁体，以及

-工作轴，它能由直线电动机转入线性运动，其中

-转子在轴向方向上的壁厚至少局部地根据永磁体的布置情况而改变。

转子在轴向方向上的壁厚的改变的优点在于，转子的某些区域的壁厚比最大壁厚小。这样一来，和转子沿着整个轴向延伸方向的壁厚都等于最大值并且特别恒定不变的情况相比，使得转子的惯性减小。在此特别是利用了以下原理知识，即，在壁厚恒定的转子的某些区域内的磁通量较其它位置上的更小。磁通量的形成也就根据极距变化。为了动力改进则不需要提供转子壁的那些仅仅引导少量磁通量的部段。

优选地，管形的转子的内壁在轴向方向上具有波浪式的轮廓。特别有利的是，这种波浪式的轮廓模仿弱磁性转子材料中磁通量的扩展效果。

在一个特殊的实施方式中，永磁体在转子上根据极距布置，并且转子的壁厚小于或者等于极距的三分之一。这种壁厚确保了在最小化重量的同时具有相对来说不受阻碍的磁通量。

在一个特殊的实施方式中，能在转子中插入加固转子的塑料管。这样设计具有的优点是，由此能通过一种材料提高转子的机械牢固度，这种材料比转子的铁电材料更轻。

其中，特别是在转子和塑料管之间的空腔能被浇注。这种措施也额外地提高了壁厚较薄的转子的刚度。

此外，根据本发明设计了一种特别用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机，其具有：

-管形的转子，在该转子上布置了多个永磁体，其中，绝大部分的永磁体在圆周方向上以有规律的间距相互间隔，以及

-工作轴，它能由直线电动机转入线性运动，其中

-至少一个间隙在轴向方向上延伸，其中一些永磁体穿过该间隙在圆周方向上继续以有规律的间距相互间隔。

以有利的方式，即在转子上在切线方向或者说圆周方向上预设了磁间隙。这种磁间隙特别有意义的是，定子在这个位置上也有磁性间隙。于是能省去不必要的永磁体，从而减少转子上永磁体的重量分配。

优选地，转子被磁体在轴向上的遮盖部分与极距之间的比例为50%至85%。在效率高的情况下，在这个比例范围内会实现重量较小。

此外，根据本发明设计了一种特别用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机，其具有：

-管形的转子，它具有至少一个转子轴承防护板，以及

-工作轴，它能够由直线电动机转入线性运动，并且该工作轴具有输出侧，其中

-在其上也固定着工作轴的转子轴承防护板具有轮辐。

以有利的方式，即转子轴承防护板未设计为实心的，而是具有轮辐。轮辐使得在径向上具有必要的刚度，并且该转子轴承防护板中轮辐之间的中断使得能相应地节省重量。

最后，根据本发明也提供了一种特别用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机，其具有：

-管形的定子，

-管形的转子，其中，该管形的转子具有至少一个转子轴承防护板，以及

-工作轴，它能够由直线电动机转入线性运动，其中

-转子轴承防护板具有滑动轴承，该转子轴承防护板在该滑动轴承上可线性运动地支承在定子的引导杆上。

以有利的方式，转子也就不是在滚珠轴承或滚动轴承的帮助下线性地支承在定子上。而是为了进行线性支承使用了滑动轴承，这种滑动轴承相比所述的其它轴承类型重量明显更低。

此外有利的是，即工作轴是空心轴。这也会节省重量，并且因此使得组合驱动装置相比于具有实心轴的驱动装置的惯性更小。

上面描述的措施和所述目的的实现方案能任意地组合。于是例如组合驱动装置能具有和直线电动机更接近地布置在工作轴的输出侧上的旋转电动机，并且与此同时，转子的壁厚在轴向上至少局部地根据永磁体的布置情况而改变。组合驱动装置也能具有在圆周方向上具有磁间隙的转子和具有轮辐的转子轴承防护板。此外，直线电动机或者组合驱动装置也能具有额外的滑动轴承以用于支承转子。组合驱动装置特别是也能同时具有上述所有特征，只要这些特征未被称为替换方案。

附图说明

现在根据附图详细说明本发明，图中示出：

图1穿过根据本发明的用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的横截面图；

图2穿过直线电动机的转子的横截面图，例如图1中的组合驱动装置的转子；

图3以透视图示出图2中的转子；

图4在引导杆上用于进行线性支承的图3中的转子，以及

图5穿过图4中的转子的纵截面图；

具体实施方式

接下来详尽描述的实施例是本发明的优选实施方式。

图1中所示的用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置例如能用于工具机床或者机器人。它具有旋转电动机1和直线电动机2。两者都驱动工作轴3。

该组合驱动装置具有输出装置，通过它来提供有效功率。在图1的实施例中，输出装置在左边，并且相应的有效功率是由工作轴3提供的。与之相应地，工作轴3具有输出侧4和驱动侧5。

旋转电动机1（用于进行旋转运动的电动机或者说旋转电动机）的位置和直线电动机2相比更接近组合驱动装置的输出装置。但是这也意味着，旋转电动机1的位置和直线电动机2相比更接近于工作轴3的输出侧4。

工作轴3在这里完全穿过旋转电动机1，并且它的驱动侧5支承在直线电动机2的转子6上。直线电动机2在这里设计为圆柱形。于是转子6也具有圆柱形或者管形的构造。在朝向旋转电动机1或者输出装置的一侧上，转子6具有轴承防护板7，在其中可旋转地支承着工作轴3。此外还预设了相应的轴向轴承8。于是工作轴3在轴向上固定在管形的转子6上，但是旋转地脱离。

与之相反地，工作轴3与旋转电动机1的转子9抗扭地连接。这例如通过工作轴3和转子9上相应的凹槽和弹簧得以实现。这样一来，工作轴3能在旋转电动机1中轴向移动。于是该工作轴相对于直线电动机的线性运动在轴向上从旋转电动机1上脱离。

于是，在组合驱动装置中，直线电动机2的转子6和旋转电动机1的转子9相互脱离。这样一来就明显地减小了该驱动装置的惯性。

通过将旋转电动机1布置在输出侧得以让惯性进一步减小。这样一来，工作轴3不必穿过整个直线电动机2。因此，和旋转电动机被布置在直线电动机2的另一侧上的情况相比，工作轴3能被设计得短得多。在旋转电动机被布置在直线电动机的另一侧上的情况下，工作轴3就不仅必须穿过直线电动机2，而且在它们布置成直线地前后相继的情况下时，还必须至少利用线性冲程伸入旋转电动机中。

特别是在直线电动机的冲程大的情况下，这种设计带来明显的优点，因为，工作轴3就不必被引导穿过长的直线电动机。于是能将工作轴3构造成短并且因此质量小且惯性小。

通过减小直线电动机的转子的质量，就能进一步减小直线电动机的惯性，并且因此就其线性运动而言减小组合驱动装置的惯性。按照图2，在圆柱形的直线电动机中，这一点能通过减小转子6的转子管10的质量得以实现。

转子管10是由一种铁磁性材料制成的，并且在它的外侧上在圆周方向上分布地承载着多个永磁体11。转子管10的任务是引导或者说集中永磁体11的磁场。为了能够充分完成这个任务，转子管10需要有一定的壁厚。

在轴向方向上，在转子管10上布置了多个永磁体11。在所示情况下，有八个永磁体在轴向上前后相继。与之相应地，在转子上在轴向方向上形成了八个磁极。两个相邻磁极之间的磁回流是通过铁磁性的转子管10实现的。相应的磁通量在转子管10中弧形地构成。在两个永磁体11之间，磁通量达到转子管10中的最深位置。在转子管10中，在每个永磁体下方的中间位置上的磁通量最小，这些永磁体被布置成具有交替的磁极（北极，南极）。

根据符合本发明的构想，要在驱动装置上能够省去质量的地方省去质量。在本实施例中，绝大部分的各自的磁通量只在转子管10的很少区域内被引导。因此，那些在具有恒定壁厚的转子管的情况下只有少部分磁通量被引导的区域能被省去。相应地，在这里，转子管10的内部轮廓要适合于磁场或者说磁通量的形状。因为直接在各个永磁体11的下方会出现最小的磁通量，所以那里的材料被省去。转子管10的壁厚在那里也相应地最小。这些壁厚较小的地方12沿着转子管10的整个圆周延伸。它们在这里位于每个永磁体11下方或者说在圆周上形成的每行永磁体11的后方的中间位置上。在这里只有端面侧的永磁体11是例外，因为出于装配或者稳定性原因不减少转子管的壁厚。

在转子管10的最小壁厚位置12之间得到的是相应的壁厚最大位置13。在那里，磁通量最大。

在圆柱形转子管10的外表面在轴向方向上笔直延伸的情况下，该圆柱形转子管10的内表面在轴向方向上具有相应的波浪或者曲线形状。它突显出转子管10的最小壁厚位置12和最大壁厚位置13的特点。在最小位置12和最大位置13之间的轴向间距是因极距形成的。特别是两个最小位置12或者两个最大位置13之间的间距等于直线电动机的极距。

由于弱磁性转子管10的壁厚在某些位置12上减小了，所以转子6得到相应减小的质量。原则上说，这些位置12上的壁厚能为值0mm，然而从实际的角度来看这样设计更不利。因此，最小的壁厚以所需要的刚度为准。

就相应位置13上的最大壁厚而言，发现三分之一极距的壁厚能被视为最佳。这种壁厚在材料消耗最小的情况下能确保所需的磁通量。

通过减小转子管10的壁厚，转子管的刚度也下降。因此为了加强刚度在里面构造了由较小密度材料制成的低质量的承载结构。例如为此在转子管10中插入塑料管。该塑料管可以是碳-或玻璃纤维强化的。它相比弱磁性的转子管10具有更低的密度。然而如果将其例如压入弱磁性的转子管10中，转子6的刚度会明显提高。在弱磁性转子管10和塑料管之间形成的空腔能在必要时被浇注。由此进一步提高刚度。

在图2所示的实施例中，在转子6的两个端面侧上布置了转子轴承防护板7。在左边的转子轴承防护板7中设有轴向轴承8（比较图1），其中支承着工作轴3。在图2中仅示出了这个工作轴3的一段。此外，该工作轴3在这里还设计为空心轴。由此相对于实心轴节省了质量，这又对惯性造成有利的影响。

现在借助图3阐述另一种措施，以用于减小直线电动机的惯性，并且因此在必要时也减小组合驱动装置的惯性。图3以透视图示出了图2中的转子。在转子管10上，在整个外表面上分布着多个永磁体11。它们在这里设计为矩形，并且布置在表面上的格栅中。在轴向方向上，这里有八个永磁体11前后相继。它们导致形成相应的极距14。

转子6上的永磁体11未全部覆盖转子。它们更确切地说形成一种部分极覆盖。其中特别有利的是，即轴向的极覆盖等于极距的50%至85%。由于极覆盖与极宽之间存在这种特殊的比例关系，于是提高了力与质量的比例。此外这样还能省去永磁体，由此减少转子的磁体成本。

在圆周方向上，极遮盖也可能能减少。当直线电动机的定子在圆周方向上具有磁性间隙时，情况特别是如此，这些磁性间隙例如是因为定子的环形线圈在轴向上延伸连接而造成的。因此，在图3的实施例中，在圆周方向上或者说切线方向上在转子管10上预设了磁间隙15。它比永磁体在圆周方向上的规律间距（有规律的间距）更宽，圆周上绝大多数的永磁体彼此之间都具有这个规律间距。因为转子6不旋转，所以磁间隙15在径向上位于定子中磁性间隙的下方。转子的这些位置上的永磁体在这里用处不大并因此能省去。于是又达到了减少质量或惯性的目的。

一个或者多个这种磁间隙15能分散地布置在转子的圆周上。它们在轴向方向上延伸，覆盖转子6的整个长度。

另一种减少转子6的质量的可能性在于，省去一个或多个转子轴承防护板7中的材料。特别有利的是，圆柱形转子6的转子轴承防护板7具有相应的凹进处。在根据图3的实施例中，转子轴承防护板7在圆周上分布地具有多个凹进处，以至于在各个凹进处之间只保留有轮辐16。这些轮辐16用于实现所必需的刚度，并且避免了转子轴承防护板中不必要的材料。具有轮辐的转子轴承防护板就也引起惯性的减小。

借助图4和图5示出了本发明的另一种实施方式，利用这种实施方式能减小一种圆柱形直线电动机的惯性。图4中所示的转子6等同于图3的转子。转子6在两个端面侧上具有轴承防护板7。在这里，通过这两个轴承防护板7在轴向方向上引导两根引导杆17。在这些引导杆17上抗扭地但是可线性运动地支承着转子6。

图5的纵截面图示出了转子6支承在引导杆17上的细节。通过使用滑动轴承来替换滚珠轴承或滚动轴承，能达到节省重量的目的。因此，在图5的实施例中，在转子轴承防护板7中设计了相应的滑动衬套18。引导杆17在这些滑动衬套18中可线性运动。引导杆17被固定在直线电动机的定子上，从而使得圆柱形的转子6在直线电动机的圆柱形定子的内部可线性运动。由于滑动衬套18的质量小，所以转子6能相应地动力更强地运动。

于是，利用所有上述的措施能达到让直线电动机或者说组合驱动装置具有更高的加速性能的目的。每个所述措施都对提高动力做出其贡献。

Claims (17)

1.一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置，所述组合驱动装置具有：

-旋转电动机（1），

-直线电动机（2），以及

-工作轴（3），所述工作轴能由所述旋转电动机转入旋转运动，并且能由所述直线电动机转入线性运动，并且所述工作轴具有输出侧（4），

其特征在于，

所述旋转电动机（1）和所述直线电动机（2）相比更接近地布置在所述工作轴（3）的所述输出侧（4）上。

2.根据权利要求1所述的组合驱动装置，其中，所述直线电动机（2）设计为管形。

3.一种特别是用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机（2），所述圆柱形直线电动机具有：

-管形的转子（6），在所述转子上在轴向方向上布置了多个永磁体（11），以及

-工作轴（3），所述工作轴能由所述直线电动机转入线性运动，其特征在于，

-所述转子（6）在轴向方向上的壁厚至少局部地根据所述永磁体的布置情况而改变。

4.根据权利要求3所述的圆柱形直线电动机，其中，所述管形的转子（6）的内壁在轴向方向上具有波浪式的轮廓。

5.根据权利要求3或4所述的圆柱形直线电动机，其中，所述永磁体（11）在所述转子（6）上根据极距（14）布置，并且所述转子的壁厚小于或者等于所述极距的三分之一。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的圆柱形直线电动机，其中，在所述转子（6）中插入塑料管，所述塑料管加固所述转子。

7.根据权利要求6所述的圆柱形直线电动机，其中，在所述转子（6）和所述塑料管之间的空腔被浇注。

8.一种特别是用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机（2），所述圆柱形直线电动机具有：

-管形的转子（6），在所述转子上布置了多个永磁体（11），其中，绝大部分的所述永磁体在圆周方向上以有规律的间距相互间隔，

以及

-工作轴（3），所述工作轴能由所述直线电动机转入线性运动，其特征在于，

-至少一个间隙（15）在轴向方向上延伸，其中一些永磁体（11）穿过所述间隙在圆周方向上继续以有规律的间距相互间隔。

9.根据权利要求8所述的圆柱形直线电动机，其中，所述转子（6）被所述永磁体（11）在轴向上的遮盖部分与所述极距（14）之间的比例为50%至85%。

10.一种特别是用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机（2），所述圆柱形直线电动机具有：

-管形的转子（6），所述转子具有至少一个转子轴承防护板（7），以及

-工作轴（3），所述工作轴能由所述直线电动机转入线性运动，其特征在于，

-在其上也固定着所述工作轴的所述转子轴承防护板（7）具有轮辐（16）。

11.一种特别是用于一种用于进行旋转运动和往复直线运动的组合驱动装置的圆柱形直线电动机（2），所述圆柱形直线电动机具有：

-管形的定子，

-管形的转子（6），其中，所述管形的转子具有至少一个转子轴承防护板（7），以及

-工作轴（3），所述工作轴能由所述直线电动机转入线性运动，其特征在于，

所述转子轴承防护板（7）具有滑动轴承（8），所述转子轴承防护板在所述滑动轴承上可线性运动地支承在所述定子的引导杆（17）上。

12.根据权利要求3至11中任一项所述的圆柱形直线电动机，其中，所述工作轴（3）是空心轴。

13.根据权利要求3至12中任一项所述的圆柱形直线电动机，其中，所述旋转电动机（1）和所述直线电动机（2）相比更接近地布置在所述工作轴（3）的所述输出侧（4）上。

14.根据权利要求1或2所述的组合驱动装置，或者根据权利要求8至12中任一项所述的圆柱形直线电动机（2），其中，所述转子（6）是管形的并且具有永磁体（11），和其中，所述转子在轴向方向上的壁厚至少局部地根据所述永磁体的布置情况而改变。

15.根据权利要求1或2所述的组合驱动装置，或者根据权利要求3至7，10和11中任一项所述的圆柱形直线电动机，其中，在所述转子（6）上布置了多个永磁体（11），绝大部分的所述永磁体在圆周方向上以有规律的间距相互间隔，并且至少一个间隙（15）在轴向方向上延伸，其中一些永磁体穿过所述间隙在圆周方向上继续以有规律的间距相互间隔。

16.根据权利要求2所述的组合驱动装置，或者根据权利要求3至9和11中任一项所述的圆柱形直线电动机，其中，所述管形的转子（6）具有至少一个转子轴承防护板（7），所述转子轴承防护板具有轮辐（16）。

17.根据权利要求2所述的组合驱动装置，或者根据权利要求3至10中任一项所述的圆柱形直线电动机，其中，所述直线电动机（2）具有管形的定子和带有转子轴承防护板（7）的管形的转子（6），和其中，所述转子轴承防护板具有滑动轴承（18）,所述转子轴承防护板在所述滑动轴承上可线性运动地支承在所述定子的引导杆（17）上。

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