CN103836145A - 线性驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线性驱动器，其具有定子、运动部、以及设置成用于驱动运动部的两个转动驱动单元。根据本发明，线性驱动器包括两个磁流变离合器，其中，第一驱动单元可利用第一磁流变离合器耦接于运动部，并且第二驱动单元可通过第二磁流变离合器耦接于运动部。第一驱动单元的输出转矩在与第二驱动单元的输出转矩相反的方向上作用于运动部。

Description

线性驱动器
技术领域
本发明涉及一种线性驱动器，其具有定子、运动部（runner）、以及被提供用于驱动运动部的两个转动驱动单元。
背景技术
上述类型的线性驱动器是已知的，例如从DE199 33 234A1已知。该文献所公开的线性驱动器包括可转动地安装的主轴，该主轴用于驱动在主轴的轴向方向上可移动地安装的托架。主轴由设置在主轴的相对两端处的两个电动马达驱动。该两个电动马达始终具有相同的转动方向。因此，产生作用在主轴上的转矩，以与由所述两个电动马达产生的量相等。通过使用两个电动马达而不是单个电动马达，可实现线性驱动器的紧凑结构，马达的尺寸减小，并且振动噪声减轻。
从DE100 46 137A1已知线性驱动器，在该文献中，两个驱动单元被交替地耦接到线性驱动器的运动部，从而实现了运动部的连续运动。这两个驱动器可以被实施为例如双稳态提升磁体，提升磁体具有被动回位弹簧、压电换能器、气动缸或SMA致动器。驱动器与运动部之间的力耦合可以通过磁耦合机构、通过静电吸引力、或任何适当设计的机械构造来实现。摩擦力、磁力和静电力、改变它们的粘度或弹性的介质、以及变化的化学结合力通常与力耦合相关联地提及。
现在，线性马达的许多应用需要高度动态的驱动器，所述高度动态的驱动器也存在增加紧凑设计方面的需求。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种上述类型的线性驱动器，其是高度动态的，可以容易地进行控制，并具有紧凑的设计。
该目的通过独立权利要求1的特征满足。据此，当线性驱动器进一步包括两个磁流变离合器，其中，第一驱动单元可利用第一磁流变离合器耦接于运动部，并且第二驱动单元可通过第二磁流变离合器耦接于运动部，其中，第一驱动单元的输出转矩在与第二驱动单元的输出转矩相反的方向上作用于运动部，本发明的目的被满足以用于所述类型的线性驱动器。
因此，在根据本发明的线性驱动器中，两个驱动单元的输出轴大体上沿相反的方向转动。该两个驱动单元至少产生沿相反的方向作用于运动部的驱动力。这并不意味着这两个输出轴必须彼此同轴地布置。两个驱动单元的输出转矩可以直接作用于运动部，但它也可以经由合适的机构转换成作用于运动部上的力。为了将转动运动转换成运动部的平移运动，可以提供不同的机械构造。线性驱动器的运动部被安装成使得运动部或者运动部的至少一部分可以相对于定子平移地移动。例如，运动部可以是形成闭环的皮带，并且可以以在特定部分中始终线性地延伸的方式被夹持。
线性驱动器的高度动态的操作通过两个磁流变离合器和两个驱动单元的沿相反方向的输出转矩实现。这可以实现尤其是运动部的高度动态的方向反转。驱动单元的实际施加的输出转矩可以通过对各磁流变离合器施加可控电压而无级地进行调节。例如，如果要实现运动部的方向的反转，则使之前与磁流变离合器接合的驱动单元脱开，并且使另一驱动单元接合。从而，运动部分别被立即减速并且被在相反的方向上加速。为了反转运动的方向，仅必须克服运动部的惯性矩（或惯性动量）以及可选地设置在离合器与运动部之间的机构的惯性矩。但是不需要两个驱动单元各自的任何减速和加速。该两个驱动单元两者均保持其转动方向以及它们的转动运动。本发明还具有的优点在于，可以以简单的方式实现机械间隙的减小。这可以实现的原因在于，对该驱动单元（其与运动部的当前运动方向相对）的磁流变离合器施加低电压，从而使得由该驱动单元在运动部上也产生低输出转矩。虽然这有点降低另一驱动单元所产生的输出转矩，但是优点是，这导致驱动器的机械预加载，这进而又导致机械间隙的减小。
优选地可以提供的是，两个驱动单元的输出轴在线性驱动器的整个工作范围内总是以恒定的速度转动。如果驱动单元均仅具有一个转动方向，也是有利的。这简化了线性驱动器的控制。
本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
在本发明的一个优选实施例中，线性驱动器包括电动马达，该电动马达是第一驱动单元的一部分、以及是第二驱动单元的一部分，其中，线性驱动器进一步包括连接于电动马达的齿轮单元。齿轮单元包括两个反向转动的齿轮输出轴，该两个反向转动的齿轮输出轴中的第一齿轮输出轴被耦接于第一磁流变离合器，并且第二齿轮输出轴被耦接于第二磁流变离合器。在本实施例中，仅需要单个电动马达来为两个驱动单元两者提供所需的输出转矩。优选地，所述两个齿轮输出轴由电动马达恒定地驱动。从而，被最终传送到线性驱动器的运动部的驱动力通过致动两个磁流变离合器而实现。因为本实施例中的线性驱动器仅需要单个电动马达，因而生产成本低且还可以容易控制。本实施例还允许以线性驱动器的较小重量实现紧凑的设计。
在本发明的另一实施例中，两个驱动单元中的每一个均包括自己的电动马达。本实施例允许非常灵活的结构，当两个驱动单元的输出轴被定位在完全不同的安装位置处时尤其适合。最优选地，两个驱动单元不但均包括自己的电动马达，而且均具有自己的齿轮单元（gear unit，减速器）。优选地，使用降速齿轮单元来作为所述齿轮单元。它们允许以马达的紧凑设计实现高转矩。这形成了整体紧凑且有利的线性驱动器结构。
在本发明的另一特别优选的实施例中，线性驱动器包括用于致动两个磁流变离合器的控制单元，其中，控制单元确保来自于两个驱动单元两者的输出转矩始终被施加于运动部。如果控制单元确保实际处于接合中的驱动单元的磁流变离合器被完全闭合，其中对应的另一驱动单元的磁流变离合器仅对运动部产生较小的力传递，这是特别有利的。从而，实现了运动部系统的机械预加载，这导致了机械间隙的减小。因此，本实施例提供了一种高精度的线性驱动器。
如果控制单元包括实际值发送器，则线性驱动器的控制精度被相应地进一步增强和简化，实际值发送器特别地为转动位置传感器和/或速度指示器和/或加速度计。以此，运动部的实际运动可以与目标值进行比较。实际值发送器可以设置在线性驱动器的不同的位置处。优选地，测量可直接在运动部上和/或在两个驱动单元的输出轴上进行。电机的电机轴上也可以设置各自的实际值发送器。
在本发明的另一实施例中，运动部包括齿条，该齿条通过能耦接于第一驱动单元的第一齿轮或蜗轮以及通过能耦接于第二驱动单元的第二齿轮或蜗轮而被驱动。本实施例实现了非常鲁棒的且精确的线性驱动器。本实施例还允许紧凑的设计，特别是当第一磁流变离合器和第二磁流变离合器直接彼此相邻地布置时。可以设置单个电动马达，两个驱动单元的输出轴通过该单个电动马达驱动，或者两个驱动单元中的每一个均可以由其自己的电动马达驱动。在这两种情况下，齿轮或蜗轮分别经由磁流变离合器与相关联的驱动单元耦接。
在本发明的另一替代实施例中，运动部包括皮带或缆线或链条。优选地，皮带、缆线或链条形成闭环，其中，两个驱动单元被布置在环的两个相对反转点中。在环的两个反转点之间线性地延伸的部分形成了实际的运动部。该部分可以通过两个驱动单元保持张紧，使得线性驱动器的机械间隙减小。除了皮带或链条或缆线，线性驱动器的运动部还可以包括其它元件。例如，可以设置连接于皮带、缆线或链条的托架，所述托架利用线性导轨被引导。
在本发明的另一替代实施例中，线性驱动器包括螺纹主轴。具有螺纹主轴传动装置的线性驱动器的结构非常鲁棒、简单，并且可非常精确地进行控制。
通过使用相对于彼此预加载的主轴螺母，这种线性驱动器的机械间隙可以相应地被减小或消除。可以想象的是，螺纹主轴本身形成运动部的一部分或运动部。螺纹主轴以可转动地固定的方式安装且相对于线性驱动器的定子能轴向地位移。但是，优选地，螺纹主轴仅用于将转动运动转换成运动部的直线运动。在这种情况下，螺纹主轴被安装成相对于线性驱动器的定子能转动且不能轴向地位移，其中，螺纹主轴与两个驱动单元中的至少一个以及与运动部接合，运动部被安装成相对于定子能轴向地位移。运动部本身可以再形成为托架，该托架包括位于线性驱动器的定子上的线性导轨。在最简单的情况下，仅设置一个螺纹主轴，该螺纹主轴可以经由相关联的各磁流变离合器耦接到两个驱动单元。
在特别优选的实施例中，线性驱动器包括第二螺纹主轴，第二螺纹主轴平行于第一螺纹主轴延伸，并且还被安装成相对于线性驱动器的定子能转动且不能轴向地位移，其中，第一螺纹主轴与运动部和第一驱动单元接合，并且第二螺纹主轴与运动部和第二驱动单元接合。螺纹主轴与第一或第二驱动单元之间的接合分别通过利用两个磁流变离合器被致动。系统的预加载可以在本实施例中通过利用两个螺纹主轴而以简单的方式实现。预加载进而又导致线性驱动器中无间隙。
在另一优选实施例中，磁流变离合器中的每一个均通过具有磁流变制动器的差速器（differential）实现，其中，差速器包括一个输入构件和两个输出构件，并且其中，输出构件中的一个能利用磁流变制动器被制动。被制动的输出元件大体上未被使用，而相应的另一输出构件优选地耦接于运动部。普通的差速齿轮可以用作差速器。本实施例可以特别简单的方式实现，并且具有的优点是，磁流变制动器的带电部件（live part）可以以固定的方式实施。因此可以省略复杂的滑动电流传输（sliding currenttransfer）。
附图说明
下面，参照附图更详细地解释本发明的实施例。
图1示出了根据第一实施例的本发明的线性驱动器的示意性平面图，
图2示出了图1中的本发明的线性驱动器的侧视图，
图3示出了根据第二实施例的本发明的线性驱动器的示意性平面图，
图4示出了图3中的本发明的线性驱动器的侧视图，
图5示出了图3和4中的本发明的线性驱动器的改进形式的示意性平面图，
图6示出了另一实施例的线性驱动器的示意图，
图7示出了图6中的本发明的线性驱动器的变型的示意图，
图8示出了图6中的本发明的线性驱动器的另一变型的示意图，
图9示出了根据另一实施例的本发明的线性驱动器的示意图，
图10示出了图9中的线性驱动器的变型的示意图，
图11示出了图9中的线性驱动器的另一变型的示意图。
对于以下实施方式适用的是，相同的部件由相同的参考标号表示。如果一附图中包含在该附图中未解释的参考标号，则请参考前面的或后面的附图描述。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的线性驱动器1的示意图，所述线性驱动器被实施为皮带驱动器。图1示出了平面图，图2示出其侧视图。在根据本发明的线性驱动器的该变型中，运动部2由皮带14形成，皮带可以选择性地由两个驱动单元3和4驱动。皮带14形成闭环15，在该闭环的反转点（reversal point，转折点，反向点）16处，布置有两个驱动单元3和4的驱动轮19.1、19.2。皮带14由两个驱动轮张紧。驱动单元3和4中的每一个均包括电动马达7以及附接于该电动马达的降速齿轮单元8。驱动单元的这种结构导致了紧凑结构的线性驱动器，这是因为由于降速齿轮单元而可以使用性能相对较低且因此小型的电动马达，但仍提供高转矩。与皮带14接合的驱动轮19.1、19.2不直接连接于驱动单元3和4。它们设置在驱动轴上，每个驱动轴均可以经由磁流变离合器（magnetorheological clutch）耦接到相关的驱动单元。被示出在左侧上的驱动轴20可以通过磁流变离合器5耦接到第一驱动单元3的齿轮输出轴，右侧上的驱动轴21可以利用磁流变离合器6耦接于第二驱动单元4。两个驱动单元3和4的两个平行对齐的输出轴总是沿相反的方向转动。这意味着，当驱动轴20经由磁流变离合器5连接到第一驱动单元3时，图2中的驱动轮19.1沿逆时针方向转动，而当驱动轴21经由磁流变离合器6连接到第二驱动单元4时，驱动轮19.2沿顺时针方向转动。因此，通过同时释放第一磁流变离合器和闭合第二磁流变离合器，运动部的运动方向被反转。通过向两个磁流变离合器施加可控电压，该两个磁流变离合器也可以分别部分地打开或闭合。当离合器5和6被部分地闭合时，运动部的运动方向通过两个驱动轴20、21中的哪一个具有施加于运动部的更大转矩而确定。在这种情况下，图2中所示的驱动皮带14的顶部被保持张紧。其他的驱动器部件也相对于彼此被预加载，从而使得线性驱动器的机械间隙（mechanical backlash）在很大程度上被消除或被减小。因此，对于高精度的线性驱动器来说，如果两个磁流变离合器5和6总是被施加至少一小电压，则是有利的。
两个驱动单元3和4的电动马达在任何时候都能保持它们的转动方向和转动速度。因此，对于运动部的运动方向的反转来说，不需要改变两个电动马达的转动方向。因此，当运动部的运动方向被反转时，不必克服电动马达的或附接于电动马达的降速齿轮单元的惯性矩。
应该注意的是，一些附图仅是示意图。例如，线性驱动器的定子未被示出。除了皮带14，根据本发明的线性驱动器的运动部2还包括附加部件，例如被连接到皮带14并在线性导轨中被引导的托架。例如，皮带可以被实施为齿形皮带。作为对该皮带的替代，可以使用链条或缆线。
图3和图4示出了根据本发明的线性驱动器的另一实施例。图3示出了示意性平面图，图4示出了侧视图。在这里，类似于图1和2的线性驱动器，也设置有用于驱动运动部2的两个驱动单元3和4。其由齿条11形成。其由支撑装置（未示出）支撑，所述支撑装置可沿其纵向轴线的方向在线性驱动器的定子上轴向地位移。该线性驱动器中的两个传动轴20和21中的每一个均承载一齿轮12、13。该两个齿轮与齿条的齿啮合。另外，通过该驱动器，两个齿轮输出轴的转动方向以及两个驱动轴20和21的输出转矩分别在相反的方向上。所述两个驱动单元3、4，并且特别地所述两个磁流变离合器5和6直接彼此相邻地布置，从而实现了线性驱动器1的非常紧凑的设计。在其它方面，该线性驱动器的基本原理对应于图1和2中所示的线性驱动器的原理。
图5以稍微改进的形式示出了图3和4中的本发明的线性驱动器。因为两个磁流变离合器或与离合器关联的驱动轴20和21分别直接彼此相邻地设置，所以也可以由单个电动马达7以及附接于电动马达的齿轮单元8（该齿轮单元具有两个齿轮输出轴9和10）实施两个单独的驱动单元3和4。齿轮单元8被设计成使得齿轮输出轴9的转动方向与齿轮输出轴10的转动方向相反。另外，在该驱动器的变型中，运动部2的运动方向仅基于分别施加于两个驱动轴20和21的转矩来确定。转矩通过磁流变离合器5和6的控制电压进行调整。
图6示出了根据本发明的线性驱动器的另一实施例。在这个变型中，使用了主轴驱动器。主轴17被安装成能在线性驱动器1的定子上转动且不能轴向地位移。其与运动部2的对应螺纹接合，所以，当主轴转动时，运动部沿主轴轴线移动。因此，运动部2不能转动，而仅仅被支撑成能在线性驱动器的定子上轴向地移动。驱动单元3、4设置在螺纹主轴17的两端中的每端处。驱动单元3和4在相反的方向上产生转矩，并且每个驱动都可以利用磁流变离合器5、6与主轴本身耦接。图6中所示的驱动器6的特征是非常细的设计，但是被设计得相对较长。
图7示出了图6所示的线性驱动器的变型，在该变型中，两个驱动单元3和4被布置在螺纹主轴的同一端处。在所示的实例中，两个驱动轴20和21经由齿轮啮合与螺纹主轴17耦接。但是，也可将两个磁流变离合器5和6相对于彼此同轴地设置，从而使得螺纹主轴17形成该两个磁流变离合器两者的输出轴。图7所示的线性驱动器被设计得稍短于图6所示的线性驱动器。因此，该线性驱动器不是非常细。
图8示出了另一改进。与图7的实施例对比，类似于图5的线性驱动器，两个驱动单元3和4通过具有附接的齿轮单元8的单个电动马达7来实现。在这里，齿轮单元也具有两个齿轮输出轴9和10，所述两个齿轮输出轴始终在彼此相反的方向上转动。
图9示出了根据本发明的线性驱动器的另一实施例。在这个变型中，两个主轴17和18被设置成彼此平行地延伸。两个螺纹主轴17和18与运动部2的相应螺纹啮合，所述运动部通过转动螺纹主轴而能够沿纵向轴线移动。两个螺纹主轴17和18可以利用磁流变离合器5和6而与驱动单元3和4接合。两个驱动单元3和4被设置在该两个螺纹主轴的不同端部处。为了能够使作用于两个驱动单元3和4上的力施加于运动部，必须的是，两个驱动单元3和4的输出轴在相反的方向上转动，或者两个螺纹主轴17和18具有相反螺纹。
图10示出了图9的线性驱动器的改进，在该改进中，两个驱动单元3和4被设置在两个螺纹主轴17和18的同一端处。此变型中的线性驱动器被设计成略短于图9的驱动器。两个驱动单元3和4以及相关联的磁流变离合器5和6直接彼此相邻地布置。因此，在此变型中也可以通过具有附接的齿轮单元8的单个电动马达7来实现两个驱动单元3和4，如图11所示。
在根据本发明的线性驱动器的所有所示实施例中，可以设置用于控制的实际值发送器（未示出）。它们可以是转动位置传感器和/或转速表和/或加速度计。

Claims (12)

1.一种线性驱动器（1），具有定子、运动部（2），并且具有设置成用于驱动所述运动部（2）的两个转动驱动单元（3、4），其特征在于，所述线性驱动器（1）进一步包括两个磁流变离合器（5、6），其中，所述第一驱动单元（3）能利用第一流变磁离合器（5）耦接于所述运动部（2），并且所述第二驱动单元（4）能通过第二磁流变离合器（6）耦接于所述运动部（2），其中，所述第一驱动单元（3）的输出转矩在与所述第二驱动单元（4）的输出转矩相反的方向上作用于所述运动部（2）。
2.根据权利要求1所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述线性驱动器（1）包括电动马达（7），所述电动马达是所述第一驱动单元（3）的一部分、以及是所述第二驱动单元（4）的一部分，其中，所述线性驱动器（1）进一步包括连接于所述电动马达（7）的齿轮单元（8），并且其中，所述齿轮单元（8）包括两个反向转动的齿轮输出轴（9、10），所述两个反向转动的齿轮输出轴中的第一齿轮输出轴（9）被耦接于所述第一磁流变离合器（5），并且第二齿轮输出轴（10）被耦接于所述第二磁流变离合器（6）。
3.根据权利要求1所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述两个驱动单元（3、4）中的每一个均包括自己的电动马达（7）。
4.根据权利要求3所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述两个驱动单元（3、4）中的每一个均包括自己的齿轮单元（8）。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述线性驱动器（1）包括用于致动所述两个磁流变离合器（5、6）的控制单元，其中，所述控制单元确保输出转矩始终通过两个驱动单元（3、4）被施加于所述运动部（2）。
6.根据权利要求5所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述控制单元包括实际值发送器，所述实际值发送器具体为转动位置传感器和/或速度指示器和/或加速度计。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述运动部（2）包括齿条（11），所述齿条通过能耦接于所述第一驱动单元（3）的第一齿轮（12）或蜗轮以及通过能耦接于所述第二驱动单元（4）的第二齿轮（13）或蜗轮而被驱动，其中，所述第一磁流变离合器（5）和所述第二磁流变离合器（6）直接彼此相邻地布置。
8.根据权利要求1至6中的一项所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述运动部（2）包括皮带（14）或缆线或链条，其中，所述皮带（14）或所述缆线或所述链条形成闭环（15），并且其中，所述两个驱动单元（3、4）被布置在所述环（15）的两个相对反转点（16）中。
9.根据权利要求1至6中的一项所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述线性驱动器（1）包括螺纹主轴（17）。
10.根据权利要求9所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述螺纹主轴（17）被支撑成相对于所述线性驱动器（1）的所述定子能转动但不能轴向位移，其中，所述螺纹主轴（17）与所述两个驱动单元（3、4）中的至少一个接合并且与所述运动部（2）接合，所述运动部被安装成相对于所述定子能轴向地位移。
11.根据权利要求10所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述线性驱动器（1）包括第二螺纹主轴（18），所述第二螺纹主轴平行于所述第一螺纹主轴（17）延伸，并且还被安装成相对于所述线性驱动器（1）的所述定子能转动但不能轴向位移，其中，所述第一螺纹主轴（17）与所述运动部（2）和所述第一驱动单元（3）接合，并且所述第二螺纹主轴（18）与所述运动部（2）和所述第二驱动单元（4）接合。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的线性驱动器（1），其特征在于，所述磁流变离合器（5、6）中的每一个均通过具有磁流变制动器的差速器实现，其中，所述差速器包括一个输入构件和两个输出构件，并且其中，所述输出构件中的一个能利用所述磁流变制动器被制动。
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