DE102005055868A1

DE102005055868A1 - Gewindetrieb für einen Linearstellmotor und Linearstellmotor

Info

Publication number: DE102005055868A1
Application number: DE200510055868
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Böttger; Andreas Stadler; Helmut Schneider
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2025-11-24
Also published as: DE102005055868B4

Abstract

Gewindetrieb für einen Linearstellmotor mit einer Gewindemutter und einer Stellstange mit Außengewinde, die miteinander in Eingriff sind, wobei eine Drehbewegung der Gewindemutter in eine Linearbewegung der Stellstange übersetzt wird, wobei die Gewindemutter eine Metallscheibe umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gewindetrieb für einen Linearstellmotor mit einer Gewindemutter und einer Stellstange mit Außengewinde, die miteinander in Eingriff sind, wobei eine Drehbewegung der Gewindemutter in eine Linearbewegung der Stellstange übersetzt wird.
Die Erfindung betrifft allgemeiner Linearstellmotoren, die als Klauen-Schrittmotor oder andere Art von Elektromotor ausgeführt sind und eine Drehbewegung des Rotors in eine Linearbewegung der Stellstange übersetzen. Die Umsetzung erfolgt über eine Mutter oder Gewindehülse, die mit dem Rotor dreht. Die Mutter greift in ein Außengewinde, das auf der Stellstan ge aufgebracht ist. Die Stellstange ist über einen Führungsstift gegen Verdrehen gesichert. Der Führungsstift wiederum kann sich in einer Führungsnut in axialer Richtung bewegen. Dreht nun der Rotor mit der Mutter, so wird die Stellstange in axialer Richtung entlang der Führungsnut bewegt.
Ein derartiger Linearstellmotor ist z.B. aus der EP 1 363 382 A1 bekannt. Bei dem bekannten Stellmotor ist der Rotor mittels eines in seiner Mitte angeordneten, einzigen Lagers gelagert. Die Nabe des Rotors ist als Hülse mit Innengewinde ausgeführt. Der Gewindeteil der Stellstange greift in das Gewinde der Rotorhülse ein. Die Rotorhülse liegt zwischen zwei Rotorringen und trägt ein Innengewinde, das sich im wesentlichen über die axiale Länge des Kugellagers erstreckt. Die Stellstange ist gegen Verdrehen gesichert und kann somit je nach Drehrichtung des Rotors in der einen oder anderen Richtung verschoben werden. Die Statorspulen liegen radial außerhalb des Rotors, umgeben von den Polblechen.
Die Umsetzung der Rotationsbewegung in eine Linearbewegung erfolgt über die Gewindemutter oder -hülse, die mit dem Rotor dreht. Bei Lineargewindetrieben sind im Stand der Technik verschiedene Materialpaarungen von Außengewinde der Stellstange und Innengewinde der Mutter bekannt, um sie nach unterschiedlichen Anforderungen, wie Verschleiß, Reibung, Selbsthemmung oder Lebensdauer zu optimieren. Im Maschinenbau werden üblicherweise Muttern und Stellstangen aus Metall verwendet, die entsprechend gefettet werden. Im Leichtmaschinenbau und in der Feinwerktechnik sind häufig Gewindestangen aus Metall und Muttern aus Kunststoff anzutreffen. Die Muttern können aus reibungsmindernden bzw. verschleißfesten Kunststoffen hergestellt werden, wie PTFE mit Zusätzen aus Kohlefaser, Graphit oder anderen gleitfördernden bzw. verschleißhemmenden Stoffen. In vielen Fällen werden auch die Gewindetriebe mit Kunststoffmuttern zusätzlich gefettet.
Bei den Lineargewindetrieben des Standes der Technik weisen die Muttern ein mehrgängiges Innengewinde auf. Solche mehrgängige Innengewinde müssen im Metall geschnitten bzw. in Kunststoff mit einem drehenden Kern eingeformt werden. Dies sind Arbeitsgänge, die einen hohen Anteil an den Fertigungskosten eines Linearstellmotors verursachen. Zusätzlich müssen die Lineargewindetriebe auch bei Verwendung von Kunststoffmuttern in den meisten Anwendungen gefettet werden.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 83 33 065 U1 und der DE 100 20 086 A1 , sind Blechmuttern bekannt, die zur Festlegung zweier Bauteile verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gewindetrieb für einen Linearstellmotor anzugeben, der einfach und kostengünstig gefertigt werden kann und ein Festsetzen der Gewindemutter auf der Stellstange verhindert.

Diese Aufgabe wird durch einen Gewindetrieb mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist der Gewindetrieb der eingangs genannten Art so gestaltet, daß die Gewindemutter durch eine Metallscheibe gebildet ist. Diese Metallscheibe kann ähnlich aufgebaut sein wie eine im Stand der Technik an und für sich bekannte Blechmutter. Sie hat jedoch gerade nicht die Funktion, zwei Bauteile gegeneinander festzulegen, sondern im Gegenteil, sie soll auf dem Außengewinde der Stellstange frei drehbar sein. Mit anderen Worten ist die Blechmutter relativ zur Gewindestange verdrehbar, um die Rotationsbewegung des Rotors in eine Linearbewegung der Gewindestange zu übersetzen. Eine solche Relativdrehung einer Gewindestange zu einer Blechmutter für einen Linearstellantrieb ist durch den Stand der Technik weder vorweggenommen noch nahegelegt.

Die Verwendung einer Metallscheibe als Gewindemutter hat den Vorteil, daß die Gewindemutter auf einfache Weise kostengünstig hergestellt werden kann und ein Minimum an axialem Bauraum für ihren Einbau benötigt.

Die Gewindemutter hat vorzugsweise einen Gewindegang kleiner gleich 360°. Sie kann beispielsweise durch einen Stanz-Präge-Vorgang aus Blech, aus gesintertem Metall oder aus Kunststoff hergestellt werden.

Vorzugsweise besteht das Innengewinde der Gewindemutter und/oder das Außengewinde der Stellstange aus Metall und ist mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen. Dadurch kann vermieden werden, daß der Lineargewindetrieb gefettet werden muß. Gleichwohl ist sichergestellt, daß sich Blechmutter und Stellstange nicht festsetzen und eine Verdrehung verhindern oder zumindest erschweren.

Die reibungsvermindernde Beschichtung kann beispielsweise eine DLC (Diamond like Carbon)-Schicht oder eine Schicht aus einem Trägermaterial, wie Epoxid, aufweisen, in das Gleitpartikel, wie PTFE oder Graphit, eingelagert sind. Die Schicht kann auch über ein chemisches oder physikalisches Beschichtungsverfahren wie Galvanik, CVD (chemical vapor deposition) oder PVD (physical vapor deposition) aufgebracht werden. Solche Verfahren können zum Beispiel zum Nitrieren, Verchromen, Vernickeln, Vernickeln mit eingelagerten PTFE Partikeln oder zum Aufbringen ähnlicher Oberflächen veredelnder Schichten verwendet werden.

Erfindungsgemäß ist auch ein Linearstellmotor mit einem Rotor, der wenigstens einen Rotormagneten aufweist, und einem Gewindetrieb der erläuterten Art vorgesehen, wobei die Gewindemutter mit dem Rotor drehfest verbunden ist. Insbesondere umfaßt der Linearstellmotor ferner einen Stator, der Polbleche und Statorspulen aufweist, wobei die Statorspulen koaxial zu dem Rotormagneten in axialer Richtung neben diesem angeordnet sind. Durch die Anordnung der Spulen neben dem Rotormagneten läßt sich der Außendurchmesser des Linearstellmotors deutlich reduzieren. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Gewindetriebs in einem solchen Motor stellt dabei sicher, daß die axiale Baulänge des Motors durch die Gewindemutter nicht weiter vergrößert wird. Eine Gewindemutter in Form einer Blechscheibe ist daher in einem solchen Motor besonders vorteilhaft.

Die axiale Verlängerung des Motors aufgrund der Anordnung der Spulen axial neben dem Rotormagneten kann vorteilhaft zur kippsicheren Abstützung der Stellstange genutzt werden, ohne daß ein Gehäusefortsatz notwendig wäre, der selbst keine nutzbaren Teile des Motors enthält. Die Anordnung der Spulen neben dem Rotormagneten hat den vorteilhaften Nebeneffekt, daß in axialer Richtung die Länge des Magneten und die Länge der Summe der Spulen unterschiedlich sein kann.

In einer bevorzugten Ausführung des Linearmotors sind ein oder zwei Lager, insbesondere Kugellager, zur Lagerung des Rotors relativ zu dem Stator radial innerhalb des Rotormagneten angeordnet, so daß sich die axiale Länge des Motors im wesentlichen aus der axialen Baulänge des Rotormagneten und der axialen Baulänge der Spulen ergibt. Dadurch kann neben einer Reduzierung des Durchmessers des Motors auch die axiale Baulänge des Motors minimiert werden.

In der bevorzugten Ausführung sind zwei Kugellager vorgesehen, deren Außenringe mit dem Rotormagneten und deren Innenringe mit dem Stator gekoppelt sind, wobei die Gewindemutter zwischen den Kugellagern angeordnet ist.

In der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Linearstellmotor als ein Klauenschrittmotor ausgebildet, wobei die Polbleche Klauen aufweisen, die mit den Statorspulen gekoppelt sind und die den Rotormagneten umgreifen.

Die Stellstange ist in der bevorzugten Ausführung durch die Gewindemutter sowie durch ein Gehäuseteil oder einen Flansch des Linearstellmotors abgestützt. Es ist jedoch nicht notwendig, daß dieser Gehäuseteil oder Flansch in axialer Richtung über die eigentliche axiale Baulänge des Motors hinaus verlängert ist, sofern der axiale Verstellweg kleiner als die halbe Länge des Linearstellmotors ist.

Der Gewindetrieb und der Linearstellmotor gemäß der Erfindung können beispielsweise in Automotiv-Anwendungen eingesetzt werden, in denen das Stellelement zum Einstellen eines Frontscheinwerfers mit Leuchtweitenregelung oder Kurvenlicht oder anderer an einem KFZ befindlicher Teile verwendet wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Linearstellmotor gemäß der Erfindung;
2 eine perspektivische Außensicht des Linearstellmotors der 1;
3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Gewindemutter, die in dem Linearstellmotor der 1 verwendet wird; und
4 eine perspektivische Darstellung der Gewindemutter der 3, die auf eine Stellstange aufgebracht ist.
Der in 1 gezeigte Linearstellmotor ist als Klauenschrittmotor ausgebildet. Er umfaßt einen Rotor 10 mit einem Permanentmagneten 12 sowie einen Stator 14 mit Polblechen 16, welche als Polklauen ausgebildet sind, und Statorspulen 18. Die Statorspulen 18 sind in eine Spulenisolation 20 eingebettet und mit Spulenanschlüssen 22 verbunden. Ein erster und ein zweiter Flansch 24, 26 bilden feststehende Teile eines Gehäuses und sind mit dem Stator 14 verbunden. Zur Lagerung des Rotors 10 sind zwei Kugellager 28 vorgesehen, deren Außenringe mit dem Rotormagneten 12 verbunden sind und deren Innenringe in den Flansch 24 bzw. 26 abgestützt sind. Zwischen den beiden Kugellagern 28 ist eine Gewindemutter 30 in Form einer Blechscheibe angeordnet, die mit Bezug auf die 3 und 4 genauer beschrieben ist. Die Gewindemutter ist zwischen den Außenringen der Kugellager 28 gehalten und mit dem Rotor 10 festverbunden. Eine Stellstange 32, oder Gewindespindel, mit einem Außengewinde 34 ist mit der Gewindemutter 30 in Eingriff, so daß eine Drehbewegung der Gewindemutter 30 in eine Translationsbewegung der Stellstange 32 übersetzt wird. Als Verdrehsicherung ist in dem Flansch 26 eine Führungsnut 36 ausgebildet, in der ein Führungsstift 38 der Stellstange 32 geführt ist.
Wie in 1 dargestellt, sind bei dem erfindungsgemäßen Motor die Statorspulen 18 axial neben dem Permanentmagneten 12 des Rotors angeordnet. Dadurch kann der Motordurchmesser im Vergleich zu bekannten Motoren verringert werden. Da die Kugellager 28 radial innerhalb des Permanentmagneten 12 liegen, tragen sie nicht zusätzlich zur axialen Baulänge des Motors bei. Auch durch die Verwendung einer Blechscheibe als Gewindemutter 30 kann die axiale Baulänge des Motors trotz der Anordnung der Statorspulen 18 neben dem Permanentmagneten 12 kurzgehalten werden. Die axiale Länge des Motors ist ausreichend, um die Stellstange 32 in dem Flansch 26 abzustützen, ohne daß ein zusätzlicher axialer Fortsatz notwendig wäre, um ein Verkippen der Stellstange 32 zu verhindern.
Die Polbleche 16 sind mit den Spulen 18 gekoppelt und umgreifen den Permanentmagneten 12, um so eine wirksame Magnetflußübertragung von den Statorspulen 18 auf den Permanentmagneten 12 zu bewirken.
Wie auch aus 2 zu erkennen ist, in der gleiche Teile wie in 1 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind, kann mit der Erfindung ein besonders kompakter Linearstellmotor aufgebaut werden, der minimale Abmessungen in radialer und axialer Richtung hat und gleichwohl eine stabile, kippsichere Führung der Stellstange 32 erlaubt.
3 zeigt ein Beispiel für die Gewindemutter 30, die aus einer Blechscheibe hergestellt ist. Die Gewindemutter 30 weist ein eingängiges Gewinde kleiner gleich 360° auf. Sie kann in Richtung der Achse der Gewindebohrung in einem Stanz-Präge-Vorgang aus einem Blech hergestellt werden. In der gezeigten Ausführung weist die Mutter 30 einen Verstärkungsring 42 an ihrem Außenumfang auf. Dieser Verstärkungsring kann ebenfalls während des Stanz-Präge-Vorgangs hergestellt oder zusätzlich auf dem Umfang der Gewindemutter 30 aufgebracht werden.
4 zeigt, wie die Gewindemutter 30 auf der Stellstange 32 sitzt und in das Außengewinde 34 der Stellstange eingreift. In der bevorzugten Ausführung bestehen die Stellstange 32 und die Gewindemutter 30 aus Metall oder Kunststoff und das Innengewinde 40 und/oder das Außengewinde 34 sind mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen, um den Gewindetrieb nicht fetten zu müssen. Beispiele für solche Beschichtungen sind eine DLC (Diamond like Carbon)-Schicht oder ein Anti-Friction-Coating auf der Gewindemutter 30 oder der Stellstange 32 oder auf beiden Teilen. Das Anti-Friction-Coating besteht aus einem Trägermaterial, z.B. Epoxid, in das Gleitpartikel eingelagert sind. Beispiel für Gleitpartikel sind PTFE oder Graphit. Die Gewindemutter 30, die in dem erfindungsgemäßen Linearstellmotor eingesetzt wird, hat den Vorteil, daß sie auf einfache Weise hergestellt werden kann und in axialer Richtung wenig Platz benötigt. Da die erfindungsgemäße Gewindemutter aus einer Blechscheibe hergestellt ist, hat sie einen größeren Außendurchmesser als viele vergleichbare Gewindemuttern in anderen, bekannten Stellmotoren. Diese spezielle Form wird erfindungsgemäß genutzt, um die Rotationsbewegung des Rotors 10, der mit den Außenringen der Kugellager 28 verbunden ist, nach innen auf die Stellstange 32 zu übertragen. Die Gewindemutter 30 ist zwischen die beiden Kugellager 28 eingefügt und mit den Außenringen der Kugellager 28 sowie mit dem Rotor 10 gekoppelt, ohne daß hierfür nennenswert zusätzlicher Raum notwendig wäre.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Ausführung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

10: Rotor
12: Permanentmagnet
14: Stator
16: Polbleche
18: Statorspulen
20: Spulenisolation
22: Spulenanschlüsse
24, 26: Flansche
28: Kugellager
30: Gewindemutter
32: Stellstange
34: Außengewinde
36: Führungsnut
38: Führungsstift
40: Gewinde
42: Verstärkungsring

Claims

Gewindetrieb für einen Linearstellmotor mit einer Gewindemutter (30) und einer Stellstange (32) mit Außengewinde (34), die miteinander in Eingriff sind, wobei eine Drehbewegung der Gewindemutter (30) in eine Linearbewegung der Stellstange (32) übersetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindemutter (30) eine Metallscheibe umfaßt.
Gewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindemutter (30) einen Gewindegang ≤ 360° aufweist.
Gewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindemutter (30) durch einen Stanz-Präge-Vorgang aus einem Blech hergestellt ist.
Gewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (40) der Gewindemutter (30) und/oder das Außengewinde (34) der Stellstange (32) aus Metall besteht und mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen ist.
Gewindetrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsvermindernde Beschichtung eine DLC (Diamond like Carbon)-Schicht aufweist.
Gewindetrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsvermindernde Beschichtung eine Schicht aus einem Trägermaterial, wie Epoxid, aufweist, in das Gleitpartikel eingelagert sind.
Gewindetrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitpartikel PTFE oder Graphit umfassen.
Gewindetrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsvermindernde Schicht aus einer galvanischen Schicht aus Chrom, Nickel oder einem anderen oberflächenveredelndem Metall besteht.
Gewindetrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsvermindernde Schicht durch Oberflächenveränderung, wie Nitrieren, gebildet wird.
Linearstellmotor mit einem Rotor (10), der wenigstens einen Rotormagneten (12) aufweist, und einem Gewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gewindemutter (30) mit dem Rotor (10) drehfest verbunden ist.
Linearstellmotor nach Anspruch 10, mit ferner einem Stator (14), der Polbleche (16) und Statorspulen (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorspulen (18) koaxial zu dem Rotormagneten (12) in axialer Richtung neben diesem angeordnet sind.
Linearstellmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder zwei Lager (28) zur Lagerung des Rotors (10) relativ zu dem Stator (14) radial innerhalb des Rotormagneten (12) angeordnet sind, so daß die axiale Länge des Motors sich im wesentlichen aus der axialen Baulänge des Rotormagneten (12) und axialen Baulänge der Spulen (16) ergibt.
Linearstellmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kugellager (28) zur Lagerung des Rotors (10) vorgesehen sind, deren Außenringe mit dem Rotormagneten (12) und deren Innenringe mit dem Stator (14) gekoppelt sind, wobei die Gewindemutter (30) zwischen den Kugellagern (28) angeordnet ist.
Linearstellmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellstange (32) durch die Gewindemutter (30) und einen Gehäuseteil oder Flansch (26) des Linearstellmotors abgestützt ist.