-
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Linearantrieb entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Elektromechanische Linearantriebe zur Betätigung von Hydraulikventilen, Klappen, Kupplungen, Bremsen und Schaltgetrieben sind bekannt. Als Beispiele werden hier
DE 10 2007 031 851 und
DE 19547895 genannt.
-
Ebenso bekannt sind elektronisch kommutierte Gleichstrommotore und Transversalflussmotore. Dabei ist es auch bekannt, die zugehörige Ansteuerelektronik mit dem Elektromotor zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen oder diese Elektronik am Stator des Elektromotors zu befestigen
-
Ferner sind Getriebe bekannt, die eine Drehbewegung des Elektromotors in eine Längsbewegung zur Betätigung umwandeln, zum Beispiel Zahnstangengetriebe und Zahnriemengetriebe. Bei letzteren wird die Längsbewegung an einem Trumm abgegriffen. Auch Spindelgetriebe eignen sich für die Umwandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung, aber sie sind aufwendig herzustellen und eignen sich in ihren einfacheren Formen nicht für die hier betrachteten Anwendungen, weil sie selbsthemmend sind.
-
Kombiniert man einen Elektromotor konventioneller Bauart mit einem Zahnstangengetriebe oder mit einem Umschlingungsgetriebe, so ergibt sich in einer senkrecht zur linearen Betätigungsrichtung liegenden Richtung eine erhebliche und dazu unsymmetrische Erstreckung des Stellantriebs, die durch die Länge oder den Durchmesser des Elektromotors bestimmt wird. Wenn man nun mehrere solche Stellantriebe nebeneinander anordnen will, um mehrere Ventile oder andere Aggregate zu betätigen, so macht die unerwünschte erhebliche Baubreite des Stellantriebs in vielen Fällen die Anwendung elektromechanischer Stellantriebe trotz der unbestrittenen Vorteile unmöglich. Daneben ist es bei der Anwendung eines konventionellen Motors und eines Zahnstangengetriebes nur mit erheblichem Bauaufwand möglich, die Betätigungsstange mittig aus der Stirnseite des Gehäuses des Stellantriebs herauszuführen, was aber erforderlich ist, wenn man den Stellantrieb an einem Schieberventil anflanschen will.
-
Daraus ergibt sich die Aufgabenstellung, einen nicht selbsthemmenden elektromechanischen Stellantrieb zu schaffen, der senkrecht zur linearen Betätigungsrichtung nur eine geringe Breite aufweist, und der es ermöglicht, die Betätigungsstange mittig aus der Stirnseite des Gehäuses des Linearantriebs herauszuführen.
-
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
-
Die Aufteilung des Elektromotors in zwei scheibenförmige Baugruppen ermöglicht es, das Getriebe zwischen diesen Scheiben anzuordnen.
-
Um eine hohe Genauigkeit der relativen Lage der beiden Statorteile, der Rotorlager und der Getriebelager zu erreichen, bietet es sich an, diese Bauelemente mit einem gemeinsamen Träger zu verbinden, der im Gehäuse gelagert ist. Bei geringeren Anforderungen an die Lagegenauigkeit oder bei sehr genauer Ausführung des Gehäuses kann man die Statorteile und die Rotorlager auch in den Seitenwänden des Gehäuses lagern.
-
Um für die Statorteile und die Rotorteile möglichst viele Gleichteile verwenden zu können, bietet es sich an, entweder die Statorteile oder die Rotorteile gegeneinander um einen Winkel zu verdrehen, der der halben Polteilung entspricht. Für eine relative Verdrehung der Rotorteile kann sich die Verzahnung des Ritzels eignen, wenn man diese Verzahnung auf der Welle bis in die Lagerung der Rotorteile auf der Welle verbreitert. Dazu muss dann die Zähnezahl der Welle zu der Polzahl des Motors in einem geeigneten Verhältnis stehen.
-
Die Ansteuerelektronik kann vorteilhaft auch in dem Gehäuse des elektromechanischen Linearantriebs untergebracht werden, dazu kann auch der Raum zwischen den scheibenförmigen Motorbaugruppen genutzt werden, soweit er nicht von dem Getriebe und dem genannten Träger beansprucht wird.
-
Liegt ein Teil der Elektronik zwischen den Motorbaugruppen, bietet es sich an, gegebenenfalls notwendige Sensoren zur Erfassung des Motordrehwinkels oder der Lage der Zahnstange auf diesem Teil der Elektronik zu positionieren, damit sie mit den Rotorteilen des Elektromotors oder der Zahnstange zusammenwirken.
-
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auslegung von Linearantrieben ist der Wärmehaushalt sowohl des Elektromotors als auch der Ansteuerelektronik. Dazu bietet die hier beschriebene Bauweise den Vorteil, dass die Statorteile mit den wärmeerzeugenden Wicklungen an die Seitenwände des Gehäuses anliegend positioniert werden können. Das ergibt einen widerstandsarmen Wärmefluss von den Wicklungen zum Gehäuse. Ist aus Gründen der Fertigungs- und Montagetoleranzen ein unmittelbares Anliegen der Statorteile an den Seitenwänden des Gehäuses nicht möglich, so kann man Wärmeleitbleche oder andere wärmeleitende Mittel zwischen den Statorteilen und den Seitenwänden anordnen.
-
Bei sehr hohen Anforderungen an die Ableitung von Wärme oder bei hohen Umgebungstemperaturen sind die genannten Seitenwände mit Kanälen für Kühlflüssigkeit auszuführen. Diese Kühlflüssigkeit ist von dem anzusteuernden Gerät bereitzustellen und in Umlauf zu halten.
-
Auch die Ansteuerelektronik muss Wärme an die Umgebung abgeben, dazu bietet es sich an, einen Teil der Elektronik, der die stärksten Wärmeerzeuger enthält, möglichst großflächig von innen an einer Gehäusewand zu befestigen und damit eine widerstandsarme Wärmeübertragung an das Gehäuse zu bewirken.
-
Für die hier beschriebene Aufgabenstellung sind bei Beibehaltung des erfinderischen Gedankens folgende Abwandlungen möglich:
- – Der Elektromotor kann als Innenläufer oder als Außenläufer ausgeführt sein
- – Der Elektromotor kann ein Radialflußmotor, ein Axialflußmotor oder ein Klauenpolmotor sein
- – Der Elektromotor kann ein durch Permanentmagnete erregter Motor oder ein Reluktanzmotor sein
- – Das Getriebe kann einstufig oder mehrstufig sein, wenn es mehrstufig ist, wird es nur teilweise zwischen den Motorscheiben liegen
- – Das Getriebe kann zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Längsbewegung über eine Zahnstange oder einen Zahnriemen verfügen
- – Die Ansteuerelektronik kann sich in dem Gehäuse des Stellantriebs befinden oder außerhalb
- – Das Gehäuse des Stellantriebs kann allseitig geschlossen sein, teilweise offen, oder auf einen Haltebügel reduziert sein, der den Träger mit dem zu betätigenden Gerät verbindet.
-
Die hier beschriebene Erfindung lässt sich in besonders vorteilhafter Weise anwenden, wenn hydraulische Ventile elektromechanisch betätigt werden sollen. Solche Ventile werden für den Einsatz in fahrenden Arbeitsmaschinen in scheibenförmiger Bauart der Ventilgehäuse ausgeführt, um eine gewisse Zahl von Ventilen kosten- und platzsparend in der Arbeitsmaschine unterzubringen. Die einzelnen Scheiben haben dabei charakteristische Baubreiten von 30, 35 oder 38,1 mm, und es werden zwischen 3 und 10 solcher Ventile aneinandergeflanscht.
-
Will man zur Betätigung solcher Ventile elektromechanische Stellantriebe verwenden, dürfen diese nicht breiter sein, als die Ventilgehäuse, und die hier beschriebene Ausführung des Elektromotors ermöglicht es, die geforderte Baubreite auch für starke und schnelle Stellantriebe einzuhalten.
-
Die mittige Anordnung der Zahnstange ermöglicht eine kostengünstige Anbindung an den Schieber des Hydraulikventils.
-
Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Bauweise des Elektromotors und des Getriebes ist in der Wellenlagerung zu sehen; durch den symmetrischen Aufbau des Motors und den mittigen Kraftangriff am Ritzel ist die radiale Belastung der Wellenlager gering im Vergleich mit der Belastung bei einem konventionell aufgebauten Motor und einer Anordnung des Ritzels außerhalb des Motors.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dazu sind die Schnittbilder 1 bis 3 und die Bezugszeichenliste als Anhang beigefügt.
-
Der gesamte Antrieb ist in einem Gehäuse (1) untergebracht und besteht aus einem Elektromotor (28), einem Getriebe (21) und einer elektrischen Ansteuerung (22). Der Elektromotor (28) ist als Transversalflussmotor mit Permanentmagneten und als Innenläufer ausgeführt und besteht aus zwei Statorteilen (2) und (3), zwei Rotorteilen (4) und (5) sowie einer Welle (6). Diese Welle trägt die beiden Rotorteile und das Ritzel (12) und ist in den beiden Lagern (7) und (8) gelagert. Das Ritzel ist zwischen den Rotorteilen angeordnet.
-
In einer alternativen Ausführung ist das Ritzel Teil der Welle (6). Die beiden Lager (7) und (8) ruhen im Träger (10), der hauptsächlich zwischen den beiden Rotorteilen und den beiden Statorteilen angeordnet ist, wobei die beiden Statorteile (2) und (3) an diesem Träger (10) befestigt sind. Der Träger (10) ist seinerseits am Gehäuse (1) befestigt.
-
Die beiden Statorteile (2) und (3) mit ihren zugeordneten Spulenwicklungen (13) und (14) sind jeweils von einem Statorring (19) und (20) umschlossen.
-
Die beiden Rotorteile (4) und (5) tragen jeweils einen Permanentmagnetring (17) und (18).
-
Das wellenfeste Ritzel (12) überträgt die Leistung des Motors (28) auf die Zahnstange (9), die im Lager (11) längsverschieblich gelagert ist. Ritzel (12) und Zahnstange (9) bilden das Getriebe (21).
-
Im Gehäuse (1) ist auch die Ansteuerelektronik (22) aufgenommen und befestigt, wobei die Ansteuerelektronik (22) den Träger (10) teilweise durchdringt.
-
Die beiden Statorteile (2) und (3) enthalten je eine Spulenwicklung (13), (14) oder jeweils eine Mehrzahl von Spulenwicklungen, die elektrisch mit der Ansteuerelektronik (22) verbunden sind. Damit diese Wicklungen ihre Widerstandswärme an das Gehäuse (1) abgeben können, sind die Statorteile (2) und (3), der Träger (10) und das Gehäuse (1) so bemessen, dass die Statorteiel die Gehäusewandungen mit einer ihrer Seitenflächen berühren. Ist diese Berührung aus Gründen der Herstellgenauigkeit nicht möglich, so werden die Wärmeleitbleche (15) und (16) in den verbleibenden Spalt zwischen den Statorteilen und der Gehäusewand eingefügt.
-
Auch die Ansteuerelektronik (22) muss Wärme an das Gehäuse (1) abgeben, dazu wird ein Teil dieser Elektronik von innen am Gehäuse befestigt, und die vorrangig wärmeabgebenden Bauteile der Elektronik werden in diesem am Gehäuse befestigten Teil untergebracht. Alternativ zu dieser Anordnung sind die wärmeabgebenden Bauteile der Elektronik so angeordnet, dass sie die Statorteile flächig berühren und ihre Wärme an diese abgeben.
-
Ebenfalls am Gehäuse (1) befestigt ist die Steckverbindung (23), die eine Gehäusewandung durchdringt und elektrisch mit der Ansteuerelektronik (22) verbunden ist.
-
Der Antrieb ist mit dem anzutreibenden Gerät (25) dadurch formschlüssig verbunden, dass das Gehäuse (1) über seinen Flansch (26) an dem anzutreibenden Gerät befestigt ist und dass die Zahnstange (9) mit einem zu dem anzutreibenden Gerät gehörenden Schieber (27) so verbunden ist, dass sowohl in Zugrichtung als auch in Druckrichtung Kraft übertragen werden kann. Quer zur Bewegungsrichtung der Zahnstange (9) wird keine Kraft übertragen.
-
Die Lager des Motors (7) und (8) sowie das Lager der Zahnstange (11) sind gekapselt und für ihre Lebensdauer geschmiert. Das Zahnradgetriebe (21) aus Ritzel (12) und Zahnstange (9) ist mit einer für die Lebensdauer ausreichenden Fettschmierung versehen oder ist alternativ durch geeignete Wahl der Werkstoffe ohne Schmierstoff zu betreiben. Das Gehäuse (1) ist nicht mit Schmierstoff gefüllt, sondern mit Luft der Umgebung, daher wird es im Bereich des Flansches (26) gegen das anzutreibende Gerät (25) mittels der Dichtung (28) statisch abgedichtet, sofern das anzutreibende Gerät flüssigkeitsgefüllt ist. Der Schieber (27) muss im anzutreibenden Gerät (25) dynamisch abgedichtet sein.
-
Für die elektrische Ansteuerung sind unterschiedliche Steuerungsarten bekannt. In einer Ausführung wird der Elektromotor sensorlos angesteuert, in einer anderen Ausführung sind Sensoren zur Erfassung des Drehwinkels des Rotors vorgesehen. Diese Sensoren werden auf dem Teil der Platine der Ansteuerung (
22) befestigt, der den Träger (
10) durchdringt und daher in unmittelbarer Nähe zu den Rotorteilen (
4) und (
5) liegt. Bezugszeichenliste
| 1 | Gehäuse | (nicht gezeichnet) |
| 2 | Erster Stator | |
| 3 | Zweiter Stator | |
| 4 | Erster Rotor | |
| 5 | Zweiter Rotor | |
| 6 | Welle | |
| 7 | Erstes Lager | |
| 8 | Zweites Lager | |
| 9 | Zahnstange | |
| 10 | Träger | |
| 11 | Zahnstangenlager | |
| 12 | Ritzel | |
| 13 | Erste Spulenwicklung | |
| 14 | Zweite Spulenwicklung | |
| 15 | Erstes Wärmeleitblech | (nicht gezeichnet) |
| 16 | Zweites Wärmeleitblech | (nicht gezeichnet) |
| 17 | Erster Permanentmagnetring | |
| 18 | Zweiter Permanentmagnetring | |
| 19 | Erster Statorring | |
| 20 | Zweiter Statorring | |
| 21 | Getriebe | |
| 22 | Elektrische Ansteuerung | (nicht gezeichnet) |
| 23 | Stecker | (nicht gezeichnet) |
| 24 | anzutreibendes Gerät | (nicht gezeichnet) |
| 25 | Flansch | (nicht gezeichnet) |
| 26 | Schieber | (nicht gezeichnet) |
| 27 | Dichtung | (nicht gezeichnet) |
| 28 | Elektromotor | |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007031851 [0002]
- DE 19547895 [0002]
