DE102010046159A1

DE102010046159A1 - Spindeltrieb

Info

Publication number: DE102010046159A1
Application number: DE201010046159
Authority: DE
Inventors: Erich Lunz; Markus Mantau; Robby Lipfert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-03-22

Abstract

Spindeltrieb umfassend eine erstes Bauteil in Form einer Gewindespindel und ein zweites Bauteil in Form einer auf der Gewindespindel geführten Mutter, wobei eines der Bauteile lagefest ist und das andere relativ zu diesem drehbar und axial bewegbar ist, sowie umfassend mehrere am lagefesten Bauteil vorgesehene Erregereinrichtungen zum Erzeugen von Magnetfeldern, die auf das bewegbare Bauteil zum Drehen desselben wirken, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gewindespindel und Mutter zwei axial voneinander beabstandete Kugellager vorgesehen sind, die mit einem Ring an der Mutter angeordnet sind und mehrere in einem Käfig gehalterte Kugeln aufweisen, die auf dem Ring und in dem Gewinde der Gewindespindel laufen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindeltrieb umfassend ein erstes Bauteil in Form einer Gewindespindel und ein zweites Bauteil in Form einer auf der Gewindespindel geführten Mutter, wobei eines der Bauteile lagefest ist und das andere relativ zu diesem drehbar und axial bewegbar ist, sowie umfassend mehrere am lagefesten Bauteil vorgesehene Erregereinrichtungen zum Erzeugen von Magnetfeldern, die auf das bewegbare Bauteil zum Drehen desselben wirken.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Spindeltriebe dienen als Stelleinrichtungen oder als Aktoren. Mit ihnen ist es möglich, über das bewegbare Bauteil hochgenaue Bewegungs- oder Stellaufgaben abzuarbeiten. Der Antrieb des beweglichen Bauteils arbeitet auf elektromagnetischem Prinzip, indem Magnetfelder, die über am lagefesten Bauteil vorgesehene Erregereinrichtungen erzeugt werden, mit dem bewegbaren Bauteil zusammenwirken. Der Spindeltrieb weist also quasi einen integrierten elektromagnetischen Antrieb vor, es handelt sich also um einen translatorischen Wälzmotor auf Spindeltriebbasis.
Ein solcher ist beispielsweise aus DD 245090 A1 bekannt. Bei dem dortigen Spindeltrieb ist eine Gewindespindel aus magnetisch gut leitendem Material vorgesehen, sowie um die Spindel herum angeordnete magnetische Erregersysteme, wobei jedes Erregersystem eine Erregerspule, ein Joch und die Gewindespindel umfassende Pole aufweist. Die Polflächen sind als gleich große und gleichmäßig um den Umfang der Gewindespindel angeordnete Sektoren ausgebildet, wobei beispielsweise drei Erregersysteme, die sich zu einem um 360° umlaufenden Gesamtsystem ergänzen, vorgesehen sind. Die Polflächen sind mit durchgehenden Gewinden der gleichen Steigung wie die Gewindespindel versehen. D. h., dass hier ein Eingriff der Erregersysteme mit der Gewindespindel gegeben ist, aus dem ein Abwälzen der Gewindespindel innerhalb des Umfangs, der durch die Polflächen aller Erregersysteme bestimmt wird, resultiert. Die Bewegung erfolgt dadurch, dass bei elektrischer Erregung der einzelnen Erregersysteme ein Magnetfluss durch das Joch und über die Polflächen durch die Gewindespindel erzeugt wird. Hierdurch entsteht eine Magnetkraft, die die Gewindespindel gegen die Pole der Erregersysteme zieht. Die Erregersysteme werden der Reihe nach angesteuert, so dass folglich die Gewindespindel abwechselnd an die jeweils erregten Systeme respektive Polflächen gezogen wird, woraus im Endeffekt die Abwälzbewegung resultiert.
Nachteilig ist hierbei, dass in die Gewindespindel letztlich radiale Auslenkungen erfährt, resultierend aus der jeweiligen Anziehung an die erregten Polflächen, verbunden mit einem echten mechanischen Abwälzen an den Gewindeabschnitte aufweisenden Polflächen. Eine hochpräzise Stellbewegung lässt sich hierdurch nicht erreichen. Auch bauen die Erregersysteme radial gesehen beachtlich auf, da die Spulen radial außen liegend zu den weit nach innen gezogenen Polflächen mit den Gewindeabschnitten angeordnet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Spindeltrieb der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine exakte Führung der Mutter an der Spindel gegeben ist, bei gleichzeitiger Möglichkeit, den Spindeltrieb kleinbauend auszulegen.
Zur Lösung dieses Problem ist bei einem Spindeltrieb der eingangsgenannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen Gewindespindel und Mutter zwei axial voneinander beabstandete Kugellager vorgesehen sind, die mit einem Ring an der Mutter angeordnet sind und mehrere in einem Käfig gehalterte Kugeln aufweisen, die auf dem Ring und in dem Gewinde der Gewindespindel laufen.
Bei dem erfindungsgemäßen Spindeltrieb ist eine Kugelringlagerung der Mutter auf der Spindel vorgesehen. Diese wird über die beiden zwischen Gewindespindel und Mutter vorgesehenen Kugellager realisiert, die die einzigen Lagerstellen bilden, über die die Mutter und die Gewindespindel miteinander in Verbindung stehen. Beide Kugellager sind axial zueinander beabstandet, wobei die Kugellager bevorzugt an beiden Enden der Mutter angeordnet sind. Mit ihren käfiggeführten Kugeln greifen sie in die Gewindegänge der Spindel ein, so dass eine weitestgehend reibungsfreie Lagerung gegeben ist, die sicherstellt, dass tatsächlich nur eine Relativbewegung von Mutter zur Gewindespindel exakt entlang der Spindelachse möglich ist.
Nachdem die Lagerung nur in den beiden Ebenen der Kugelringe gegeben ist, die voneinander beabstandet und bevorzugt an den Mutterenden positioniert sind, ist ersichtlich im Bereich zwischen den Kugellagern axial gesehen ein beachtlicher Bauraum gegeben, der die Integration der Erregereinrichtungen in diesem Bereich ermöglicht. Diese können folglich kleinbauend ausgeführt und an der Mutter verbaut werden. D. h., dass folglich die Erregersysteme respektive die Mutter auch entsprechend kleinbauend ausgeführt werden kann.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich auch grundsätzlich eine Integration der Erregersysteme an der Gewindespindel möglich ist, die dann jedoch im Inneren der hohlzylindrischen Spindel anzuordnen wären, während die Kugellager nach wie vor mutterseitig verbaut sind. Bei dieser Erfindungsausgestaltung wäre also dann die Gewindespindel das lagefeste Bauteil, während die Mutter das bewegliche Bauteil ist. Befinden sich wie bei der vorbeschriebenen Ausführungsform die Erregersysteme an der Mutter, so wäre die Mutter das lagefeste Bauteil und die Gewindespindel das bewegliche Bauteil.
Insgesamt sind bei dem erfindungsgemäßen Spindeltrieb Maßnahmen vorgesehen, die eine exakte, hochgenaue und reibungs- und verschleißfreie Führung der beiden Bauteile relativ zueinander und daraus resultierend einen hochgenauen Stellbetrieb erlauben, wie der Spindeltrieb auch radial gesehen kleinbauend ausgelegt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung liegen die Kugeln in einer gemeinsamen, senkrecht auf der Längsachse des Spindeltriebs stehenden Ebene, wobei die Anzahl der Kugeln der Anzahl der separaten Gänge des Gewindes des bewegbaren Bauteils entspricht. Bevorzugt sind mindestens drei Kugeln pro Kugellager vorgesehen. D. h., dass einfache Kugelringe als Kugellager verwendet werden, wobei die Ringebene orthogonal auf der Spindellängsachse steht. Jede Kugel läuft in einem separaten Gewindegang. Kommen drei äquidistant um 120° voneinander beabstandet am Käfig angeordnete Kugeln zum Einsatz, d. h., ist quasi eine 3-Punkt-Lagerung realisiert, so sind folglich drei separate Gewindegänge an der Gewindespindel vorgesehen.
Um für eine sichere Magnetfeldkopplung zu sorgen und gleichzeitig die Möglichkeit zu bieten, hinreichende Kräfte und daraus resultierend hinreichend Drehmomente übertragen zu können sieht eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung vor, dass an beiden Bauteilen zueinander gerichtete Zahnabschnitte vorgesehen sind, die um den jeweiligen Bauteilumfang äquidistant verteilt und zum anderen Bauteil vorspringend angeordnet sind. D. h., dass spindel- und mutterseitig jeweils einander gegenüberliegend Verzahnungen ausgebildet sind, über die je nach Anordnung der Erregersysteme der Magnetfluss geführt wird.
Die bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindeltriebs sieht vor, die Gewindespindel als einstückiges Bauteil auszuführen und die Erregersysteme an der Mutter zu integrieren. In diesem Fall sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die an der Gewindespindel vorgesehene Zahnabschnitte unmittelbar an der Gewindespindel selbst ausgebildet sind, während die an der Mutter vorgesehenen Zahnabschnitte an den dort integrierten Erregersystemen ausgebildet sind. Die Erregersysteme sind Teil der Mutter, sie sind fest an bzw. in ihr integriert. Sie bestehen aus einer Ringspulenwicklung, die in einem entsprechenden Spulenhalter aus magnetisch leitfähigem Material, der jochartig ausgebildet ist, aufgenommen ist. An diesem ringförmigen Halter sind nun gemäß dieser Erfindungsausgestaltung die Zahnabschnitte ausgebildet. Grundsätzlich denkbar wäre es aber auch, die Mutter selbst entsprechend mit radial gesehen am Innenumfang liegenden Zähnen auszubilden, und die einzelnen Ringspulen unmittelbar um die Mutter unmittelbar zu wickeln.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, zur Bildung der Zahnabschnitte an der Gewindespindel vorzugsweise achsparallel zur Längsachse der Gewindespindel verlaufende Nuten in die Gewindeflanken der Gewindespindel unter Bildung schraubenförmiger Reihen von Zahnköpfen einzubringen. D. h., dass die mit den mehreren einzelnen Gewindegängen versehene Gewindespindel zusätzlich mehrfach längsgenutet wird, so dass sich an den außen liegenden Seiten der Gewindeflanken die entsprechenden Zahnköpfe ausbilden. Je mehr Längsnuten eingebracht werden, umso enger ist die Zahnkopfteilung, wobei natürlich diese Teilung in entsprechender Weise an den Zahnabschnitten der Mutter ebenfalls abgebildet ist. Dies deshalb, damit definierte Überdeckungsverhältnisse der einzelnen Erregersysteme zu den in ihrem Wirkbereich liegenden Zahnabschnitten der Gewindespindel gegeben sind.
An jedem Erregersystem selbst sind in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung zwei über einen radial umlaufenden Spalt voneinander getrennte Reihen von Zahnabschnitten vorgesehen, wobei der Magnetfluss über die an der Gewindespindel ausgebildeten Zahnabschnitte, insbesondere die dortigen Zahnköpfe geschlossen ist. D. h., dass der ringförmige Halter respektive das Gehäuse eines jeden Erregersystems quasi als ringförmiges Joch ausgebildet ist, das an seiner Innenseite zwei Reihen separater Zahnabschnitte, die jeweils einen Polkopf bilden, aufweist. Diese beiden Polköpfe bzw. sämtliche Polkopfpaare der einzelnen Erregersysteme, von denen natürlich mutterseitig mehrere vorgesehen sind, liegen folglich den entsprechenden Zahnköpfen der Gewindespindel gegenüber, so dass sich lokal gesehen eine Vielzahl einzelner geschlossener Magnetkreise ergibt.
Die Stirnfläche zwei benachbarter Polköpfe ist in Weiterbildung der Erfindung derart bemessen, dass sie jeweils stets die gleiche Fläche gegenüberliegender Zahnabschnitte, insbesondere Zahnköpfe übergreifen. D. h., dass zwei benachbarte Polköpfe eines Erregersystems in jeder Relativposition von Mutter zu Spindel immer dieselbe Fläche an gegenüberliegenden Zahnabschnitt- oder Zahnkopfoberseiten übergreifen, so dass folglich die Fläche, über die der vom Erregersystem kommende Magnetfluss eingekoppelt wird, dieselbe Fläche ist, über die der Magnetfluss von der Gewindespindel zum Erregersystem wieder ausgekoppelt wird. D. h., dass eine homogene Kraft- und Momentenübertragung möglich ist.
In Weiterbildung der Erfindung sind drei umfangsmäßig versetzt angeordnete und separat ansteuerbare Erregersysteme vorgesehen, d. h., dass hierüber ein 3-Phasen-Antrieb realisiert ist. Selbstverständlich sind axial gesehen nicht nur drei einzelne Erregersysteme vorgesehen, vielmehr können an jeder Umfangsposition auch mehrere simultan anzusteuernde Erregersysteme axial versetzt angeordnet seien. Beispielsweise sind insgesamt neun Erregersysteme vorgesehen, von denen drei an einer ersten Umfangsposition, drei an einer zweiten Umfangsposition und drei an einer dritten Umfangsposition angeordnet sind, wobei die Erregersysteme jeweils einer Umfangsposition stets simultan angesteuert werden. Die unterschiedlichen Erregersysteme sind bevorzugt um jeweils 1/3 des Winkelabstands zwei umfangmäßig benachbarter Zahnabschnitte, also der Zahnköpfe zueinander versetzt angeordnet. Werden folglich die an den unterschiedlichen Umfangspositionen angeordneten Erregersysteme der Reihe nach zu- und abgeschaltet, so wird die Gewindespindel quasi mit jedem neu zugeschalteten Erregersystem von einem umfangsmäßig versetzt erzeugten neuen Magnetfeld aufgrund der Wechselwirkung zu den benachbarten spindelseitigen Zahnabschnitten angezogen, so dass es folglich zwangsläufig zu einer Drehbewegung kommt. Je kleiner der Winkelabstand zweier spindelseitig vorgesehener Zahnabschnitte und folglich auch der erregersystemseitig vorgesehenen Polköpfe ist, umso größer ist das übertragbare Drehmoment und die übertragbaren respektive wirkenden Kräfte.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Spindeltriebs in einer vereinfachten Darstellung zur Erläuterung der Gewindespindellagerung;
2 eine vergrößerte Teilschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Spindeltrieb;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Erregersystems und der Gewindespindel zur Darstellung der Zahnabschnitte, in einer Teilansicht;
4 eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt durch ein Erregersystem und die Gewindespindel.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt in Form eine Prinzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Spindeltrieb 1, umfassend eine Gewindespindel 2, die aus Übersichtlichkeitsgründen hier nur als einfache Gewindespindel ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen Zahnabschnitte gezeigt ist. Eine zu verwendende Gewindespindel ist beispielsweise in 2 im Detail gezeigt. Die Gewindespindel 2 weist drei separate Gewindegänge 3a, 3b und 3c auf, die jeweils gleiche Steigung besitzen.
Der Spindeltrieb 1 umfasst ferner eine Mutter 4, umfassend ein Gehäuse 5, das beliebiger Form sein kann. An den beiden Mutterenden 6 ist jeweils ein ein Kugellager bildender Kugelring 7 angeordnet, bestehend aus einem Außenring 8, der drehfest mit dem Muttergehäuse 5 verbunden ist. Der Außenring 8 weist eine Kugelllaufrille 9 auf, in der im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Kugeln 10, die in einem Käfig 11 gehaltert sind, laufen. Die Drehebene des Kugelrings 7 steht orthogonal auf der Längsachse der Gewindespindel 2. Die drei Kugeln greifen jeweils in einen der Gewindegänge 3a, 3b, 3c. D. h., dass die Steigung der drei Gewindegänge 3a, 3b, 3c so bemessen ist, dass jeweils exakt eine Kugel 10, die am Käfig 11 um 120° zueinander beabstandet angeordnet sind, eingreift. Über diese Kugelllagerung ist folglich eine Relativdrehbarkeit der Gewindespindel 2 zur Mutter 4 möglich. Bei einer Drehung verschiebt sich die Gewindespindel auch axial relativ zur Mutter 4, resultierend aus den in den Gewindegängen 3a, 3b, 3c laufenden Kugeln 10. Diese wälzen sowohl in den Gewindegängen 3a, 3b, 3c als auch der Laufrille 9 des Außenrings 8 ab.
Aufgrund der Anordnung der Kugelring 7 an den Enden der Mutter 4 respektive des Gehäuses 6 ergibt sich folglich zwischen den beiden Kugelring 12 ein radialer Ringraum, in dem bei dem erfindungsgemäßen Spindeltrieb 10 mehrere parallel angeordnete Erregersysteme 13 angeordnet sind, die ringförmig aufgebaut sind und die nachfolgend in den 2–4 näher beschrieben sind. Die einzelnen Erregersysteme, von denen im gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt sechs vorgesehen sind, dienen dazu, bei entsprechender separater Bestromung der integrierten Spulen Magnetfelder zu erzeugen, die mit der Gewindespindel 2 Wechselwirken und aufgrund der konkreten Spindelausbildung mit den Zahnabschnitten und einer entsprechenden Ausbildung der Erregersysteme 13 mit entsprechenden Zahnabschnitten, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, eine die Gewindespindel 2 drehende Kraft auf die Spindel ausgeübt wird, allein resultierend aus der Kopplung über die erzeugten Magnetfelder, nachdem der Magnetfluss von den Erregersystemen 13 durch die Spindel zurück zu den Erregersystemen läuft.
2 zeigt den Spindeltrieb 1 aus 1, wobei hier aus Gründen der Übersichtlichkeit die beiden Kugelringe 7 der Mutter hier nicht gezeigt sind, wohl aber die konkrete Ausgestaltung der Gewindespindel 2. Diese weist eine Vielzahl von parallel zur Spindellängsachse verlaufenden Längsnuten 14 auf, die durch die Gewindeflanken 15, über die die einzelnen Gewindegänge 3a, 3b, 3c voneinander getrennt sind, laufen. Dies führt zur Ausbildung von Zahnabschnitten 16, die als Zahnköpfe in schraubenförmigen Reihen um die Gewindespindel 2 laufen. In Richtung der Längsachse gesehen liegen folglich die einzelnen Zahnabschnitte 16 der hintereinander liegenden Gewindeabschnitte allesamt exakt fluchtend hintereinander. Die Anzahl der Nuten 14 bestimmt die Teilung, also den Teilungswinkel. Beispielsweise wird bei einem Gewindedurchmesser von 38 mm ein Nutabstand von 8 mm vorgesehen, die Nutbreite wird beispielsweise derart gewählt, dass sich ein Teilungswinkel von 9° ergibt, so dass sich insgesamt vierzig Zahnabschnitte bezogen auf eine 360° Drehung ergeben.
In entsprechender Weise sind auch die einzelnen Erregersysteme 13 mit Zahnabschnitten versehen, was sich insbesondere aus 3 und 4 ergibt. Jedes Erregersystem besteht aus einer Spule 17 in Ringform, die in einem Spulenhalter 18 aus flussleitendem Material aufgenommen ist. Querschnittlich gesehen ist der Spulenhalter quasi C-förmig ausgeführt, d. h., er umgreift die Spule 17 radial außenseitig, an den beiden Stirnseiten sowie abschnittsweise auch im Bereich der Innenseite. In diesem Bereich ist ein radial umlaufender Spalt 19 vorgesehen, sowie eine Vielzahl parallel zur Längsachse verlaufender Nuten 20, so dass sich, siehe die 3 und 4 an der Innenseite der Erregersysteme, also der Seite, die zur Spindel 2 gerichtet ist, ebenfalls eine Zahnstruktur ergibt, wobei jeweils zwei in der Längsachse fluchtend nebeneinander liegende Zahnabschnitte 21, Polköpfe bilden, vorgesehen sind. Aufgrund dieser Ausgestaltung bildet also der Spulenhalter 18 quasi ein Joch, das flussführend wirkt.
Wie sich aus 3 ergibt, ist folglich auch an den Erregersystemen 13 eine entsprechende Zahnstruktur ausgebildet. Die Teilung, die dort realisiert ist, entspricht exakt der Teilung der Zahnabschnitte 16 der Gewindespindel 2, so dass folglich konstante, reproduzierbare Überdeckungsverhältnisse gegeben sind.
Insgesamt sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sechs Erregersysteme 13 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um insgesamt drei Paare von Erregersystemen, die jeweils separat angesteuert werden können. Beispielsweise sind hier die beiden Erregersysteme 13a, die beiden Erregersysteme 13b und die beiden Erregersysteme 13c vorgesehen, die jeweils abwechselnd versetzt angeordnet sind. Dabei sind die jeweiligen Erregersystempaare auf unterschiedlichen Umfangspositionen relativ zur Gewindespindel 2 angeordnet. Die beiden Erregersysteme 13a sind auf einer ersten Umfangsposition angeordnet. Um ein Drittel des Teilungsabstands hierzu versetzt sind die beiden Erregersysteme 13b angeordnet. Um ein weiteres Teilungsdrittel versetzt sind die beiden Erregersysteme 13c positioniert. D. h., dass die jeweiligen Zahnabschnitte 19 der jeweiligen Erregersysteme bzw. Erregersystempaare eine unterschiedliche Relativ- oder Grundposition bezüglich der Zahnabschnitte 16 der Gewindespindel 2 besitzen.
Im Betrieb werden nacheinander die einzelnen Erregersystempaare angesteuert, um die Spindel 2 zu drehen. Wird ein Erregersystem angesteuert, so fließt Strom durch die Spule 17, es kommt zur Erzeugung eines Magnetfelds. Der magnetische Fluss fließt über den einen Zahnabschnitt 21 des jeweiligen Erregersystems in den benachbarten Zahnabschnitt 16 der Gewindespindel 2, fließt zum wiederum benachbarten Zahnabschnitt 16 der Gewindespindel 2 und von dort in den entsprechend gegenüberliegenden Zahnabschnitt 21 des erzeugenden Erregersystems 13. D. h., das Erregersystem 13 und die Gewindespindel 2 sind folglich über die Vielzahl der erzeugten Magnetfelder, die ja über jedes Zahnabschnittspaar 21 zu den darunterliegenden Zahnabschnitten 16 einkoppeln, magnetisch miteinander gekoppelt.
Liegen nun die Zahnabschnitte 21 nicht deckungsgleich über den Zahnabschnitten 16, so kommt es infolge der über die Kugelringe 7 realisierten beweglichen Lagerung der Gewindespindel 2 dazu, dass sich diese derart verdreht, dass die Zahnabschnitte 21 und 16 deckungsgleich übereinander liegen, resultierend aus dem über die Magnetfelder eingekoppelten oder angelegten Drehmoment.
Da wie bereits beschrieben die Erregersystempaare 13a, 13b und 13c jeweils um ein Drittel Teilung umfangsmäßig versetzt angeordnet sind, ergeben sich hieraus, bei getakteter Bestromung der Erregersysteme 13a, 13b und 13c, wenn also die jeweiligen Paare in einem vorbestimmten Zeitverhältnis getaktet hintereinander bestromt werden, folglich stets umfangsmäßig versetzt liegende Magnetfelder. D. h., dass bei Bestromung der Erregersysteme 13a die Spindel 2 um ein Drittel Teilungswinkel gedreht wird. Wird nun anschließend nach Abschalten dieser Erregersysteme das Erregersystem 13b bestromt, so dreht die Spindel wiederum um ein Drittel Teilungswinkel. Nach Abschalten der Bestromung der Erregersysteme 13b und Zuschalten der Erregersysteme 13c dreht die Gewindespindel 2 erneut um ein Drittel Teilungswinkel. Hieraus kann also durch getaktete Bestromung der einzelnen Erregersysteme eine beliebige Drehung der Gewindespindel 2 realisiert werden. Da drei unterschiedliche Erregersysteme respektive Erregersystempaare vorgesehen sind, ist folglich ein dreipoliger Aufbau realisiert. Aufgrund der Steigung der einzelnen Gewindegänge 3a, 3b, 3c und der Führung der Gewindespindel 2 in der Mutter 4 über die Kugelringe 7 kommt es folglich bei der Spindeldrehung zu einer Axialbewegung der Spindel 2 relativ zur Mutter 4, die das lagefeste Bauteil ist. D. h., dass in Anwendung des beschriebenen elektromotorischen Prinzips (Prinzip der Transversalflussmaschine) eine hochexakte, momentenstarke Spindelstellung möglich ist.
Die Gesamtfläche zweier in Längsachsrichtung nebeneinander liegender Zahnabschnitte 21 eines jeden Erregersystems 13 ist dabei so bemessen, dass unabhängig von der Relativposition der Gewindespindel 2 zum Erregersystem jeder Zahnabschnitt 21 dieselbe Zahnfläche darunterliegender Zahnabschnitte 16 der Gewindespindel 2 übergreift. Diese Zahnfläche kann auch von zwei übergriffenen, über einen Gewindegang getrennter Zahnabschnitte 16 gebildet sein, je nach Stellung der Gewindespindel 2. Hieraus resultiert, dass die Einkoppelfläche für das Magnetfeld an beiden Zahnübergängen stets gleich ist. Dies gilt unabhängig von der Relativposition der Gewindespindel 2 zum jeweiligen Erregersystem und gilt für jedes Erregersystem. Dies ist exemplarisch in 4 gezeigt. Dort übergreift ersichtlich der rechte Zahnabschnitt 21 nur einen Zahnabschnitt 16 der Gewindespindel 2, während der linke Zahnabschnitt 21 zwei Zahnabschnitt 16 der Gewindespindel 2 übergreift, jedoch nur teilweise.
Die Dimensionierung des Spindeltriebs 1 kann beliebig sein. Lediglich beispielhaft kann der Gewindedurchmesser beispielsweise 38 mm betragen, der Nutabstand 8 mm bei einem Teilungswinkel von 9° und einer resultierenden Polzahl von 40. Das Spindelmaterial wie auch das Mutter- bzw. Jochmaterial kann beispielsweise 100 Cr6 sein, jedoch sind auch andere Materialien verwendbar, solange sie flussführend sind.
Wenngleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zur Bildung der Zahnabschnitte 16 längsachsparallele Nuten eingebracht sind, und die Erregersysteme orthogonal zu diesen Nuten 14 respektive der Längsachse stehen, ist es grundsätzlich auch denkbar, schraubenförmig gewundene Nuten 14 zu bilden, und die entsprechenden Erregersysteme ebenfalls schraubenförmig im Hohlraum 12 zu führen. Denn dem Antriebskonzept liegt grundlegend die Überlegung zugrunde, sowohl mutterseitig, also erregersystemsseitig, als auch spindelseitig entsprechende Zahnabschnitte auszubilden, über die die Führung des Magnetflusses und folglich die Krafteinleitung respektive Wechselwirkung erfolgt. Den Ausgestaltungen gemein ist folglich die Integration eines Reluktanzmotorprinzips respektive das Antriebsprinzip einer Transversalflussmaschine.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei Kugelringe 7 vorgesehen. Es ist aber auch denkbar, zur Erhöhung der Tragfähigkeit zwei Kugelring 7 parallel an den jeweiligen Enden anzuordnen. Hierdurch reduziert sich zwar etwas die axiale Hohlraumlänge, d. h., die Spindelmutter wäre gegebenenfalls axial etwas länger auszuführen, jedoch steigt die Tragfähigkeit und daraus die Belastbarkeit entsprechend.
Wenngleich das beschriebene Ausführungsbeispiel einen Spindeltrieb zeigt, bei dem die Mutter 4 das lagefeste Bauteil und die Gewindespindel 2 das bewegliche, zu stellende Bauteil ist, kann grundsätzlich der Aufbau auch umgekehrt sein. In diesem Fall wäre eine Hohlspindel zu verwenden, die gleichermaßen über entsprechende Zahnabschnitte außenseitig konturiert ist, wie beispielsweise in 2 gezeigt. In die Hohlspindel werden an definierten Positionen die verschiedenen Erregersysteme eingesetzt. D. h., die Felderzeugung erfolgt nunmehr spindelseitig.
Die Mutter weist wiederum die Kugelringe auf, im auch hier vorgesehenen Hohlraum befinden sich dann jedoch lediglich entsprechende innenverzahnte, der Flussführung dienende Ringe, die fest mit dem Mutterngehäuse verbunden sind und durch die der die Drehbewegung erwirkende Magnetfluss erfolgt.
Grundsätzlich kann zusätzlich ein Positionserfassungssystem umfassend einen oder mehrere Sensoren vorgesehen sein, das die Relativposition der Mutter zur Spindel erfasst und mit der Steuerungseinrichtung kommuniziert, die in Abhängigkeit der Positionserfassungsinformationen die Ansteuerung der Spulen und damit die Magnetfelderzeugung steuert. Aus der Positionsinformation kann abgeleitet werden, welche Ansteuerung vorzunehmen ist, um die Zielposition zu erreichen. Auch können Zwischenpositionen durch synchrone Ansteuerung mehrere Spulengruppen eingenommen werden. Ferner kann auf etwaige Schrittfehler oder Positionierungsfehler steuerungsseitig reagiert werden, so dass man sich im Betrieb der maximalen Start-Stopp-Frequenz nähern kann.
Bezugszeichenliste

1: Spindeltrieb
2: Gewindespindel
3a: Gewindegang
3b: Gewindegang
3c: Gewindegang
4: Mutter
5: Gehäuse
6: Mutterende
7: Kugelring
8: Außenring
9: Kugellaufrille
10: Kugel
11: Käfig
12: Kugelring
13: Erregersystem
13a: Erregersystem
13b: Erregersystem
13c: Erregersystem
14: Längsnut
15: Gewindeflanke
16: Zahnabschnitt
17: Spule
18: Spulenhalter
19: Spalt
20: Nut
21: Zahnabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 245090 A1 [0003]

Claims

Spindeltrieb umfassend eine erstes Bauteil in Form einer Gewindespindel und ein zweites Bauteil in Form einer auf der Gewindespindel geführten Mutter, wobei eines der Bauteile lagefest ist und das andere relativ zu diesem drehbar und axial bewegbar ist, sowie umfassend mehrere am lagefesten Bauteil vorgesehene Erregereinrichtungen zum Erzeugen von Magnetfeldern, die auf das bewegbare Bauteil zum Drehen desselben wirken, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gewindespindel (2) und Mutter (4) zwei axial voneinander beabstandete Kugellager (7) vorgesehen sind, die mit einem Ring (8) an der Mutter (4) angeordnet sind und mehrere in einem Käfig (9) gehalterte Kugeln (10) aufweisen, die auf dem Ring (8) und in dem Gewinde (13a, 13b, 13c) der Gewindespindel (2) laufen.
Spindeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (10) in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht auf der Längsachse des Spindeltriebs (1) steht, liegen, wobei die Anzahl der Kugeln (10) der Anzahl an separaten Gängen (13a, 13b, 13c) des Gewindes der Gewindespindel (2) entspricht.
Spindeltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Kugeln (10) pro Kugellager (7) vorgesehen sind.
Spindeltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellager (7) an den beiden Enden (6) der Mutter (4) angeordnet sind.
Spindeltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Bauteilen zueinander gerichtete Zahnabschnitte (16, 21) vorgesehen sind, die um den jeweiligen Bauteilumfang äquidistant verteilt und zum anderen Bauteil vorspringend angeordnet sind.
Spindeltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Gewindespindel (2) vorgesehenen Zahnabschnitte (16) unmittelbar an der Gewindespindel (2) selbst ausgebildet sind, während die an der Mutter (4) vorgesehenen Zahnabschnitte (21) an den dort integrierten Erregersystemen (13, 13a, 13b, 13c) ausgebildet sind.
Spindeltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der spindelseitigen Zahnabschnitte (16) vorzugsweise achsparallel verlaufend Nuten (14) in die Gewindeflanken (15) der Gewindespindel (2) unter Bildung schraubenförmiger Reihen von Zahnköpfen eingebracht sind.
Spindeltrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Erregersystem (13, 13a, 13b, 13c) zwei über einen radial umlaufenden Spalt (19) voneinander getrennte Reihen von Zahnabschnitten (21), Polköpfe bildend, vorgesehen sind, wobei der Magnetfluss über die an der Gewindespindel (2) ausgebildeten Zahnabschnitte (16), insbesondere die Zahnköpfe geschlossen ist.
Spindeltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche zweier benachbarter Polköpfe (21) derart bemessen ist, dass sie jeweils stets die gleiche Fläche gegenüberliegender Zahnabschnitte (16), insbesondere Zahnköpfe übergreifen.
Spindeltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei umfangsmäßig versetzt angeordnete und separat ansteuerbare Erregersysteme (13a, 13b, 13c) oder Erregersystemgruppen vorgesehen sind.
Spindeltrieb nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Erregersysteme (13a, 13b, 13c) um jeweils 1/3 des Winkelabstands zweier umfangsmäßig benachbarter Zahnabschnitte (16), insbesondere Zahnköpfe zueinander versetzt sind.