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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere zum Einsatz in Fahrzeugen, beispielsweise für eine elektromechanische Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
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In Kraftfahrzeugen werden heutzutage häufig elektromechanische Lenkungen eingesetzt, bei welchen eine Lenkbewegung eines Fahrzeugs durch einen mit der Lenkung gekoppelten Elektromotor unterstützt wird. Herkömmlicherweise werden hierzu häufig so genannte Kugelgewindetriebe eingesetzt. Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der
DE 10 2009 037 872 A1 , der
DE 10 2009 058 612 A1 , der
DE 10 2008 049 116 A1 oder der
EP 2 192 023 A1 bekannt. Derartige Anordnungen sind manchmal in akustischer und/oder haptischer Sicht nicht optimal.
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Aus der
WO 2008/080661 A1 , der
DE 37 04 412 A1 oder der
EP 0 612 651 A1 sind Elektromotoren bekannt, bei welchen eine Hohlwelle zur Rotation angetrieben wird, welche zum Beispiel über ein Innengewinde mit einer Zahnstange einer Lenkung gekoppelt ist. Hierfür ist es notwendig, ein entsprechendes mit der Hohlwelle verbundenes Innengewinde bereitzustellen, welches wiederum mit der Zahnstange gekoppelt ist.
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Im Hinblick auf den oben diskutierten Stand der Technik und die auftretenden Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor bereitzustellen, welcher kompakt ist und mit welchem auf einfache Weise eine Linearbewegung erzeugt werden kann, die beispielsweise für elektromechanische Lenkungen geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele sowie eine Lenkeinrichtung mit einem derartigen Elektromotor.
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Erfindungsgemäß wird ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend:
einen Stator und
einen Rotor, wobei der Rotor mit dem Stator derart in Eingriff steht, dass der Rotor bei einer Drehbewegung zusätzlich eine Translationsbewegung ausführt.
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Bei einem derartigen Elektromotor sind Rotor und Getriebe zum Umsetzen einer Drehbewegung des Rotors in eine Translationsbewegung gleichsam in einem Bauteil kombiniert.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Rotor beispielsweise eine spiralförmige Rippe, welche mit einer entsprechenden spiralförmigen Aufnahme im Stator in Eingriff steht. Die Rippe kann dabei beispielsweise auf einer Rotorwelle, beispielsweise einer Hohlwelle, aufgebracht sein. Auch die umgekehrte Anordnung, d. h. eine spiralförmige Aufnahme im Rotor mit einer entsprechenden spiralförmigen Rippe am Stator ist grundsätzlich möglich.
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Der Rotor kann beispielsweise Permanentmagnete umfassen, so dass der Elektromotor als Synchronmotor arbeiten kann. Die Rippe kann auch eine bloße Metallschiene sein, wobei der Elektromotor in diesem Fall beispielsweise als Asynchronmaschine beschrieben werden kann. Der Rotor kann auch anisotrophisch aufgebaut sein, und der Elektromotor kann als Reluktanzmaschine arbeiten.
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Der Rotor bzw. die oben erwähnte Rotorwelle kann über entsprechende Lager mit einer Zahnstange oder einem anderen zu bewegenden Element gekoppelt sein. Im Falle einer als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle kann das zu bewegende Element innerhalb der Hohlwelle verlaufen und beispielsweise über Pendelrollenlager oder Radiaxlager mit der Rotorwelle gekoppelt sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Zahnstange oder ein anderes zu bewegendes Element über entsprechende Lager als Fortsetzung der Welle angeordnet sein.
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Das zu bewegende Element kann dabei insbesondere bei Anwendungen in einer Fahrzeuglenkung eine Zahnstange sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Perspektivansicht eines auf einer Rotorwelle aufgebrachten Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine Seitenansicht der Anordnung von 1,
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3 einen Elektromotor gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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4 eine Seitenansicht eines Stators des Elektromotors der 4,
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5 eine alternative Ausgestaltung eines Stators gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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6 einen Elektromotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
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7 eine Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, wobei zu bemerken ist, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich zur Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, solange nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Ausführung der Erfindung notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Elektromotoren, bei welchen eine Rotationsbewegung eines Rotors gleichzeitig eine Transversalbewegung des Rotors erzeugt, ohne dass ein separates Getriebe vorgesehen ist. Derartige Elektromotoren sind insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, beispielsweise für den Einsatz in einer elektromechanischen Lenkung eines Kraftfahrzeugs, verwendbar.
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In 1 ist ein Rotor 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel, welcher auf einer Rotorwelle 10 angebracht ist, in Perspektivansicht dargestellt. 2 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung der 1.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 umfasst der Rotor eine spiralförmige Rippe 11, welche wie dargestellt auf der Rotorwelle 10 aufgebracht ist, wobei die Rotorwelle 10 in diesem Fall als Hohlwelle ausgestaltet ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Rippe
11 eine metallische Schiene sein. Insbesondere wird bei manchen Ausführungsbeispielen der Rotor nur durch die metallische Schiene
11 gebildet. Derartige Rotoren sind insbesondere zum Einsatz in Asynchronmaschinen geeignet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Permanentmagnete in die Rippe
11 eingebaut sein, wie durch einen Permanentmagneten
12 in
1 angedeutet. Ein derartiger Rotor eignet sich dann insbesondere zur Verwendung in einem Synchronmotor, wie beispielsweise in der
DE 21 167 24 A1 beschrieben. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen ist die Rippe
11 durch Modifikationen wie Löcher oder Zahnungen, wie durch ein Loch
13 in
1 symbolisiert, anisotroph aufgebaut. Ein derartiger Rotor eignet sich dann insbesondere zum Einsatz in einer geschalteten Reluktanzmaschine.
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Die Anzahl und Dichte der Windungen der Rippe 11 um die Rotorwelle 10 ist im Wesentlichen beliebig und hängt beispielsweise von einer gewünschten Verstellgeschwindigkeit einer Translationsbewegung in transversaler Richtung und/oder einem gewünschten Verstellweg in transversaler Richtung, d. h. in Längsrichtung der Rotorwelle 10, ab.
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In 3 ist ein Elektromotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 4 zeigt zusätzlich eine Querschnittsansicht eines Stators des Elektromotors der 3.
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Der Elektromotor 3 umfasst einen auf einer als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 10 aufgebrachten Rotor 11 mit einer spiralförmigen Rippe wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. Der als spiralförmige Rippe ausgebildete Rotor steht mit entsprechenden Aufnahmen zwischen Statorelementen 32 wie in 3 dargestellt in Eingriff, wobei um die Statorelemente 32 Wicklungen 33 von elektrisch leitendem Material, beispielsweise Drahtwicklungen, aufgebracht sind, so dass durch einen Stromfluss durch die Wicklungen ein entsprechendes elektrisches Feld zum Antreiben des Rotors erzeugt werden kann. Die Statorelemente 32 sind an einem Statorrücken 31 befestigt. Wie insbesondere in der Querschnittsansicht der 4 zu erkennen, ist der Statorrücken 31 als Hohlrohr ausgebildet, und die Statorelemente 32 mit den Wicklungen 33 sind dann entsprechend spiralförmige innerhalb des Statorrückens 31 angeordnet, um so die entsprechenden Aufnahmen für den Rotor zwischen den einzelnen Statorelementen 32 wie in 3 dargestellt zu bilden. In einem Hohlraum 40 der 4 befinden sich dann der Rotor 11 und die Rotorwelle 10 wie in 3 dargestellt.
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Um ein möglichst reibungsloses Gleiten des Rotors in den zwischen den Statorelementen
32 gebildeten Aufnahmen zu ermöglichen, können geeignete Lager vorgesehen sein. Die Lagerung des Rotors in den Aufnahmen des Stators kann dabei beispielsweise durch Wälzlager oder durch Magnetlager mit mechanischer Rückfallebene wie beispielsweise in entsprechender Weise in der
DE 10 2009 017 355 B4 beschrieben erfolgen.
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An den Wicklungen 33 kann insbesondere Wechselstrom oder Drehstrom angelegt werden, um so einen nach dem Asynchronprinzip arbeitenden Motor zu betreiben.
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Durch eine entsprechende Stromversorgung der Wicklungen 3 wird der Rotor 11 zusammen mit der mit ihm verbundenen Rotorwelle 10 zur Rotation angetrieben. Durch die spiralförmigen Rippen 11, welche mit den entsprechenden Aufnahmen in Eingriff stehen, bewirkt diese Rotationsbewegung des Rotors zugleich eine Translationsbewegung des Rotors in Längsrichtung, d. h. Transversalrichtung, des Elektromotors 3, d. h. in der durch einen Pfeil 35 angedeuteten Richtung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 wird diese Translationsbewegung über Lager 30, welche beispielsweise Pendelrollenlager oder Radiaxlager sein können, auf eine Stange 34 übertragen, welche sich durch die Lager 30 nicht mitdreht und somit nur eine Translationsbewegung ausführt. Die Stange 34 kann beispielsweise eine Zahnstange einer Lenkung eines Fahrzeugs sein oder mit einer solchen verbunden sein, kann jedoch auch irgendein anderes Element sein, welches in Richtung des Pfeils 35 zu bewegen ist.
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Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann durch die Drehbewegung in Verbindung mit der Translationsbewegung eine hohe Vorschubkraft auf die Stange 34 erzeugt werden.
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In 5 ist eine alternative Ausführungsform für ein geeignetes Statorelement gezeigt. Bei einem Statorelement 50 der 5 umgreifen gleichsam zwei Schenkel des Statorelements 50 den Rotor 11 und bilden somit eine Aufnahme 52 für die spiralförmige Rippe 11 des Rotors. Auch hier können wie für das Ausführungsbeispiel der 3 diskutiert entsprechende (nicht dargestellte) Lager bereitgestellt sein. Eine Wicklung 51 ist an dem Statorelement 50 bereitgestellt, um durch entsprechenden Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Statorelemente 50 können wiederum im Wesentlichen wie die Statorelemente 32 der 3 an einem Statorrücken 31 angebracht sein, um somit einen Stator für den entsprechenden Elektromotor zu bilden.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Elektromotors dargestellt. Stator und ein eine spiralförmige Rippe 11 umfassender Rotor sind bei dem Ausführungsbeispiel der 6 die gleichen wie in dem Ausführungsbeispiel der 3 und werden daher nicht nochmals erläutert.
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Anstelle der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 10 ist die spiralförmige Rippe 11 im Falle des Ausführungsbeispiels der 6 auf einer Rotorwelle 10A aufgebracht, welche über Axiallager 61, welche zur Aufnahme von Druck- und Zugkräften ausgestaltet sind, mit weiteren Wellenabschnitten 60A, 60B gekoppelt, so dass eine Welle im Falle des Ausführungsbeispiels der 6 dreigeteilt ist, nämlich in die Abschnitte 10A, 60A und 60B. Dementsprechend muss bei dem Ausführungsbeispiel der 6 die Rotorwelle 10A nicht als Hohlwelle ausgebildet sein, obwohl dies grundsätzlich möglich ist. Die Abschnitte 60A und/oder 60B können beispielsweise mit einer Zahnstange und/oder mit zu lenkenden Rädern eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Über die Axiallager 61 wird bei dem Ausführungsbeispiel der 6 lediglich die Translationsbewegung der Rotorwelle 10A, nicht jedoch die Drehbewegung übertragen.
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Zu bemerken ist, dass bei dem Ausführungsbeispiel der 6 statt der dargestellten Statorelemente entsprechend den Statorelementen der 3 ebenso Statorelemente wie in 5 dargestellt eingesetzt werden können.
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Wie bereits erläutert, können Elektromotoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung insbesondere in elektromechanischen Lenkeinrichtungen in Fahrzeugen eingesetzt werden. Eine derartige elektromechanische Lenkeinrichtung 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in 7 dargestellt. Bei der Lenkeinrichtung 70 des Ausführungsbeispiels der 7 wird über ein Lenkrad 71 eine Lenkstange 72 gedreht. Ein an einem Ende der Lenkstange 72 befestigtes Lenkritzel 73 kämmt mit einer Zahnstange 74. Durch eine Bewegung der Zahnstange 74 werden Spurstangen 75 bewegt, welche mit Rädern 76 gekoppelt sind und durch ihre Bewegung eine Lenkbewegung der Räder 76 bewirken. Die Räder 76 sind zudem mit einer Karosserie 710 über Gelenke 711, welche die Lenkbewegung ermöglichen, gekoppelt.
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Ein über das Lenkrad 71 aufgewendetes Drehmoment kann mit einer Drehmomentmesseinheit 79 gemessen werden. Beispielsweise in Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment kann ein Elektromotor 77, welcher erfindungsgemäß ausgestaltet ist, beispielsweise entsprechend dem Elektromotor der 3 oder dem Elektromotor 6, angesteuert werden, um beispielsweise eine Lenkbewegung zu unterstützen. Die Zahnstange 74 kann dabei wie unter Bezugnahme auf die 3 oder 6 erläutert mit der Rotorwelle, welche eine Translationsbewegung ausführt, gekoppelt sein. Der Elektromotor 77 mit der Zahnstange 74 und dem Lenkradritzel 73 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Lenkradgehäuse 78 beherbergt.
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Wie in 7 schematisch dargestellt, kann dabei bei einem Elektromotor gemäß Ausführungsbeispielen die spiralförmige Rippe 11 des Rotors in einer Mittelposition, im Falle einer Lenkung beispielsweise einer Position, in welcher das Fahrzeug geradeaus fährt, auf beiden Seiten über eine Statoranordnung 31, 32 hinausragen, um somit einen großen Verstellweg zu ermöglichen.
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Zu bemerken ist, dass die Verwendung in einer Lenkeinrichtung lediglich ein Beispiel für einen Einsatz eines Motors gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt und grundsätzlich Elektromotoren gemäß Ausführungsbeispielen überall eingesetzt werden können, wo eine Translationsbewegung benötigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10A
- Rotorwelle
- 11
- Rotor
- 12
- Permanentmagnet
- 13
- Loch
- 30
- Lager
- 31
- Statorrücken
- 32
- Statorelement
- 33
- Wicklungen
- 34
- Element
- 35
- Pfeil
- 40
- Hohlraum
- 50
- Statorelement
- 51
- Wicklung
- 52
- Zwischenraum
- 60A, 60B
- Wellenabschnitte
- 61
- Axiallager
- 70
- Lenkeinrichtung
- 71
- Lenkrad
- 72
- Lenkstange
- 73
- Lenkritzel
- 74
- Zahnstange
- 75
- Zugstange
- 76
- Räder
- 77
- Elektromotor
- 78
- Lenkgehäuse
- 79
- Drehmomentmesseinheit
- 710
- Karosserie
- 711
- Gelenk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009037872 A1 [0002]
- DE 102009058612 A1 [0002]
- DE 102008049116 A1 [0002]
- EP 2192023 A1 [0002]
- WO 2008/080661 A1 [0003]
- DE 3704412 A1 [0003]
- EP 0612651 A1 [0003]
- DE 2116724 A1 [0024]
- DE 102009017355 B4 [0028]
