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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und findet insbesondere Anwendung bei einem Linearaktor der einen Schrittmotor enthält, der über ein besseres Haltemoment verfügt und vibrationsarm ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei bestimmten Anwendungen im Automobilbau, zum Beispiel bei der Scheinwerferverstellung, werden zur dynamischen Regulierung von Vorrichtungen Aktoren verwendet. Für die lineare Bewegung sorgt eine Gewindeverbindung zwischen dem Rotorkern eines Schrittmotors und der Ausgangswelle. Die Ausgangswelle wird an einer Drehung gehindert, weshalb die Drehung des Rotors eine axiale Bewegung der Ausgangswelle bewirkt. Maßgeblich für das Verhalten des Aktors insgesamt sind die Einflüsse von Reibung.
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Der Schrittmotor ist für einen sanften Betrieb ausgebildet, um Vibrationen und hörbare Geräusche zu reduzieren, die allgemein als unerwünscht gelten. Die Reibung bei der Umsetzung der Drehbewegung in die lineare Bewegung, das heißt die Schraubverbindung zwischen dem Rotor und der Ausgangswelle, dominiert daher die Leistung des Linearaktors.
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Es gibt zwei gegensätzliche Eigenschaften von Linearaktoren, nämlich Reversibilität und Irreversibilität, deren jede jeweils bei unterschiedlichen Anwendungen erwünscht ist. Die Reversibilität ist die Eignung des Motors für einen Rückantrieb, d. h. die Fähigkeit, die Ausgangswelle zu bewegen, indem eine externe Kraft auf die Ausgangswelle ausgeübt wird. Dies ist beispielsweise erwünscht, wenn die durch den Aktor angetriebene Vorrichtung bei einem Stromausfall oder einem Motorausfall gegebenenfalls manuell bewegt werden muss. Die Irreversibilität ist die Fähigkeit des Linearaktors, sich der Bewegung der Ausgangswelle zu widersetzen, wenn eine externe Kraft auf die Ausgangswelle ausgeübt wird. Dies ist beispielsweise erwünscht, wenn die durch den Aktor bewegte Vorrichtung im Normalbetrieb externen Kräften ausgesetzt ist (z. B. die Scheinwerferverstellung), wenn der Aktor bei fehlender oder reduzierter Stromversorgung des Motors die Position halten muss oder wenn Sicherheit wichtig ist (z. B. der Türverriegelungsmechanismus). Manche Anwendungen, bei denen eine hohe Haltekraft erforderlich ist, um während des Normalbetriebs Vibrationen und Windkräften standzuhalten und dennoch eine manuelle Verstellung zu ermöglichen, erfordern eine Kombination von Reversibilität und Irreversibilität (z. B. die Außenspiegelverstellung). Die Reversibilität steht im Zusammenhang mit der Reibung des Schraubenmechanismus. Eine geringe Reibung sorgt für eine gute Reversibilität und einen hohen Wirkungsgrad. Eine hohe Reibung sorgt für ein gutes Lasthaltevermögen oder eine gute Irreversibilität, doch sie reduziert auch den Wirkungsgrad des Linearaktors. Aus diesem Grund bedarf es eines Kompromisses zwischen Nutzwert und Lasthaltung.
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Die Reibung selbst hängt mit der Temperatur, mit der relativen Geschwindigkeit der Getriebeelemente und mit der Oberflächenrauheit zusammen. Während sich Temperatur und Geschwindigkeit regelmäßig ändern können, ändert sich die Oberflächenrauheit infolge von Abnutzung. Ein guter Wirkungsgrad des Gewindes führt zu einem geringen Energieverlust. Ein schlechter Wirkungsgrad des Gewindes führt zu einer starken Irreversibilität. Ein selbsthemmendes Schraubengewinde – das ist der Begriff für ein Schrauben-Mutter-System mit Irreversibilität – hat einen kleinen Flankenwinkel (kleine Steigung des Schraubengewindes), so dass ein Wirkungsgrad der Schrauben-Mutter-Übertragung erzielt wird, der aufgrund hoher Reibung normalerweise gut unter 50% liegt, häufig bei 30% oder darunter. Solche Schrauben drehen sich nicht (Rückantrieb), wenn eine externe axiale Kraft ausgeübt wird.
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Die Haltekraft ist die maximale externe Kraft, die ohne einen Rückantrieb des Motors axial auf die Ausgangswelle ausgeübt werden kann. Das ist bei einem Linearaktor die auf die lineare Ausgangswelle ausgeübte Kraft, der der Aktor ohne Bewegung standhalten kann oder die der Aktor halten kann. Wie vorstehend erläutert, wird die Haltekraft bei einem Linearaktor von der mechanischen Reibung der Schraubenverbindung abgeleitet.
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Reibung ist stark temperaturabhängig. Es ist möglich, dass bei demselben Gewinde Reversibilität und Irreversibilität gegeben sind, jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen. Das bedeutet, dass die Reibung ausreichend hoch sein sollte, um für eine Selbsthaltekraft gegen eine axiale Bewegung (Selbsthemmung) zu sorgen und um eine Rückdrehung bei Abdrosseln zu verhindern. Die Reibung sollte jedoch ausreichend gering sein, um Kaltstartprobleme zu vermeiden, u. a. eine hohe Viskosität des Schmierfetts bei niedrigen Temperaturen und ein Blockieren bei Abdrosseln. Die Rückdrehung ist der Zustand, in dem sich der Schrittmotor, wenn er bis zum Hartstopp angetrieben wird, zum Beispiel bis zum Ende des Bewegungsweges, anstatt zu stoppen weiterdreht, jedoch in der entgegengesetzten Richtung, als würde er von dem Anschlag zurückschnellen. Das Blockieren ist der Zustand, in dem der Motor bis zum Hartstopp angetrieben wird und blockiert und weder in die eine noch in die andere Richtung bewegt werden kann. Probleme einer Rückdrehung und eines Blockierens können die Folge eines wenig effizienten Übertragungssystems mit unzureichend gesteuerter Reibung sein oder zumindest durch ein solches gefördert werden.
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STAND DER TECHNIK
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Bei aktuellen Aktor-Konstruktionen wurden diese kollidierenden Anforderungen bei mechanischer Reibung im Wesentlichen gelöst, indem die Getriebeelemente angemessen dimensioniert wurden und das optimale Schmiermittel gewählt wurde. 5 ist eine Schnittansicht eines Linearaktors gemäß dem Stand der Technik, der einen Schrittmotor 1 und eine Ausgangswelle 2 umfasst. Der Schrittmotor hat einen Stator 3 und einen Rotor 4. Der Rotor hat eine Rotorwelle 5, die zumindest teilweise mit einem Gewinde versehen ist. Die Ausgangswelle 2 ist hohl und hat einen Innengewindebereich, der mit dem Gewindebereich der Rotorwelle im Eingriff steht, um eine Gewindeverbindung 6 zu bilden. Der Rotor kann sich drehen, wird jedoch an einer axialen Bewegung gehindert. Die Ausgangswelle 2 kann sich nicht drehen, kann sich jedoch axial bewegen. Während sich der Rotor 4 dreht, bewegt sich die Ausgangswelle 2 aufgrund der Gewindeverbindung 6 in einem schraubenähnlichen Vorgang axial entlang der Rotorwelle 5. Die Konfiguration der Gewinde der Gewindeverbindung 6 zwischen der Rotorwelle und der Ausgangswelle und das zwischen diesen vorgesehene Schmiermittel haben den größten Einfluss auf die mechanische Reibung des Systems.
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Dieses Verfahren wird jedoch zum Beispiel durch temperaturabhängige Einflüsse wie die Viskosität des Schmierfetts und die Elastizität der Werkstoffe entscheidend eingeschränkt. Ein spezielles Schmiermittel, das für eine besondere Anwendung geeignet ist, wirkt nur in einem eingeschränkten Parameterbereich und ist teuer.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 0689278 A1 beschreibt einen Schrittmotor mit einem hohen Haltemoment. Das hohe Haltemoment entsteht durch die Verwendung einer Stator-Rotor-Konfiguration, die über ein hohes magnetisches Rastmoment verfügt. Das Rastmoment kann derart hoch sein, dass es die Hauptkomponente des Haltemoments bereitstellt. Das magnetische Rastmoment ist bei weitem weniger temperaturabhängig als mechanische Reibung. Aus diesem Grund lässt sich durch die Aufteilung in einen Motorabschnitt und einen Getriebeabschnitt ein Aktor konzipieren, bei dem das Haltemoment zumindest teilweise von dem Motorabschnitt aufgebracht wird. Dadurch kann der Getriebeabschnitt in einer effizienten, reibungsarmen Anordnung für die Umsetzung der Drehbewegung in die lineare Bewegung sorgen. Weiterhin werden in dem Getriebe Verluste minimiert, die potenziell zu Wärmebildung, übermäßiger Abnutzung und reduzierter Ausgangsleistung des Aktors führen. Das bedeutet auch, dass die Anforderungen an das Schmiermittel gelockert werden können und dass ein weniger teures Schmiermittel verwendet werden kann.
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Diese wesentliche Erhöhung des Rastmoments erzeugt jedoch eine hohe Drehmomentvariation (Drehmomentrippel), die zu einer deutlichen Vibrations- und Geräuschzunahme des Motors führt, wenn der Motor im Betrieb ist, und zwar aufgrund des aufgeprägten Rastmoments, das eine starke Schwankung (Rippel) der resultierenden Drehmomentausgabe verursacht. Die 7 und 8 zeigen den Einfluss des Rastmoments auf den Drehmomentrippel eines Schrittmotors mit einem hohen Rastmoment, der mit dem Drehmomentrippel eines typischen Schrittmotors ohne Rastmoment, wie in 6 gezeigt, verglichen werden kann. In 7 ist das Rastmoment an das angeregte Drehmoment angeglichen, was bedeutet, dass das Rastmoment einen Maximalwert aufweist, wenn die angeregten Drehmomente jeweils entweder maximal (Spitzenwert) oder Null sind. In 8 ist das Rastmoment um 90° verschoben, so dass das Rastmoment Null ist, wenn die angeregten Phasendrehmomente jeweils entweder maximal (Spitzenwert) oder Null sind. Es ist zu beachten, dass die Frequenz des Haltemoments derart eingestellt ist, dass sie das Doppelte der Frequenz der angeregten Drehmomente beträgt. Beide Graphen zeigen den negativen Einfluss des Rastmoments auf die angeregten Drehmomente, wobei ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment mit großer Variation erzeugt wird, das als Ausgangsrippelmoment bekannt ist.
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Die einfache Auslegung des Motorabschnitts mit einem beabsichtigt hohen magnetischen Rastmoment führt zu starken Vibrationen und hörbaren Geräuschen während des Betriebs des Motors. Dies ist unerwünscht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Daher wir ein verbesserter Linearaktor gewünscht, der einen Schrittmotor enthält, der über ein hohes Rastmoment verfügt, ohne die damit verbundene starke Vibration während des Betriebs.
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Dies wird bei vorliegender Erfindung durch die Verwendung eines Linearaktors erreicht, der einen Schrittmotor mit einem hohen Rastmoment und ein Lineargetriebe mit einem reibungsarmen Schraubenmechanismus umfasst. Dies ermöglicht bei einer konstanten Haltekraft des Motors eine hohe Effizienz des Aktors. Die Vibration des Motors wird durch die Modifikation des normalen dynamischen Drehmoments gesteuert, um das zusätzliche Rastmoment zu kompensieren, so dass die Schwankung der dynamischen Drehmomentausgabe sanft ist (minimiertes Drehmomentrippel). Dies wird erreicht durch die Verwendung eines Stators, der asymmetrische Magnetflüsse entwickelt.
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Dementsprechend wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Elektromotor angegeben, umfassend: einen Stator mit einer Mehrzahl von Phasenwicklungen, die eine Anzahl von Magnetpolen bilden; einen Rotor mit einem Rotorkern und einem Permanentmagnet, der an dem Rotorkern befestigt ist; eine mit dem Rotorkern verbundene Ausgangswelle; und einen Rastmechanismus, der ausgebildet ist für die magnetische Anziehung des Rotors an den Stator, um den Rotor mit einem vorgegebenen Rastmoment in einer gewünschten Drehorientierung relativ zu dem Stator zu halten, wobei das Rastmoment eine entsprechende Drehmomentvariation erzeugt, wobei die Phasenwicklungen asymmetrisch sind und unterschiedliche angeregte Drehmomente erzeugen, die bei Kombination mit dem Rastmoment ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment mit einem gewünschten Drehmomentrippel ergeben.
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Vorzugsweise hat das Ausgangsdrehmoment einen niedrigen Drehmomentrippel.
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Vorzugsweise beträgt der gewünschte Drehmomentrippel weniger als 35% des Spitzenausgangsdrehmoments.
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Vorzugsweise liegt das vorgegebene Rastmoment zwischen 5% und 50% des Spitzenausgangsdrehmoments.
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Vorzugsweise liegt das vorgegebene Rastmoment zwischen 15% bis 30% des Spitzenausgangsdrehmoments.
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Vorzugsweise beträgt das Rastmoment mindestens 10% des angeregten Drehmoments.
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Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Statorphasen zwei, und das durch eine erste Phasenwicklung erzeugte angeregte Spitzendrehmoment beträgt mindestens 10% weniger als das angeregte Spitzendrehmoment der zweiten Phasenwicklung.
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Vorzugsweise haben die beiden Phasenspulen eine unterschiedliche Anzahl von Windungen, um unterschiedliche angeregte Drehmomente zu erzeugen.
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Vorzugsweise haben die beiden Statorhälften, die den beiden Phasen entsprechen, unterschiedliche Dimensionen und/oder Zahnpol-Geometrien, um unterschiedliche angeregte Drehmomente zu erzeugen.
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Vorzugsweise liegt die Differenz zwischen den angeregten Drehmomenten der beiden Phasen in der Größenordnung des 1,5-fachen.
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Vorzugsweise sind das Rastmoment und die angeregten Drehmomente in Amplitude und Phase für eine optimale Kompensation ausgelegt, um einen Drehmomentrippel zu reduzieren, wobei das Rastmoment die zweifache Frequenz des angeregten Drehmoments hat und seine Minima/Maxima gleichphasig mit den Minima/Maxima der angeregten Drehmomente sind.
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Vorzugsweise ist der Motor ein Schrittmotor.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Linearaktor angegeben, der einen Schrittmotor wie vorstehend beschrieben enthält.
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Vorzugsweise wird die Ausgangswelle an einer Drehung gehindert und ist durch einen Schraubenmechanismus mit dem Rotor derart verbunden, dass die Drehung des Rotors eine lineare Bewegung der Ausgangswelle bewirkt, und der Schraubenmechanismus verfügt über einen hohen Wirkungsgrad.
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Vorzugsweise hat der Schraubenmechanismus einen Schrauben-Mutter-Wirkungsgrad von mehr als 30%.
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Vorzugsweise hat der Schraubenmechanismus einen Schrauben-Mutter-Wirkungsgrad zwischen 40% und 60%.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Scheinwerfer-Verstellmechanismus für ein Fahrzeug angegeben, der einen Linearaktor wie vorstehend beschrieben enthält.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein linearer Schrittmotor angegeben, umfassend: einen Stator mit einer Mehrzahl von Phasenwicklungen, die eine Anzahl von Magnetpolen bilden; einen Rotor mit einem Rotorkern und einem Permanentmagnet, der an dem Rotorkern befestigt ist; eine Ausgangswelle, die über einen Schraubenmechanismus mit dem Rotorkern derart verbunden ist, dass die Drehung des Rotorkerns eine lineare Bewegung der Ausgangswelle bewirkt; und einen Rastmechanismus, der ausgebildet ist für die magnetische Anziehung des Rotors an den Stator, um den Rotor mit einem vorgegebenen Rastmoment in einer gewünschten Drehorientierung relativ zu dem Stator zu halten, wobei die Anzahl der Polpaare des Stators größer ist als zehn und wobei der Schraubenwirkungsgrad des Schraubenmechanismus 50% oder mehr beträgt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen erläutert, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 zeigt einen Schrittmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Schnittansicht eines Linearaktors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Motors von 1;
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4 ist ein Graph zur Darstellung des Motordrehmoments im Vergleich zu dem elektrischen Winkel bei einem Motor von 1 mit asymmetrischen Phasen und einem bedeutenden Rastmoment;
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5 ist eine Schnittansicht eines linearen Schrittmotors gemäß dem Stand der Technik, dessen Haltemoment auf der Gewindereibung beruht;
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6 ist ein Graph zur Darstellung des Motordrehmoments im Vergleich zu dem elektrischen Winkel bei einem typischen Schrittmotor gemäß dem Stand der Technik, mit zwei symmetrischen Phasen und ohne Rastmoment;
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7 ist ein Graph zur Darstellung des Motordrehmoments im Vergleich zu dem elektrischen Winkel bei einem Schrittmotor gemäß dem Stand der Technik mit zwei symmetrischen Phasen und mit Rastmoment, wobei das Rastmoment phasengleich mit den angeregten Drehmomenten ist;
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8 ist ein Graph zur Darstellung des Motordrehmoments im Vergleich zu dem elektrischen Winkel bei einem Schrittmotor gemäß dem Stand der Technik mit zwei symmetrischen Phasen und mit Rastmoment, wobei das Rastmoment zu den angeregten Drehmomenten um 90° phasenverschoben ist; und
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9 ist eine schematische Darstellung einer Scheinwerferanordnung, bei der ein erfindungsgemäßer linearer Schrittmotor verwendet wird.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen Schrittmotor 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Längsschnittansicht eines Linearaktors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 3 ist eine auseinandergezogene Darstellung eines Teils des Rotors.
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Der Schrittmotor 10 von 1 hat ein Gehäuse 12, das einen Teil des Stators des Motors bildet. Das Gehäuse trägt eine Anzahl von Statorplatten, unter anderem eine untere Platte mit Befestigungslaschen 14 mit Durchgangsöffnungen für die Festlegung des Motors an einem Objekt. Der Motor hat eine Ausgangswelle 16, die in diesem Fall einen Teil eines Rotors bildet. Der Rotor ist ein Permanentmagnet-Rotor. Der Stator ist ein zweiphasiger gewickelter Stator, wobei zu erkennen ist, dass sich Motoranschlüsse 21 aus einer Öffnung in dem Gehäuse erstrecken. Die Konstruktion des Stators wird im Zusammenhang mit 3 im Detail erläutert.
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Der Aktor 40 von 2 entspricht dem linearen Typ mit einem Schrittmotor. Der Aktor ist geschnitten dargestellt, um die Konstruktion eines Typs eines Linearaktors darzulegen. Der Motor hat ein Gehäuse 12, das einen Teil eines Stators bildet, der ebenfalls zwei auf einem Spulenkörper gewickelte Phasenwicklungen 22, 23, Polplatten 26 und Rastplatten 28 aufweist. Der Stator wird im Zusammenhang mit 3 im Detail erläutert. Der Motor hat auch einen Permanentmagnet-Rotor, der eine Ausgangswelle 16 des Aktors antreibt.
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Der Rotor 30 hat einen Rotorkern 32, der eine Motorwelle 33 und einen zylindrischen Ringmagnet 34 stützt. Ein Lager 36 verbindet den Rotor drehbar mit dem Gehäuse 12. Die Motorwelle 33 hat ein Schraubengewinde 38, das mit einem Schraubengewinde 39 der Ausgangswelle 16 im Eingriff steht. Die Ausgangswelle ist derart angeordnet, dass sie in Richtung der Motorachse bewegbar ist, sich um die Achse jedoch nicht drehen kann. Dadurch dreht sich bei Drehung des Rotors die Motorwelle 33 und bewirkt, dass sich die Ausgangswelle abhängig von der Drehrichtung des Rotors auf ziemlich gleiche Weise wie eine Mutter, die sich entlang eines Bolzens bewegt, in der axialen Richtung bewegt. Am Ende der Ausgangswelle ist ein Kuppelelement 48 befestigt, das an das Objekt angepasst ist, das durch den Linearaktor zu bewegen ist, in diesem Beispiel eine Scheinwerferanordnung eines Fahrzeugs.
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3 ist eine auseinandergezogene Darstellung der bevorzugten Statorpol-Konstruktion. Der Stator umfasst eine erste und eine zweite Spule 22, 23, die auf einem ersten und einem zweiten Spulenkörper 24, 25 gewickelt sind, vier Polplatten 26 und eine Anzahl von Rastplatten 28. Jede Polplatte 26 hat eine Anzahl von sich axial erstreckenden Fingern 27, derart, dass sich die Polfinger im Benutzungsfall entlang der umfangsseitigen Außenfläche des Rotors erstrecken. Jeder Spulenkörper hat zwei Anschlüsse 21, an denen die jeweiligen Enden der Spulen enden. Die Polplatten bilden zusammen mit dem Gehäuse einen Magnetweg für den durch die Spulen 22, 23 erzeugten Magnetfluss. Jede der Rastplatten hat eine zentrale Öffnung mit einer Mehrzahl von sich radial nach innen erstreckenden Fingern 29.
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Die Polplatten 26 und die Rastplatten 28 haben jeweils radial äußere Vorsprünge 46, die in das Gehäuse eingreifen, um die Platten an Ort und Stelle zu halten und um die Magnetverbindung zwischen denselben zu vervollständigen. Die Rastfinger 29 sind derart angeordnet, dass sie die jeweiligen Magnetpole des Rotors anziehen. Durch ihre Anordnung an den dazwischenliegenden Rastplatten kann der Ort der Rastung leichter gesteuert werden. In der vorliegenden Ausführungsform liegen die Orte der Rastung derart, dass das resultierende Rastmoment an das Phasendrehmoment angeglichen ist, wie in 4 gezeigt. Wie dargestellt, ist der Rastmomentverlauf positiv an den Drehmomentverlauf der ersten Phase und negativ an den Drehmomentverlauf der zweiten Phase angeglichen. Somit kann durch eine Reduzierung der Größe des Drehmoments der ersten Phase und durch eine Erhöhung der Größe des Drehmoments der zweiten Phase die gesamte Ausgangsleistung des Motors einschließlich des Drehmomentrippels genauso oder ähnlich wie bei einem Motor gestaltet werden, der kein Rastmoment hat, wie in dem Graph von 6 dargestellt. ”Kein Rastmoment” soll bedeuten kein nennenswertes oder ausdrücklich erhöhtes Rastmoment, da alle Motoren mit Permanentmagneten ein gewisses Rastmoment haben, das jedoch auf einen Wert reduziert werden kann, der keinen wesentlichen Einfluss auf den Motor hat oder einen Einfluss, der zumindest akzeptierbar ist.
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Asymmetrische Phasen können durch unterschiedliche Magnetflüsse bedingt sein, die beispielsweise die Folge von unterschiedlichen Zahngeometrien, unterschiedlichen Luftspalten oder unterschiedlichen Spulenwicklungen sind. Die asymmetrischen Phasen der bevorzugten Ausführungsform werden, wie in den 2 und 3 erkennbar ist, durch Spulenwicklungen bewirkt, die insofern unterschiedlich sind, als die erste Spule 22 wesentlich kleiner als die zweite Spule 23 ist und daher die Stärke des durch die zweite Spule erzeugten Magnetfelds größer als die Stärke des durch die erste Spule erzeugten Magnetfelds ist. Vorzugsweise beträgt das durch die Wicklung der ersten Phase erzeugte angeregte Spitzendrehmoment mindestens 10% weniger als das angeregte Drehmoment der zweiten Phasenwicklung. Der jede Phase durchfließende Strom kann durch eine geeignete Wahl von Drahtgrößen gleich gehalten werden, um die unterschiedliche Anzahl von Windungen der Spulen auszugleichen.
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Wie der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen ist, ist es auf diese Weise möglich, einen Linearaktor mit einer hohen Haltekraft zu schaffen, der praktisch unbeeinflusst von Temperatur und Verschleiß ist, mit einer effizienten Schraubenverbindung und mit minimalem Geräusch und minimaler Vibration oder Drehmomentrippel. Es wird daher ein effizienter Linearaktor mit einem Schrauben-Mutter-Wirkungsgrad, der höher als 30% ist und sogar bis zu 40% bis 60% beträgt, und mit einer guten Irreversibilität bei minimalem Geräusch, minimaler Vibration und minimaler Instabilität erzielt.
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Während des Betriebs des Motors ist die Summe des Rastmoments und des schwächeren Statordrehmoments gleich dem Drehmoment, das durch den stärkeren Stator erzeugt wird, minus das negative Rastmoment. Folglich nähert sich die Summe der angeregten Drehmomente plus Rastmoment (4) dem Verhalten eines Motors mit gleichen Phasen und ohne Rastmoment (6).
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Zusammengefasst sind die Vorteile einer Trennung des Motorabschnitts von dem Getriebeabschnitt bei einem Linearaktor unter anderem folgende. Die Reibungsanforderungen sind weniger streng, was die Entwicklung der Getriebegeometrie erleichtert. Die Anforderungen an das Schmiermittel sind geringer, wodurch das Schmiermittel weniger teuer ist. Das Haltemoment ist präzise, weil es von den gut definierten Magneteigenschaften dominiert wird und weniger abhängig ist von mechanischer Reibung, die variiert. Aus demselben Grund hat das Haltmoment keine langfristige Variation, und die Temperaturabhängigkeit des Haltemoments ist deutlich reduziert. Mit geeigneten asymmetrischen Phasen, die für eine optimale Kompensation und einen niedrigen Rippel ausgelegt sind, werden keine komplexen elektronischen Treiberlösungen benötigt.
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Bei einer typischen Scheinwerferverstellung muss ein Linearaktor eine Haltekraft von 50 N und eine Linearbetätigungskraft von 20 N aufbringen. Ein typischer Schrittmotor gemäß dem Stand der Technik hätte ein Rastmoment von etwa 1 mNm und ein angeregtes Motordrehmoment von 24 mNm. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Schrittmotor ein Rastmoment von 4 bis 10 mNm, wodurch zusammen mit dem Schraubenmechanismus, der einen besseren Wirkungsgrad hat, die notwendige Haltekraft von 50 N erzielt wird. Die entsprechenden angeregten Drehmomente der beiden Phasen betragen jeweils 16 und 24 mNm. Daher sind die durch die beiden Phasen bewirkten Kräfte in der typischen Weise um einen Faktor von 1,5 asymmetrisch.
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Wie in 4 erkennbar ist, sind die Funktionen des Rastmoments und des angeregten Drehmoments in Amplitude und Phase für eine optimale Kompensation und einen minimalen Drehmomentrippel ausgelegt, der weniger als 35% des Spitzenausgangsdrehmoments beträgt, wobei das Rastdrehmoment die zweifache Frequenz des angeregten Drehmoments hat und seine Minima/Maxima phasengleich mit den Minima/Maxima des angeregten Drehmoments sind. ”Hoch” bedeutet ein Rastmoment, das mindestens 10% des angeregten Drehmoments beträgt und optional in dem Bereich von 20% bis 50% des angeregten Spitzendrehmoments liegt. Das Rastmoment beträgt auch 5% bis 50% des Spitzenausgangsdrehmoments und liegt vorzugsweise zwischen 15% und 30% des Spitzenausgangsdrehmoments. In 4 beträgt das Rastmoment ±4 mNm von einer gesamten maximalen Drehmomentausgabe von 28 mNm, die einen Wert von 14% der 2-Phasen-Spitzendrehmomentausgabe repräsentiert. Sie repräsentiert auch einen 25%-Wert des Maximums des schwächeren angeregten Drehmoments (Phase 1), das ein angeregtes Spitzendrehmoment von 16 mNm hat.
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9 ist eine schematische Darstellung einer Scheinwerferanordnung 50 für ein Fahrzeug wie ein PKW, bei dem ein Linearaktor 40 gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird. Die Scheinwerferanordnung 50 hat ein Scheinwerfergehäuse 52 mit einem Lichtreflektor. Eine Lampe 54 ist durch das Lampengehäuse gehalten. Das Scheinwerfergehäuse ist durch zwei einstellbare Befestigungen 56 und eine variable Befestigung 58 an einem Rahmen einer Stütze wie beispielsweise eine Fahrzeugkarosserie festgelegt. Die Befestigungen bilden drei Befestigungspunkte, die das Scheinwerfergehäuse stabil festlegen. Die beiden einstellbaren Befestigungen 56 können mit einem Werkzeug, z. B. einem Schraubenschlüssel, gedreht werden, um das linke/rechte Lichtziel einzustellen. Die variable Befestigung 58 ist mit der Ausgangswelle 16 des Linearaktors 40 verbunden. Die lineare Bewegung des Scheinwerfers bewirkt, dass das Scheinwerfergehäuse kippt, wodurch der Lichtstrahl von dem Reflektor abhängig von der Bewegungsrichtung der Ausgangswelle nach oben oder nach unten geht. Optional wird das Scheinwerfergehäuse durch eine Federanordnung an dem Rahmen gehalten, die einen sicheren Halt des Lampengehäuses an den Befestigungspunkten ermöglicht. Durch diese Anordnung kann die Höhe des Lichtstrahls von dem Fahrersitz aus eingestellt werden oder durch eine Computersteuerung für den Ausgleich verschiedener Beladungen des Fahrzeugs. Bei fortschrittlichen Konstruktionen kann ein zusätzlicher Aktor 60 verwendet werden, um das linke/rechte Ziel des Scheinwerfers durch eine Drehanordnung 62 zwischen dem Reflektor und den beiden einstellbaren Befestigungen 56 zu modifizieren.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sorgt für die Möglichkeit der Herstellung eines linearen Schrittmotors, der eine hohe Leistung und auch ein hohes oder vorgebbares Haltemoment hat. Durch die Verwendung von Rastplatten kann das Rastmoment auf das gewünschte Niveau angehoben werden, um den Rotor gegen den Antrieb durch die Last festzuhalten, wenn er nicht im Betrieb ist. Der Wirkungsgrad des Schraubenmechanismus, der den Rotor mit der Ausgangswelle verbindet, kann 50% oder mehr betragen, da die Haltekraft nicht von der Reibung des Schraubenmechanismus abhängt. Um den Motor mit einem hochwirksamen Schraubenmechanismus zu betreiben, kann die Anzahl der Polpaare des Stators wesentlich erhöht werden. Die Polpaare können sogar mehr als verdoppelt werden, und es sind zehn oder mehr Polpaare möglich.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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