DE102021129209B3

DE102021129209B3 - Antriebseinheit und Roboter mit einer solchen Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102021129209B3
Application number: DE102021129209.3A
Authority: DE
Inventors: Daisuke KIRIHARA
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2041-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (100, 200) mit einem Gehäuse (2), einer Antriebswelle (4), einem Scheibenläufermotor (5) mit einem Rotor (6) und zumindest einem ersten Stator (7.1), wobei der erste Stator (7.1) auf einer ersten Seite (1.1) des Rotors (6) angeordnet ist, einer an der ersten Seite (1.1) angeordneten ersten Zwischenwelle (8.1), einem ersten Getriebe (9) zum Übersetzen der ersten Zwischenwelle (8.1) auf eine erste Ausgangswelle, und einem drehfest mit der ersten Zwischenwelle (8.1) verbundenen ersten Kupplungskörper (11.1), wobei an einem ersten Ende der Antriebswelle (4) eine drehfest mit der Antriebswelle (4) verbundene erste Kupplungsscheibe (11.2) angeordnet ist und der erste Kupplungskörper (11.1) in axialer Richtung (A) an die erste Kupplungsscheibe (11.2) anlegbar ist, und wobei der erste Kupplungskörper (11.1) innerhalb eines ersten Magnetfeldes des ersten Stators (7.1) angeordnet ist und in einem bestromten Zustand des ersten Stators (7.1) durch das erste Magnetfeld zur ersten Kupplungsscheibe (11.2) hin kraftbeaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, einem Scheibenläufermotor zum Antreiben der Antriebswelle mit einem an der Antriebswelle gelagerten Rotor und zumindest einem an dem Gehäuse gelagerten ersten Stator sowie einem ersten Getriebe zum Übersetzen der an der Antriebswelle anliegenden Antriebsleistung auf eine erste Ausgangswelle. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Roboter mit einer solchen Antriebseinheit.
Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden insbesondere in der Robotik eingesetzt, um beispielsweise Roboterarme möglichst präzise zu verfahren, deren Anwendung etwa in der Industrie, in der Labortechnik oder in der Medizintechnik liegt. Dafür sind die Antriebseinheiten üblicherweise mit einer sehr hohen Übersetzung zwischen Antriebsmotor und dem zu verfahrenden Teil des Roboters sowie einer hohen Steifigkeit ausgelegt, wobei beispielsweise Spannungswellengetriebe verwendet werden. Als Antriebsmotoren werden üblicherweise Elektromotoren und als Sensoren zur Steuerung der Antriebseinheit Drehgeber verwendet. Eine entsprechende Antriebseinheit ist beispielsweise aus KR 102061693 B1 bekannt.
Die JP 5 748 688 B2 beschreibt einen Elektromotor. Dessen Rotor dreht, indem ein Motorstrom an die Motorspule angelegt wird, der folglich eine elektromagnetische Kraft erzeugt. Wird der Motorstrom blockiert, so stoppt die Rotation des Rotors, der dann am Gehäuse festliegt. Eine Rotorrotationsstoppstruktur stoppt die Rotation des Rotors durch Befestigung am Gehäuse und hebt diese Rotorfixierung am Gehäuse bei Fluss des Motorstroms auf. Dabei ermöglicht eine Kupplungseinheit das Befestigen und Lösen des Rotors am Gehäuse.
Bei bekannten Antriebseinheiten besteht das Problem, dass diese lediglich zum Antrieb einer Ausgangswelle fähig sind. Bei Robotern wird daher je separat beweglichem Bauteil eine separate Antriebseinheit vorgesehen, was beispielsweise bei komplexen Industrierobotern zu der Notwendigkeit führt, eine Vielzahl von Antriebseinheiten vorzusehen, so dass der Roboter insgesamt sehr aufwändig und teuer wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in Anbetracht des Standes der Technik darin, bei einer Antriebseinheit eine über den Antrieb einer einzelnen Ausgangswelle hinausgehende Funktion zu ermöglichen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Soweit Elemente mit Hilfe einer Nummerierung bezeichnet sind, also beispielsweise „erstes Bauteil“, „zweites Bauteil“ und „drittes Bauteil“, so ist diese Nummerierung rein zur Differenzierung in der Bezeichnung vorgesehen und stellt keine Abhängigkeit der Elemente voneinander oder eine zwingende Reihenfolge der Elemente dar. Das heißt insbesondere, dass eine Vorrichtung nicht ein „erstes Bauteil“ aufweisen muss, um ein „zweites Bauteil“ aufweisen zu können. Auch kann die Vorrichtung ein „erstes Bauteil“ umfassen, ohne aber zwangsläufig ein „zweites Bauteil“ aufzuweisen.
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, einem Scheibenläufermotor zum Antreiben der Antriebswelle mit einem an der Antriebswelle gelagerten Rotor und zumindest einem an dem Gehäuse gelagerten ersten Stator, wobei der erste Stator auf einer ersten Seite des Rotors angeordnet und als Elektromagnet ausgebildet ist, einer an der ersten Seite benachbart zur Antriebswelle angeordneten und koaxial zur Antriebswelle ausgebildeten ersten Zwischenwelle, einem ersten Getriebe zum Übersetzen der ersten Zwischenwelle auf eine erste Ausgangswelle, und einem drehfest mit der ersten Zwischenwelle verbundenen ersten Kupplungskörper, der in axialer Richtung beweglich gelagert ist, wobei an einem der ersten Zwischenwelle zugewandten ersten Ende der Antriebswelle eine drehfest mit der Antriebswelle verbundene erste Kupplungsscheibe angeordnet ist und der erste Kupplungskörper zum drehfesten Verbinden der ersten Zwischenwelle mit der Antriebswelle in axialer Richtung an die erste Kupplungsscheibe anlegbar ist, und wobei der erste Kupplungskörper innerhalb eines ersten Magnetfeldes des ersten Stators angeordnet ist und der erste Kupplungskörper in einem bestromten Zustand des ersten Stators durch das erste Magnetfeld in axialer Richtung zur ersten Kupplungsscheibe hin kraftbeaufschlagt ist.
Bei einem Scheibenläufermotor sind ein Rotor und ein oder zwei Statoren in axialer Richtung hintereinander angeordnet und das Magnetfeld des Stators bzw. der Statoren wirkt in der axialen Richtung. Dabei wird erfindungsgemäß der erste Kupplungskörper so in dem ersten Magnetfeld des ersten Stators angeordnet, dass bei einer Bestromung des ersten Stators das erste Magnetfeld den ersten Kupplungskörper an die erste Kupplungsscheibe anlegt, so dass eine durch den erste Kupplungskörper und die erste Kupplungsscheibe gebildete erste Kupplung geschlossen wird. Die Antriebswelle ist dann mit der ersten Zwischenwelle drehfest verbunden. Bei einem Bestromen des ersten Stators wird zudem der Scheibenläufermotor durch den ersten Stator angetrieben. Die erste Kupplung verbleibt demgegenüber bei nicht durch den ersten Stator angetriebenen Scheibenläufermotor in einer geöffneten Stellung, so dass zwischen Antriebswelle und erster Zwischenwelle keine Verbindung besteht.
Die erste Kupplung ist also geschlossen, wenn der erste Stator bestromt ist und geöffnet, wenn der erste Stator nicht bestromt ist. Die primäre Funktion der Antriebseinheit, nämlich die erste Ausgangswelle anzutreiben, ist demnach über die erste Kupplung und die erste Zwischenwelle geführt, die bei einer Antriebsanforderung für die primäre Funktion durch Bestromung des ersten Stators automatisch geschlossen wird. Die Antriebswelle kann somit vorteilhaft noch einer sekundären Funktion zugeordnet sein, wie beispielsweise dem Antrieb einer zweiten Ausgangswelle, wobei die sekundäre Funktion bedient werden kann sowohl, wenn die erste Kupplung geöffnet ist als auch, wenn die erste Kupplung geschlossen ist. Für die sekundäre Funktion ist beispielsweise ein zweiter Stator auf einer zweiten Seite des Rotors angeordnet, so dass dieser über den Rotor die Antriebswelle antrieben kann, ohne dass das Magnetfeld des zweiten Stators sich bis zu dem ersten Kupplungskörper erstreckt. Wird also der Rotor über den zweiten Stator betrieben, verbleibt die erste Kupplung in einer geöffneten Stellung und die Antriebswelle kann die sekundäre Funktion bedienen, ohne dass die erste Zwischenwelle angetrieben wird. Die primäre und die sekundäre Funktion sind dann unabhängig voneinander. Insofern mit einer solchen Antriebseinheit mehrere Funktionen bei einem Roboter bedient werden, beispielsweise die Funktionen zweier vorbekannten Antriebseinheiten, kann der Roboter mit weniger Bauteilen und somit vereinfacht und kostengünstig ausgebildet werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an der ersten Zwischenwelle eine erste Bremse zum wahlweisen Festlegen der ersten Zwischenwelle gegenüber dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die erste Bremse eine mit der ersten Zwischenwelle drehfest verbundene erste Bremsscheibe und einen mit dem Gehäuse drehfest verbundenen ersten Bremskörper aufweist und der erste Bremskörper mittels einem ersten Federelement in axialer Richtung zu der ersten Bremsscheibe hin kraftbeaufschlagt ist, und wobei der erste Bremskörper innerhalb des ersten Magnetfeldes angeordnet ist und der erste Bremskörper in einem bestromten Zustand des ersten Stators durch das erste Magnetfeld in axialer Richtung von der ersten Bremsscheibe weg kraftbeaufschlagt ist. Der erste Bremskörper wird also bei nicht bestromten ersten Stator durch das erste Federelement an die erste Bremsscheibe heran gedrückt und ist somit geschlossen, legt also die erste Zwischenwelle an dem Gehäuse fest. Wird der erste Stator bestromt, wirkt in dem ersten Magnetfeld eine axiale Kraft entgegen dem ersten Federelement auf den ersten Bremskörper, die die Federkraft des ersten Federelements übersteigt. Der erste Bremskörper wird durch diese magnetische Kraft von der ersten Bremsscheibe weggezogen und die erste Bremse wird geöffnet. Die erste Zwischenwelle ist dann gegenüber dem Gehäuse frei drehbar.
Die erste Bremse wirkt dabei mit dem Scheibenläufermotor zusammen, um die erste Zwischenwelle bei bestromtem ersten Stator, geöffneter erster Bremse und geschlossener erster Kupplung schnell und definiert zu beschleunigen und, um bei geschlossener ersten Bremse die erste Zwischenwelle möglichst unmittelbar festzusetzen. Dabei besteht mit der vorgenannten Ausführungsform der Vorteil, dass die erste Bremse kein eigenes Antriebselement zum Betätigen benötigt, da der erste Stator als Antriebselement für die erste Bremse wirkt. Weiterhin besteht der Vorteil, dass der Scheibenläufermotor und die erste Bremse nicht separat voneinander gesteuert werden müssen, sondern lediglich die Bestromung des ersten Stators zu steuern ist. Die erste Bremse öffnet bei Bestromung des ersten Stators und ist somit mit dem ersten Stator synchron geschaltet. Es kann daher nicht zu einem undefinierten Bewegungszustand kommen und es wird ein besonders präziser Antrieb für die primäre Funktion der Antriebseinheit erreicht.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft eine vorbeschriebene Antriebseinheit mit einem an dem Gehäuse gelagerten zweiten Stator, wobei der zweite Stator auf einer zweiten Seite des Rotors angeordnet und als Elektromagnet ausgebildet ist, einer an der zweiten Seite benachbart zur Antriebswelle angeordneten und koaxial zur Antriebswelle ausgebildeten zweiten Zwischenwelle, einem zweiten Getriebe zum Übersetzen der zweiten Zwischenwelle auf eine zweite Ausgangswelle, und einem drehfest mit der zweiten Zwischenwelle verbundenen zweiten Kupplungskörper, der in axialer Richtung beweglich gelagert ist, wobei an einem der zweiten Zwischenwelle zugewandten zweiten Ende der Antriebswelle eine drehfest mit der Antriebswelle verbundene zweite Kupplungsscheibe angeordnet ist und der zweite Kupplungskörper zum drehfesten Verbinden der zweiten Zwischenwelle mit der Antriebswelle in axialer Richtung an die zweite Kupplungsscheibe anlegbar ist, und wobei der zweite Kupplungskörper innerhalb eines zweiten Magnetfeldes des zweiten Stators angeordnet ist und der zweite Kupplungskörper in einem bestromten Zustand des zweiten Stators durch das zweite Magnetfeld in axialer Richtung zur zweiten Kupplungsscheibe hin kraftbeaufschlagt ist. Es ist somit über die zweite Zwischenwelle und das zweite Getriebe eine sekundäre Funktion geschaffen, die entsprechend der primären Funktion ausgebildet ist. Dabei ist insbesondere der erste Kupplungskörper außerhalb des zweiten Magnetfelds und der zweite Kupplungskörper außerhalb des ersten Magnetfelds angeordnet, so dass es besonders vorteilhaft möglich ist, durch eine unabhängig voneinander schaltbare Bestromung der beiden Statoren mit einem einzelnen Scheibenläufermotor die beiden Funktionen unabhängig voneinander zu bedienen. Es kann also keine, nur die erste Abtriebswelle, nur die zweite Abtriebswelle oder beide Abtriebswellen gleichzeitig angetrieben werden. Dabei kann ein jeweiliger Stator für ein definiertes Verstellen der zugeordneten Abtriebswelle so lange bestromt bleiben, bis die Abtriebswelle bei der an der Antriebswelle anliegenden Drehzahl den definierten Verstellweg zurückgelegt hat. Bevorzugt sind die beschriebenen Elemente der sekundären Funktion gleich ausgebildet wie die Elemente der primären Funktion, wobei insbesondere eine symmetrische Antriebseinheit ausgebildet ist. In einer Ausgestaltung können der erste Stator und der zweite Stator auch parallel oder in Reihe miteinander verschaltet sein, so dass ihre Bestromung nicht gänzlich oder gar nicht unabhängig voneinander erfolgt. Eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise für eine Anwendung vorgesehen sein, bei der die primäre und die sekundäre Funktion miteinander in Zusammenhang stehen.
Bei einer bevorzugte Ausgestaltung der vorgenannten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an der zweiten Zwischenwelle eine zweite Bremse zum wahlweisen Festlegen der zweiten Zwischenwelle gegenüber dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die zweite Bremse eine mit der zweiten Zwischenwelle drehfest verbundene zweite Bremsscheibe und einen mit dem Gehäuse drehfest verbundenen zweiten Bremskörper aufweist und der zweite Bremskörper mittels einem zweiten Federelement in axialer Richtung zu der zweiten Bremsscheibe hin kraftbeaufschlagt ist, und wobei der zweite Bremskörper innerhalb des zweiten Magnetfeldes angeordnet ist und der zweite Bremskörper in einem bestromten Zustand des zweiten Stators durch das zweite Magnetfeld in axialer Richtung von der zweiten Bremsscheibe weg kraftbeaufschlagt ist. Mit der zweiten Bremse sind bezüglich der sekundären Funktion die gleichen Vorteile zu erzielen, die mit der ersten Bremse bezüglich der primären Funktion erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Bremsscheibe und der erste Kupplungskörper und/oder die zweite Bremsscheibe und der zweite Kupplungskörper einstückig ausgebildet. Das so ausgebildete einstückige Bauteil kann dann lediglich mit einem Bereich innerhalb des ersten bzw. zweiten Magnetfeld angeordnet sein, wobei die daraus entstehende Kraft das gesamte Bauteil in axialer Richtung verstellt. Vorteilhaft ergibt sich bei einstückiger Ausführung nur ein Bauteil, das drehfest mit der Zwischenwelle verbunden sein muss, so dass die Antriebseinheit vereinfacht und somit besonders kostengünstig ausgebildet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an der ersten und/oder der zweiten Ausgangswelle ein Sensor zum Detektieren einer Winkelposition der jeweiligen Ausgangswelle angeordnet. Der Sensor ist beispielsweise ein Drehgeber und dient zur Steuerung der Antriebseinheit, insbesondere zur Steuerung des der Ausgangswelle zugeordneten Stators. Der Stator kann beispielsweise abgeschaltet werden, wenn der Sensor einen definierten Verstellwinkel der Ausgangswelle detektiert. Insbesondere ist dient der Sensor als Istwert-Geber in einem Regelkreis zum Regeln der Winkelposition der Ausgangswelle.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Antriebswelle über zumindest eine aus erster und zweiter Kupplungsscheibe mittels einem Wälzlager zwischen der jeweiligen Kupplungsscheibe und dem der jeweiligen Kupplungsscheibe zugeordneten Stator drehbar gelagert. Besonders bevorzugt ist dazu an dem jeweiligen Stator ein Lagerring zum Halten des Wälzlagers angeordnet. Auf diese Weise kann die Antriebswelle auf besonders kompakte Weise gelagert sein. Insbesondere muss in axialer Richtung kein separater Lagerabschnitt an der Antriebswelle vorgesehen sein, sondern die Lagerung und die Kupplungsscheibe sind in dem gleichen axialen Bereich angeordnet. Die Antriebswelle kann so besonders kurz ausgebildet sein, wobei der Abstand der Lager der Antriebswelle ebenfalls kurz ist. Es treten dann an der Antriebswelle vorteilhaft nur geringe Durchbiegungen auf.
Weiterhin bevorzugt ist an der ersten Bremse und/oder zweiten Bremse zumindest ein vorderer Anschlag zum Anschlagen des jeweiligen Bremskörpers in einer geöffneten Stellung der jeweiligen Bremse angeordnet, wobei der jeweilige Bremskörper in einer geschlossenen Stellung der jeweiligen Bremse an der jeweiligen Bremsscheibe anschlägt. Der Weg, den der Bremskörper zurücklegt, ist dann definiert und es ist sicher gestellt, dass die Bremsscheibe in der geschlossenen Stellung im Bereich des Magnetfeld des zugeordneten Stators bei dessen Bestromung verbleibt. Weiterhin ist eine Auslegung des der Bremse zugeordneten Federelement auf eine ausreichende Kraft über den definierten Weg ermöglicht.
Die Erfindung betrifft auch einen Roboter mit einer vorbeschriebenen Antriebseinheit. Der Roboter weist die vorbeschriebenen Vorteile entsprechend auf. Insbesondere weist der Roboter wenige Bauteile auf und ist kostengünstig. Bevorzugt ist der Roboter zur Anwendung in der Industrie, in der Labortechnik oder in der Medizintechnik vorgesehen.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

1a eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäße Antriebseinheit in einer ersten Ausführungsform mit geöffneter ersten Kupplung und geschlossener ersten Bremse,
1 b eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäße Antriebseinheit gemäß 1 mit geschlossener ersten Kupplung und geöffneter ersten Bremse,
2 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäße Antriebseinheit in einer zweiten Ausführungsform mit geschlossener ersten und zweiten Kupplung und geöffneter ersten und zweiten Bremse,
3 eine tabellarische Übersicht über verschiedene Antriebszustände der Antriebseinheit gemäß 3,
4 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Anwendung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, beispielsweise gemäß 3,
5 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Anwendung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, beispielsweise gemäß 3,
6 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Anwendung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, beispielsweise gemäß 3.

Die 1a und 1b zeigen eine Antriebseinheit 100 in einer Querschnittansicht mit einem diese nach außen begrenzenden Gehäuse 2. Alle Bauteile sind rotationssymmetrisch um eine Achse AX ausgebildet. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Antriebswelle 4 gelagert, die von einem Scheibenläufermotor 5 antreibbar ist. Der Scheibenläufermotor 5 ist durch einen Rotor 6, der auf der Antriebswelle 4 aufgepresst ist, einem auf einer ersten Seite 1.1 des Rotors 6 angeordneten ersten Stator 7.1 und einem auf einer zweiten Seite 1.2 des Rotors 6 angeordneten zweiten Stator 7.2 gebildet. Der Rotor 6 ist aus einer auf der Antriebswelle 4 aufgepressten Hülse 6.1 und einer sich von der Hülse 6.1 radial nach außen erstreckenden Rotorscheibe 6.2 mit daran angeordneten, jedoch nicht dargestellten, Wicklungen gebildet. Der erste Stator 7.1 und der zweite Stator 7.2 sind mittels Halteringen 7.3, 7.4 jeweils in einem Motorgehäuse 5.1 eingepresst, das seinerseits in dem Gehäuse 2 eingepresst ist. Der Rotor 6 ist demnach drehfest mit der Antriebswelle 4 und die Statoren 7.1, 7.2 drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden.
Auf der ersten Seite 1.1 ist benachbart zur Antriebswelle 4 und koaxial mit dieser ist eine erste Zwischenwelle 8.1 in dem Gehäuse 2 gelagert. Auf der ersten Zwischenwelle 8.1 ist ein als Spannungswellengetriebe ausgebildetes erstes Getriebe 9 angeordnet, dass eine Drehbewegung der ersten Zwischenwelle 8.1 in eine langsamere Drehbewegung einer nicht dargestellten ersten Ausgangswelle wandelt. Das erste Getriebe 9 weist einen ersten Wellenerzeuger 9.1 (wave generator), einen gegenüber dem ersten Wellenerzeuger 9.1 mittels eines ersten Kugellagers 9.2 gelagerten ersten flexiblen Ring 9.3 (flex spline) und einen ersten Zahnring 9.4 (circular spline) auf. Der erste Wellenerzeuger 9.1 ist unmittelbar an der ersten Zwischenwelle 8.1 ausgebildet, während der erste Zahnring 9.4 den Abtrieb des ersten Getriebes 9 bildet und mit der nicht dargestellten ersten Ausgangswelle verbunden bzw. verbindbar ist. Der erste Zahnring 9.4 ist gegenüber einem ersten gehäusefesten Bauteil 2.1 mittels einem nur schematisch dargestellten Wälzlager beweglich gelagert. An dem ersten gehäusefesten Bauteil 2.1 ist zudem ein erster Sensor 10.1 angeordnet, der als Drehgeber ausgebildet ist und die Winkelposition des ersten Zahnrings 9.4 bzw. der ersten Ausgangswelle erfasst. Der erste flexible Ring 9.3 weist einen ersten Kragen 9.5 auf, mittels dem er an dem Gehäuse 2 festgelegt ist.
Weiterhin ist an der ersten Zwischenwelle 8.1 ein drehfest mit dieser verbundener erster Kupplungskörper 11.1 angeordnet, der dort in einer axialen Richtung A beweglich gelagert ist. Der erste Kupplungskörper 11.1 bildet zusammen mit einer an der Antriebswelle 4 endseitig auf der ersten Seite 1.1 angeordneten ersten Kupplungsscheibe 11.2 eine erste Kupplung 11 zum wahlweisen Verbinden der ersten Zwischenwelle 8.1 mit der Antriebswelle 4. Ist der erste Stator 7.1 bestromt, erstreckt sich ein von ihm ausgebildetes erstes Magnetfeld in der axialen Richtung A bis zu dem ersten Kupplungskörper 11.1 und übt auf diesen eine Kraft in der axialen Richtung A hin zu der ersten Kupplungsscheibe 11.2 aus. Wird also der erste Stator 7.1 bestromt, wird dadurch automatisch die erste Kupplung 11 geschlossen. Über die erster Kupplungsscheibe 11.2 ist ferner die Antriebswelle 4 mittels einem Wälzlager an einem ersten Lagerring 12.1 gelagert, wobei der erste Lagerring 12.1 an dem ersten Stator 7.1 und somit mittelbar an dem Gehäuse 2 gehalten ist.
An der ersten Zwischenwelle 8.1 ist weiterhin eine erste Bremse 13 ausgebildet. Die erste Bremse 13 weist einen ersten Bremskörper 13.1 auf, der zusammen mit einer ersten Bremsscheibe 13.2, die einstückig mit dem ersten Kupplungskörper 11.1 ausgebildet ist, in einer in 1a dargestellten geschlossenen Stellung die erste Zwischenwelle 8.1 an dem Gehäuse 2 festlegt. Dazu ist der erste Bremskörper 13.1 über ein erstes Federelement 13.3 drehfest mit einer ersten Bremsaufnahme 13.4 verbunden, wobei die erste Bremsaufnahme 13.4 fest mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Die erste Bremsscheibe 13 ist derweil wie der erste Kupplungskörper 11.1 drehfest mit der ersten Zwischenwelle 8.1 verbunden. In der geschlossenen Stellung der ersten Bremse 13 ist der erste Bremskörper 13.1 durch das erste Federelement 13.3 an die erste Bremsscheibe 13.3 herangedrückt, so dass diese einen Kraftschluss miteinander bilden. Dabei wirken keine weiteren Kräfte außer der Kraft des ersten Federelements 13.3 auf die erste Bremse 13. In einer in 1b dargestellten geöffneten Stellung der Bremse 13 wirkt das erste Magnetfeld bei bestromtem ersten Stator 7.1 auf den ersten Bremskörper 13.1 und zieht diesen entgegen der Federkraft des ersten Federelements 13.3 von der ersten Bremsscheibe 13.2 weg und an einen durch die erste Bremsaufnahme 13.4 ausgebildeten vorderen Anschlag. Wird also der erste Stator 7.1 bestromt, wird die Bremse 13 geöffnet, indem der erste Bremskörper 13.1 mit einer Magnetkraft beaufschlagt wird und gleichzeitig die erste Kupplung 11 geschlossen, indem der erste Kupplungskörper 11.1 mit einer Magnetkraft beaufschlagt wird. Dabei legt der erste Bremskörper 13.1 einen weiteren Weg in der axialen Richtung A zurück als der erste Kupplungskörper 11.1. Die erste Zwischenwelle 8.1 wird dann von dem Scheibenläufermotor 5 über die Antriebswelle 4 und die erste Kupplung 11 angetrieben und ist durch die erste Bremse 13 nicht an einer Rotation gehindert.
Bei der ersten Ausführungsform gemäß den 1a und 1b ist die erste Kupplung 11 geöffnet, wenn der erste Stator 7.1 nicht bestromt ist. Die Antriebswelle 4 kann in diesem Zustand ohne Ausführung der primären Funktion eine sekundäre Funktion erfüllen. Dazu kann beispielsweise die Antriebswelle 4 durch Bestromen des zweiten Stators 7.2 angetrieben werden, ohne dass der erste Stator 7.1 bestromt wird.
Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Antriebseinheit 200, die auf der ersten Seite 1.1 der Antriebseinheit 100 entspricht und in einer sekundäre Funktion zum Antrieb einer zweiten Ausgangswelle eingerichtet ist. Es ist dazu auf der zweiten Seite 1.2 des Rotors 6 ein zweiter Antriebsstrang ausgebildet, der dem ersten Antriebsstrang auf der ersten Seite 1.1 gleicht.
Der zweite Antriebsstrang weist eine zweite Zwischenwelle 8.2 auf, die mittels einem zweiten Getriebe 16 auf die nicht dargestellte zweite Ausgangswelle übersetzt wird. Das zweite Getriebe 16 weist einen zweiten Wellenerzeuger 16.1 (wave generator), einen gegenüber dem zweiten Wellenerzeuger 16.1 mittels eines zweiten Kugellagers 16.2 gelagerten zweiten flexiblen Ring 16.3 (flex spline) und einen zweiten Zahnring 16.4 (circular spline) auf. Der zweite Wellenerzeuger 16.1 ist unmittelbar an der zweiten Zwischenwelle 8.2 ausgebildet, während der zweite Zahnring 16.4 den Abtrieb des zweiten Getriebes 16 bildet und mit der nicht dargestellten zweiten Ausgangswelle verbunden bzw. verbindbar ist. Der zweite Zahnring 16.4 ist gegenüber einem zweiten gehäusefesten Bauteil 2.2 mittels einem nur schematisch dargestellten Wälzlager beweglich gelagert. An dem zweiten gehäusefesten Bauteil 2.2 ist zudem ein zweiter Sensor 10.2 angeordnet, der als Drehgeber ausgebildet ist und die Winkelposition des zweiten Zahnrings 16.4 bzw. der zweiten Ausgangswelle erfasst. Der zweite flexible Ring 16.3 weist einen zweiten Kragen 16.5 auf, mittels dem er an dem Gehäuse 2 festgelegt ist.
Die zweite Zwischenwelle 8.2 ist weiterhin über eine zweite Kupplung 14 mit der Antriebswelle 4 verbindbar. Die zweite Kupplung 14 weist dazu einen zweiten Kupplungskörper 14.1 auf, der drehfest und axial beweglich mit der zweiten Zwischenwelle 8.2 verbunden ist und bei bestromtem zweiten Stator 7.2 in einem durch diesen gebildeten zweiten Magnetfeld angeordnet ist. Die zweite Kupplung 14 weist weiterhin eine drehfest mit der Antriebswelle 4 verbundene zweite Kupplungsscheibe 14.2 auf. Die Antriebswelle 4 ist über die zweite Kupplungsscheibe 14.2 mittels einem Wälzlager an einem zweiten Lagerring 12.2 gelagert, wobei der zweite Lagerring 12.2 mit dem zweiten Stator 7.2 und somit mittelbar mit dem Gehäuse 2 verbunden ist.
An der zweiten Zwischenwelle 8.2 ist auch eine zweite Bremse 15 angeordnet, die der ersten Bremse entspricht und einen zweiten Bremskörper 15.1, eine zweite Bremsscheibe 15.2, ein zweites Federelement 15.3 und eine zweite Bremsaufnahme 15.4 aufweist. Der zweite Bremskörper 15.1 ist in dem zweiten Magnetfeld angeordnet. Wird also der zweite Stator 7.2 bestromt, wird die Bremse 15 geöffnet, indem der zweite Bremskörper 15.1 mit einer Magnetkraft beaufschlagt wird und gleichzeitig die zweite Kupplung 14 geschlossen, indem der zweite Kupplungskörper 14.1 mit einer Magnetkraft beaufschlagt wird. Dabei legt der zweite Bremskörper 15.1 einen weiteren Weg in der axialen Richtung A zurück als der zweite Kupplungskörper 14.1. Die zweite Zwischenwelle 8.2 wird dann von dem Scheibenläufermotor 5 über die Antriebswelle 4 und die zweite Kupplung 14 angetrieben und ist durch die zweite Bremse 15 nicht an einer Rotation gehindert.
An einer oberen Seite der Antriebseinheit sind Steuereinrichtungen 21.1, 21.2 angeordnet, die etwa zur Steuerung des Scheibenläufermotors 5, insbesondere zur separaten Steuerung der beiden Statoren 7.1, 7.2 vorgesehen sind. Von den Steuereinrichtungen 21.1, 21.2 verlaufen Leitungen 22 zu den Statoren 71., 7.2.
Bei der Antriebseinheit 200 befinden sich der erste Kupplungskörper 11.1 und der erste Bremskörper 13.1 außerhalb des zweiten Magnetfelds und der zweite Kupplungskörper 14.1 sowie der zweite Bremskörper 15.1 außerhalb des ersten Magnetfelds. Es können also bei Bestromung nur des ersten Stators 7.1 nur die erste Ausgangswelle, bei Bestromung nur des zweiten Stators 7.2 nur die zweite Ausgangswelle und bei Bestromung beider Statoren 7.1, 7.2 beide Ausgangswellen angetrieben werden, so dass mit der Antriebseinheit 200 zwei Ausgangswellen im Drehwinkel unabhängig voneinander antreibbar sind.
Die 3 zeigt diese Antriebszustände in einem tabellarischen Überblick, wobei ein „+“ jeweils einen aktiven oder geschlossenen Zustand eines Elements symbolisiert und ein „-“ einen deaktivierten oder geöffneten Zustand.
Bei einem Einzelantrieb der ersten Seite 1.1 entsprechend der ersten Spalte der Tabelle, also bei der primären Funktion ohne Betreiben der sekundären Funktion, ist der erste Stator 7.1 bestromt, die erste Kupplung 11 geschlossen und die erste Bremse 13 geöffnet. Gleichzeitig ist der zweite Stator 7.2 nicht bestromt, die zweite Kupplung 14 geöffnet und die zweite Bremse 15 geschlossen. Der Scheibenläufermotor 5 treibt dann über die Antriebswelle 4, die erste Kupplung 11, die erste Zwischenwelle 8.1 und das erste Getriebe 9 die erste Ausgangswelle an, die folglich verstellt wird. Die zweite Ausgangswelle wird derweil nicht verstellt.
Bei einem Einzelantrieb der zweiten Seite 1.2 entsprechend der zweiten Spalte der Tabelle, also bei der sekundären Funktion ohne Betreiben der primären Funktion, ist der erste Stator 7.1 nicht bestromt, die erste Kupplung 11 geöffnet und die erste Bremse 13 geschlossen. Gleichzeitig ist der zweite Stator 7.2 bestromt, die zweite Kupplung 14 geschlossen und die zweite Bremse 15 geöffnet. Der Scheibenläufermotor 5 treibt dann über die Antriebswelle 4, die zweite Kupplung 14, die zweite Zwischenwelle 8.2 und das zweite Getriebe 16 die zweite Ausgangswelle an, die folglich verstellt wird. Die erste Ausgangswelle wird derweil nicht verstellt.
Bei einem Doppelantrieb der ersten Seite 1.1 und der zweiten Seite 1.2 gleichzeitig entsprechend der dritten Spalte der Tabelle, also bei der primären Funktion mit gleichzeitigem Betreiben der sekundären Funktion, ist der erste Stator 7.1 bestromt, die erste Kupplung 11 geschlossen und die erste Bremse 13 geöffnet. Gleichzeitig ist der zweite Stator 7.2 bestromt, die zweite Kupplung 14 geschlossen und die zweite Bremse 15 geöffnet. Der Scheibenläufermotor 5 treibt dann über die Antriebswelle 4, die erste Kupplung 11, die erste Zwischenwelle 8.1 und das erste Getriebe 9 die erste Ausgangswelle und gleichzeitig über die Antriebswelle 4, die zweite Kupplung 14, die zweite Zwischenwelle 8.2 und das zweite Getriebe 16 die zweite Ausgangswelle an, die folglich jeweils verstellt werden.
Insofern keine der Seiten 1.1, 1.2 angetrieben werden soll, ist entsprechend der vierten Spalte der Tabelle der erste Stator 7.1 nicht bestromt, die erste Kupplung 11 geöffnet und die erste Bremse 13 geschlossen. Gleichzeitig ist der zweite Stator 7.2 nicht bestromt, die zweite Kupplung 14 geöffnet und die zweite Bremse 15 geschlossen. Der Scheibenläufermotor 5 treibt dann keine der beiden Ausgangswelle an.
Die 4, 5 und 6 zeigen mehrere Anwendungsbeispiele einer erfindungsgemä-ßen Antriebseinheit 200. In 4 ist die Antriebseinheit 200 vertikal ausgerichtet, das heißt die axiale Richtung A verläuft vertikal. An einem unteren Ende ist die Antriebseinheit 200 an einer Basis 17 gehalten. In der primären Funktion treibt die Antriebseinheit 200 eine an der ersten Seite 1.1 angeordnete erste Drehscheibe 18.1 zu deren Drehung an. In der sekundären Funktion treibt die Antriebseinheit 200 eine an der zweiten Seite 1.2 angeordnete zweite Drehscheibe 18.2 zu deren Drehung an.
In 5 ist die Antriebseinheit 200 ebenfalls vertikal ausgerichtet und weist insbesondere eine als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle 4 auf. Die Antriebseinheit 200 ist an einer Seite an einer Basis 17 gehalten. Mit der primären Funktion verstellt die Antriebseinheit 200 einen an der ersten Seite 1.1 angeordneten Laseremitter 19.1, wobei ein von dem Laseremitter 19.1 emittierter Laserstrahl 19.2 durch die Antriebswelle 4 verläuft. Mit der sekundären Funktion verstellt die Antriebseinheit 200 an der zweiten Seite 1.2 eine Linse 19.3, die zur Fokussierung oder Streuung des Laserstrahls 19.2 dient.
In 6 ist die Antriebseinheit 200 wiederum vertikal ausgerichtet und an einer Seite mit der Basis 17 verbunden. Sowohl als primäre als auch als sekundäre Funktion treibt die Antriebseinheit 200 jeweils einen Roboterarm 20.1, 20.2 an. Der erster Roboterarm 20.1 ist an der ersten Seite 1.1 und der zweite Roboterarm 20.2 an der zweiten Seite 1.2 angeordnet.

Claims

Antriebseinheit (100, 200) mit - einem Gehäuse (2), - einer in dem Gehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4), - einem Scheibenläufermotor (5) zum Antreiben der Antriebswelle (4) mit einem an der Antriebswelle (4) gelagerten Rotor (6) und zumindest einem an dem Gehäuse (2) gelagerten ersten Stator (7.1), wobei der erste Stator (7.1) auf einer ersten Seite (1.1) des Rotors (6) angeordnet und als Elektromagnet ausgebildet ist, - einer an der ersten Seite (1.1) benachbart zur Antriebswelle (4) angeordneten und koaxial zur Antriebswelle (4) ausgebildeten ersten Zwischenwelle (8.1), - einem ersten Getriebe (9) zum Übersetzen der ersten Zwischenwelle (8.1) auf eine erste Ausgangswelle, und - einem drehfest mit der ersten Zwischenwelle (8.1) verbundenen ersten Kupplungskörper (11.1), der in axialer Richtung (A) beweglich gelagert ist, wobei an einem der ersten Zwischenwelle (8.1) zugewandten ersten Ende der Antriebswelle (4) eine drehfest mit der Antriebswelle (4) verbundene erste Kupplungsscheibe (11.2) angeordnet ist und der erste Kupplungskörper (11.1) zum drehfesten Verbinden der ersten Zwischenwelle (8.1) mit der Antriebswelle (4) in axialer Richtung (A) an die erste Kupplungsscheibe (11.2) anlegbar ist, und wobei der erste Kupplungskörper (11.1) innerhalb eines ersten Magnetfeldes des ersten Stators (7.1) angeordnet ist und der erste Kupplungskörper (11.1) in einem bestromten Zustand des ersten Stators (7.1) durch das erste Magnetfeld in axialer Richtung (A) zur ersten Kupplungsscheibe (11.2) hin kraftbeaufschlagt ist.
Antriebseinheit (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Zwischenwelle (8.1) eine erste Bremse (13) zum wahlweisen Festlegen der ersten Zwischenwelle (8.1) gegenüber dem Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei die erste Bremse (13) eine mit der ersten Zwischenwelle (8.1) drehfest verbundene erste Bremsscheibe (13.2) und einen mit dem Gehäuse (2) drehfest verbundenen ersten Bremskörper (13.1) aufweist und der erste Bremskörper (13.1) mittels einem ersten Federelement (13.3) in axialer Richtung (A) zu der ersten Bremsscheibe (13.2) hin kraftbeaufschlagt ist, und wobei der erste Bremskörper (13.1) innerhalb des ersten Magnetfeldes angeordnet ist und der erste Bremskörper (13.1) in einem bestromten Zustand des ersten Stators (7.1) durch das erste Magnetfeld in axialer Richtung (A) von der ersten Bremsscheibe (13.2) weg kraftbeaufschlagt ist.
Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit - einem an dem Gehäuse (2) gelagerten zweiten Stator (7.2), wobei der zweite Stator (7.2) auf einer zweiten Seite (1.2) des Rotors (6) angeordnet und als Elektromagnet ausgebildet ist, - einer an der zweiten Seite (1.2) benachbart zur Antriebswelle (4) angeordneten und koaxial zur Antriebswelle (4) ausgebildeten zweiten Zwischenwelle (8.2), - einem zweiten Getriebe (16) zum Übersetzen der zweiten Zwischenwelle (8.2) auf eine zweite Ausgangswelle, und - einem drehfest mit der zweiten Zwischenwelle (8.2) verbundenen zweiten Kupplungskörper (14.1), der in axialer Richtung (A) beweglich gelagert ist, wobei an einem der zweiten Zwischenwelle (8.2) zugewandten zweiten Ende der Antriebswelle (4) eine drehfest mit der Antriebswelle (4) verbundene zweite Kupplungsscheibe (14.2) angeordnet ist und der zweite Kupplungskörper (14.1) zum drehfesten Verbinden der zweiten Zwischenwelle (8.2) mit der Antriebswelle (4) in axialer Richtung (A) an die zweite Kupplungsscheibe (14.2) anlegbar ist, und wobei der zweite Kupplungskörper (14.1) innerhalb eines zweiten Magnetfeldes des zweiten Stators (7.2) angeordnet ist und der zweite Kupplungskörper (14.1) in einem bestromten Zustand des zweiten Stators (7.2) durch das zweite Magnetfeld in axialer Richtung (A) zur zweiten Kupplungsscheibe (14.2) hin kraftbeaufschlagt ist.
Antriebseinheit (100, 200) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Zwischenwelle (8.2) eine zweite Bremse (15) zum wahlweisen Festlegen der zweiten Zwischenwelle (8.2) gegenüber dem Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei die zweite Bremse (15) eine mit der zweiten Zwischenwelle (8.2) drehfest verbundene zweite Bremsscheibe (15.2) und einen mit dem Gehäuse (2) drehfest verbundenen zweiten Bremskörper (15.1) aufweist und der zweite Bremskörper (15.1) mittels einem zweiten Federelement (15.3) in axialer Richtung (A) zu der zweiten Bremsscheibe (15.2) hin kraftbeaufschlagt ist, und wobei der zweite Bremskörper (15.1) innerhalb des zweiten Magnetfeldes angeordnet ist und der zweite Bremskörper (15.1) in einem bestromten Zustand des zweiten Stators (7.2) durch das zweite Magnetfeld in axialer Richtung (A) von der zweiten Bremsscheibe (15.2) weg kraftbeaufschlagt ist.
Antriebsvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stator (7.1) und der zweite Stator (7.2) unabhängig voneinander bestrombar sind.
Antriebseinheit (100, 200) nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremsscheibe (13.2) und der erste Kupplungskörper (11.1) und/oder die zweite Bremsscheibe (15.2) und der zweite Kupplungskörper (14.1) einstückig ausgebildet sind.
Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten und/oder der zweiten Ausgangswelle ein Sensor (10.1, 10.2) zum Detektieren einer Winkelposition der jeweiligen Ausgangswelle angeordnet ist.
Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (4) über zumindest eine aus erster und zweiter Kupplungsscheibe (11.2, 14.2) mittels einem Wälzlager zwischen der jeweiligen Kupplungsscheibe (11.2, 14.2) und dem der jeweiligen Kupplungsscheibe (11.2, 14.2) zugeordneten Stator (7.1, 7.2) drehbar gelagert ist.
Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Bremse (13) und/oder zweiten Bremse (15) zumindest ein vorderer Anschlag zum Anschlagen des jeweiligen Bremskörpers (13.1, 15.1) in einer geöffneten Stellung der jeweiligen Bremse (13, 15) angeordnet ist, wobei der jeweilige Bremskörper (13.1, 15.1) in einer geschlossenen Stellung der jeweiligen Bremse (13, 15) an der jeweiligen Bremsscheibe (13.2, 15.2) anschlägt.
Roboter mit einer Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.