DE102022100393A1

DE102022100393A1 - Kugelmotor sowie Verwendung eines solchen Kugelmotors

Info

Publication number: DE102022100393A1
Application number: DE102022100393.0A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Benchieb; Lutz Stege
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kugelmotor (1), mit einem kugelförmigen oder kugelsegmentförmigen Abtriebselement (2), und mit einer Lagereinrichtung (3), an welcher das Abtriebselement (2) drehbar gelagert ist, wobei das Abtriebselement (2) bipolar ist und dadurch genau zwei magnetische Pole (N, S) aufweist, nämlich einen Nordpol (N) und einen Südpol (S), wobei die Lagereinrichtung (3) wenigstens drei Spulen (5) aufweist, durch welche ein jeweiliger elektrischer Strom hindurchleitbar ist, um dadurch das Abtriebselement (2) relativ zu der Lagereinrichtung (3) zu drehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Kugelmotors.
Der DE 603 05 010 T2 ist ein Kugelmotor als bekannt zu entnehmen, mit einer Außenfeldkugel, welche eine Vielzahl von daran angebrachten Feldmagnetelementen umfasst. Der Kugelmotor weist außerdem eine innerhalb der Außenfeldkugel angeordnete, innere Ankerkugel auf, die innerhalb der Außenfeldkugel drehbar ist. Die innere Ankerkugel weist eine Vielzahl von Ankermagnetelementen auf. Außerdem offenbart die US 5 410 232 einen Kugelmotor, mit einem kugelförmigen Stator, welcher eine Mehrzahl von Statorpolen aufweist. Vorgesehen ist auch ein kugelförmiger Rotor, welcher von dem Stator umgeben ist und eine Vielzahl von Rotorpolen aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kugelmotor und eine Verwendung eines solchen Kugelmotors zu schaffen, sodass mittels des Kugelmotors eine besonders vorteilhafte Bewegung auf besonders vorteilhafte Weise bewirkt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kugelmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Kugelmotor, welcher auch als Aktor, Kugelaktor, Stellglied oder Kugelstellglied bezeichnet wird und/oder ausgebildet ist, da beispielsweise mittels des Kugelmotors wenigstens ein erstes Bauelement einer Einrichtung relativ zu wenigstens einem zweiten Bauelement der Einrichtung bewegt und dabei beispielsweise rotatorisch bewegt und/oder translatorisch bewegt werden kann. Der Kugelmotor weist ein kugelförmiges oder kugelsegmentförmiges Abtriebselement sowie eine Lagereinrichtung auf, an welcher das Abtriebselement drehbar gelagert ist. Es ist denkbar, dass das Abtriebselement um wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufende Drehachsen, nämlich wenigstens einer ersten Drehachse und wenigstens einer zweiten Drehachse, relativ zu der Lagereinrichtung drehbar ist. Insbesondere ist es denkbar, dass das Abtriebselement frei drehbar an der Lagereinrichtung gelagert ist, sodass beispielsweise das Lagerelement um jede mögliche Drehachse beziehungsweise um eine unendlich große Anzahl an Drehachsen relativ zu der Lagereinrichtung gedreht werden kann, insbesondere nach Art eines Kugelgelenks, das einen kugelförmigen Gelenkkopf und eine Kugelpfanne umfasst, in welcher der Kugelkopf aufgenommen ist. Die Drehbarkeit des Abtriebselements relativ zu der Lagereinrichtung kann jedoch begrenzt sein, jedoch nicht etwa notwendigerweise im Hinblick auf Drehachsen, um welche das Abtriebselement relativ zu der Lagereinrichtung drehbar ist, sondern beispielsweise im Hinblick darauf, dass beispielsweise bei einer um eine der Drehachsen relativ zu der Lagereinrichtung erfolgenden Drehung des Abtriebselements, insbesondere in oder ab einer Drehstellung des Abtriebselements relativ zu der Lagereinrichtung, ein beispielsweise am Abtriebselement vorgesehener, erster Anschlag in, insbesondere direkte, Stützanlage mit einem an der Lagereinrichtung vorgesehenen, zweiten Anschlag kommt, sodass dann beispielsweise eine über die Drehstellung hinausgehende Drehung des Abtriebselements relativ zur Lagereinrichtung um die eine Drehachse nicht mehr möglich ist. Es ist aber denkbar, dass das Abtriebselement um zumindest nahezu jede, insbesondere räumliche, Drehachse relativ zu der Lagereinrichtung zumindest begrenzt drehbar ist.
Um nun mittels des Kugelmotors eine besonders vorteilhafte Bewegung, insbesondere des ersten Bauelements relativ zu dem zweiten Bauelement, auf besonders vorteilhafte und insbesondere auf besonders einfache und kostengünstige Weise realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Abtriebselement bipolar, mithin als bipolare Kugel oder als bipolares Kugelsegment ausgebildet ist und dadurch genau zwei magnetische Pole aufweist, nämlich einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol. Die Lagereinrichtung weist wenigstens oder genau drei Spulen auf. Insbesondere weist die Lagereinrichtung beispielsweise wenigstens oder genau vier Spulen auf. Die jeweilige Spule kann bestromt werden. Dies bedeutet, dass durch die jeweilige Spule ein jeweiliger, elektrischer Strom hindurch geleitet werden kann, um dadurch das Abtriebselement relativ zu der Lagereinrichtung zu drehen. Die Spulen werden auch als Bewegungsspulen oder Steuerspulen bezeichnet, da mittels der Spulen beziehungsweise dadurch, dass ein jeweiliger elektrischer Strom durch die jeweilige Steuerspule hindurch geleitet wird, das Abtriebselement relativ zu der Lagereinrichtung bedarfsgerecht gedreht werden kann. Insbesondere kann eine magnetische Polung der jeweiligen Spule eingestellt, das heißt verändert, werden. Somit kann beispielsweise die jeweilige Spule wahlweise als weiterer magnetischer Nordpol oder als weiterer magnetischer Südpol betrieben werden. Insbesondere je nach magnetischer Polung der jeweiligen Spule und/oder je nach Stromstärke des jeweiligen, elektrischen Stroms, der durch die jeweilige Spule hindurch geleitet wird, kann das Abtriebselement in eine jeweilige Drehrichtung um eine jeweilige Drehachse relativ zu der Lagereinrichtung gedreht werden.
Beispielsweise ist das erste Bauelement durch relativ zu der Lagereinrichtung erfolgendem Drehen des Abtriebselements relativ zu dem zweiten Bauelement bewegbar. Hierzu ist beispielsweise das Abtriebselement mit dem ersten Bauelement gekoppelt oder koppelbar. Da das Abtriebselement relativ zu der Lagereinrichtung durch Bestromen der jeweiligen Steuerspule bewegt werden kann, kann das Abtriebselement beziehungsweise eine relativ zu der Lagereinrichtung erfolgende, jeweilige Bewegung des Abtriebselements mittels der Steuerspulen gesteuert oder geregelt, das heißt bewirkt, werden. Insbesondere kann das Abtriebselement und über das Abtriebselement das erste Bauelement besonders präzise und/oder zumindest im Wesentlichen gleichmäßig bewegt werden, sodass auch besonders kleine, relativ zu der Lagereinrichtung beziehungsweise relativ zu dem zweiten Bauelement erfolgende Bewegungen des Abtriebselements beziehungsweise des ersten Bauelements präzise durchgeführt werden können. Außerdem kann ein kompakter, bauraum- und kostengünstiger Aufbau des Kugelmotors realisiert werden beziehungsweise das erste Bauelement kann auf besonders bauraum-, gewichts- und kostengünstige Weise bewegt werden.
Ist beispielsweise eine solche Bewegung oder Bewegbarkeit des ersten Bauelements relativ zu dem zweiten Bauelement vorgesehen, dass das erste Bauelement um wenigstens oder genau zwei senkrecht zueinander verlaufende Schwenkachsen relativ zu dem zweiten Bauelement verschwenkt und/oder entlang wenigstens oder genau zweier senkrecht zueinander verlaufender Bewegungsachsen relativ zu dem zweiten Bauelement translatorisch bewegt werden kann, so sind herkömmlicherweise zwei einzelne, separate Aktoren erforderlich. Mittels eines ersten der Aktoren kann beispielsweise das erste Bauelement relativ zu dem zweiten Bauelement um eine erste der Schwenkachsen verschwenkt und/oder entlang einer ersten der Bewegungsachsen translatorisch bewegt werden. Mittels des zweiten Aktors kann beispielsweise das erste Bauelement relativ zu dem zweiten Bauelement um die zweite Schwenkachse verschwenkt und/oder entlang der zweiten Bewegungsachse translatorisch bewegt werden. Die zwei einzelnen, separaten Aktoren können nun durch den einen Kugelmotor ersetzt werden, sodass mittels des einen Kugelmotors das erste Bauelement relativ zu dem zweiten Bauelement sowohl um die erste Schwenkachse als auch um die zweite Schwenkachse verschwenkt beziehungsweise sowohl entlang der ersten Bewegungsachse als auch entlang der zweiten Bewegungsachse translatorisch bewegt werden kann. Der erfindungsgemäße Kugelmotor eignet sich beispielsweise besonders vorteilhaft für eine Verwendung in einem oder an einem Roboter, insbesondere in einem oder an einem Roboterarm, um beispielsweise einen ersten Teil des Roboterarms relativ zu einem zweiten Teil des Roboterarms bedarfsgerecht und präzise bewegen zu können, sodass beispielsweise der erste Teil das erste Bauelement und der zweite Teil das zweite Bauelement ist. Diesbezüglich kann der Kugelmotor beispielsweise nach Art eines Handgelenks, Schultergelenks oder Daumengelenks fungieren und/oder die Teile sind mittels eines Gelenks insbesondere nach Art eines Handgelenks, Schultergelenks oder Daumengelenks miteinander verbunden, wobei man mittels des Kugelmotors beispielsweise die Teile relativ zueinander bewegen kann, insbesondere um durch das Gelenk definierte Schwenkachsen und beispielsweise dadurch, dass das Abtriebselement um die Drehachsen gedreht wird, wobei die Drehachsen beispielsweise die Schwenkachsen sein können.
Alternativ oder zusätzlich kann der erfindungsgemäße Kugelmotor als ein Schrittmotor verwendet werden. Beispielsweise kann der Kugelmotor verwendet werden, um einen Bauteil-Transfer, beispielsweise in einem Presswerk, zu realisieren. Ganz vorzugsweise kann der Kugelmotor in einem beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, sodass beispielsweise das erste Bauelement und das zweite Bauelement Bestandteile des Kraftfahrzeugs sind. Insbesondere kann beispielsweise das erste Bauelement ein Spiegel, insbesondere ein Rückspiegel und dabei beispielsweise ein Außenspiegel oder aber ein Innenspiegel sein, sodass das zweite Bauelement beispielsweise eine Halteeinrichtung, insbesondere ein Gehäuse, ist, sodass beispielsweise der Spiegel bewegbar an der Halteeinrichtung, insbesondere an dem Gehäuse, gehalten ist. Mittels des Kugelmotors kann der Spiegel besonders bedarfsgerecht und präzise in unterschiedliche Stellungen bewegt und dabei beispielsweise sowohl um eine erste Schwenkachse als auch um eine zweite Schwenkachse verschwenkt werden, wobei beispielsweise die erste Schwenkachse parallel zur Fahrzeughochrichtung und die zweite Schwenkachse parallel zur Fahrzeugquerrichtung verläuft.
Insbesondere ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Abtriebselement zumindest im Wesentlichen punktförmig drehbar an der Lagereinrichtung gelagert ist. Dadurch kann eine besonders reibungsarme Lagerung des Abtriebselements an der Lagereinrichtung realisiert werden, sodass das Abtriebselement besonders präzise und energieeffizient bewegt werden kann.
Um das Abtriebselement besonders präzise bewegen zu können, ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Spulen in Umfangsrichtung des Abtriebselements gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die jeweilige Spule eine jeweilige, gedachte Längsmittelachse auf, wobei die jeweilige Spule beispielsweise bezüglich ihrer jeweiligen Längsmittelachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Insbesondere ist es denkbar, dass die jeweilige Spule um ihre jeweilige, gedachte Längsmittelachse gewickelt ist.
Um das Abtriebselement besonders bedarfsgerecht und präzise relativ zu der Lagereinrichtung drehen und somit bewegen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sich die Längsmittelachsen in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Dabei ist es insbesondere denkbar, dass die zuvor genannte Umfangsrichtung des Abtriebselements um eine gedachte Gerade verläuft, welche durch den Punkt hindurch verläuft und mit jeder der Längsmittelachsen den gleichen Winkel einschließt. Insbesondere ist die jeweilige Längsmittelachse eine Gerade.
Um das Abtriebselement hinsichtlich seiner relativ zu der Lagereinrichtung erfolgenden Bewegung besonders präzise steuern oder regeln zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sich die Längsmittelachsen der Steuerspulen, paarweise betrachtet, schräg zueinander verlaufen.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Längsmittelachsen auf einer gedachten Mantelfläche eines gedachten, insbesondere geraden, Kreiskegels verlaufen, dessen Grundfläche senkrecht zu einer weiteren Längsmittelachse einer weiteren, als Initialspule ausgebildeten Spule verläuft. Insbesondere verläuft die vorzugsweise gerade, weitere Längsmittelachse durch den zuvor genannten Punkt, in dem sich die Längsmittelachsen der Steuerspulen schneiden. Durch die Initialspule kann ein elektrischer Strom hindurchgeleitet werden, um dadurch das Abtriebselement relativ zu der Lagereinrichtung in eine Initiallage des Abtriebselements zu drehen. Die Initiallage ist eine der zuvor genannten Drehstellungen, in die das Abtriebselement relativ zu der Lagereinrichtung gedreht werden kann. Wird beispielsweise ausgehend von der Initiallage das Abtriebselement mittels der Steuerspulen relativ zu der Lagereinrichtung gedreht und somit aus der Initiallage herausgedreht, so kann daraufhin, wenn dies gewünscht ist, die Initialspule auf einfache Weise zurück in die Initiallage gedreht werden, insbesondere durch Bestromen der Initialspule, das heißt dadurch, dass ein elektrischer Strom durch die Initialspule hindurch geleitet wird.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Kugelmotor die Steuerspulen und die Initialspulen und ansonsten keine weiteren Spulen aufweist, sodass beispielsweise insgesamt höchstens vier oder höchstens fünf Spulen vorgesehen sind, von denen drei beziehungsweise vier Spulen die Steuerspulen und die übrige Spule die Initialspule ist. Dadurch können der Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten des Kugelmotors besonders gering gehalten werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagereinrichtung ein Basiselement und von dem Basiselement abstehende und voneinander beabstandete Lagerelemente aufweist, an welchen das Abtriebselement, insbesondere punktförmig, drehbar gelagert ist. Insbesondere ist je Lagerelement, insbesondere genau, eine punktförmige Lagerung gebildet, mittels welcher das Abtriebselement drehbar gelagert ist. Hierdurch kann eine besonders reibungsarme Lagerung des Abtriebselements realisiert werden, sodass das Abtriebselement besonders präzise und insbesondere auch um kleine Winkelbereiche relativ zu der Lagereinrichtung gedreht werden kann.
Um auch über eine lange Betriebs- und/oder Lebensdauer hinweg eine besonders präzise und reibungsarme Lagerung des Abtriebselements zu realisieren, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens zwei der Lagerelemente bewegbar an dem Basiselement gehalten, mithin relativ zu dem Basiselement bewegbar sind, wobei die wenigstens zwei Lagerelemente mittels einer Federeinrichtung unter Vermittlung des Abtriebselements gegeneinander und dadurch gegen das Abtriebselement gespannt sind. Die Federeinrichtung ist beispielsweise durch, insbesondere wenigstens oder genau, eine insbesondere mechanische Feder gebildet, welche insbesondere als Schraubenfeder ausgebildet sein kann. Mittels der Federeinrichtung ist somit eine Vorspannung der Lagerelemente bewirkbar oder bewirkt, insbesondere unter Vermittlung des Abtriebselements gegeneinander und somit gegen das Abtriebselement, sodass auch über eine lange Betriebs- oder Lebensdauer hinweg eine besonders präzise Lagerung des Abtriebselements gewährleistet werden kann.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Abtriebselement in jeder seiner auch als Drehstellungen bezeichneten Stellungen, in die das Abtriebselement relativ zu der Lagereinrichtung, insbesondere mittels der Spulen, drehbar ist, diesseits eines jeweiligen Großkreises des Abtriebselements an den Lagerelementen, insbesondere zumindest im Wesentlichen punktförmig, und jenseits des jeweiligen Großkreises an wenigstens oder genau einem von den Lagerelementen beabstandeten, weiteren Lagerelement der Lagereinrichtung, insbesondere punktförmig, drehbar gelagert ist. Somit ist beispielsweise das Abtriebselement in Einbaulage des Kugelmotors in vertikaler Richtung nach unten hin an dem weiteren Lagerelement abgestützt und somit gelagert, und in vertikaler Richtung nach oben hin ist das Abtriebselement an den ersten Lagerelementen abgestützt, sodass in vertikaler Richtung erfolgende Relativbewegungen zwischen dem Abtriebselement und der Lagereinrichtung unterbunden sind. In horizontaler Richtung erfolgende Relativbewegungen zwischen der Lagereinrichtung und dem Abtriebselement sind beispielsweise durch die ersten Lagerelemente unterbunden, sodass eine präzise und reibungsarme Lagerung des Abtriebselements dargestellt ist. Insbesondere sind beispielsweise mittels der ersten Lagerelemente und mittels des weiteren Lagerelements alle Freiheitsgrade, insbesondere alle translatorischen Freiheitsgrade, zwischen dem Abtriebselement und der Lagereinrichtung aufgehoben, mit Ausnahme dessen, dass das Abtriebselement wie beschrieben relativ zu der Lagereinrichtung drehbar ist. Somit sind beispielsweise mittels der ersten Lagerelemente und mittels des weiteren Lagerelements translatorische Relativbewegungen zwischen dem Abtriebselement und der Lagereinrichtung, insbesondere vollständig, unterbunden, während beispielsweise die erste Lagerelemente und das weitere Lagerelement die beschriebenen Relativdrehungen, mithin rotatorischen Relativbewegungen, zwischen dem Antriebselement und der Lagereinrichtung zulassen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines Kugelmotors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Bei der Verwendung wird der Kugelmotor verwendet, um mittels des Abtriebselements wenigstens ein erstes Bauelement relativ zu wenigstens einem zweiten Bauelement einer Vorrichtung, insbesondere eines Kraftwagens oder für einen Kraftwagen, zu bewegen. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Perspektivansicht eines Kugelmotors;
2 eine weitere schematische Perspektivansicht des Kugelmotors; und
3 eine weitere schematische Perspektivansicht des Kugelmotors.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht einen Kugelmotor 1, welcher beispielsweise verwendet wird, um wenigstens ein erstes Bauelement relativ zu wenigstens einem zweiten Bauelement einer den Kugelmotor 1 umfassenden Vorrichtung zu bewegen. Die Vorrichtung ist beispielsweise ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein vorzugsweise als Personenkraftwagen ausgebildeter Kraftwagen. Alternativ kann die Vorrichtung beispielsweise ein Roboter, insbesondere ein Industrieroboter, sein. Ist die Vorrichtung beispielsweise das genannte Kraftfahrzeug, so ist das erste Bauelement beispielsweise ein Spiegel, insbesondere ein Rückspiegel und dabei ganz insbesondere ein Außen- oder Innenspiegel, wobei das zweite Bauelement beispielsweise eine Basis wie beispielsweise ein Gehäuse ist, in welchem der Spiegel zumindest teilweise aufgenommen ist. Ist die Vorrichtung beispielsweise der zuvor genannte Roboter, so ist das erste Bauelement beispielsweise ein erstes Teil eines Roboterarms des Roboters, und das zweite Bauelement ist beispielsweise ein zweiter Teil des Roboterarms, wobei die Teile bewegbar miteinander verbunden sind.
Der Kugelmotor 1 wird auch als Stellglied oder Aktor bezeichnet, da, wie noch im Folgenden erläutert wird, der Kugelmotor 1 elektrische Energie, das heißt elektrischen Strom, nutzt, um das erste Bauelement relativ zu dem zweiten Bauelement zu bewegen, mithin elektrische Energie in eine Bewegung des ersten Bauelements relativ zu dem zweiten Bauelement umwandelt oder umsetzt.
Der Kugelmotor 1 weist ein einfach auch als Kugel bezeichnetes, kugelförmiges oder kugelsegmentförmiges Abtriebselement 2 sowie eine Lagereinrichtung 3 auf, an welcher das Abtriebselement 2 drehbar gelagert ist, insbesondere derart, dass die Kugel um wenigstens oder genau zwei senkrecht zueinander verlaufende Drehachsen, mithin um eine erste Drehachse und um eine senkrecht zur ersten Drehachse verlaufende, zweite Drehachse relativ zu der Lagereinrichtung 3 bewegt werden kann. Bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Abtriebselement 2 derart drehbar an der Lagereinrichtung 3 gelagert und somit gehalten, dass die Kugel um ihre mögliche Drehachse, mithin um eine unendlich große Anzahl an Drehachsen, relativ zu der Lagereinrichtung 3 gedreht werden kann, insbesondere beispielsweise solange, bis beispielsweise ein an der Kugel vorgesehener, erster Anschlag in, insbesondere Stützanlage, mit wenigstens einem an der Lagereinrichtung 3 vorgesehenen, zweiten Anschlag kommt. Der erste Anschlag ist vorliegend beispielsweise durch ein Stabelement 4 gebildet, welches an dem Abtriebselement 2 angeordnet und mit dem Abtriebselement 2 relativ zu der Lagereinrichtung 3 mitdrehbar ist. Beispielsweise ist das Abtriebselement 2 über das Stabelement 4 mit dem ersten Bauelement gekoppelt oder koppelbar, sodass durch relativ zu der Lagereinrichtung 3 erfolgendes Drehen des Abtriebselements 2 und somit des Stabelements 4 das erste Bauelement relativ zu dem zweiten Bauelement bewegbar ist. Bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Stabelement 4 außenumfangsseitig zylindrisch ausgebildet, mithin weist das Stabelement 4 außenumfangsseitig die Form eines insbesondere geraden Kreiszylinders auf.
Um nun mittels des Kugelmotors 1 eine besonders vorteilhafte Bewegung auf besonders vorteilhafte Weise realisieren zu können, ist das Abtriebselement 2 bipolar, wodurch das Abtriebselement 2 genau zwei magnetische Pole aufweist, nämlich einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S. Dabei ist eine erste Hälfte, das heißt eine erste Kugelhälfte, des Abtriebselements 2 als der Nordpol N ausgebildet beziehungsweise durch den Nordpol N ausgebildet, wobei die zweite Hälfte, das heißt die zweite Kugelhälfte, des Abtriebselements 2 den Südpol S bildet beziehungsweise durch den Südpol S gebildet ist. Mit anderen Worten ist der Nordpol N die erste Kugelhälfte, und der Südpol S ist die zweite Kugelhälfte des Abtriebselements 2. Bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Lagereinrichtung 3, insbesondere genau, fünf Spulen 5 und 6 auf, wobei die Spule 6 optional vorgesehen ist und somit entfallen kann. Dann würde der Kugelmotor 1 genau vier Spulen, nämlich die Spulen 5, aufweisen. Die Spulen 5 werden auch als Steuerspulen bezeichnet, wobei die Spule 6 auch als Initialspule bezeichnet wird. Die jeweilige Spule 5 ist um einen jeweiligen, korrespondierenden Träger 7 herum gewickelt und insbesondere durch den jeweiligen Träger 7 getragen, das heißt gehalten. Die Initialspule ist beispielsweise um einen korrespondierenden Träger 9 herum gewickelt und insbesondere durch den Träger 9 gehalten. Durch die jeweilige Spule 5, 6 kann ein jeweiliger, elektrischer Strom hindurch geleitet werden, um dadurch das Abtriebselement 2 relativ zu der Lagereinrichtung 3 zu drehen.
1 bis 3 zeigen eine auch als Ausgangslage bezeichnete Initiallage des Abtriebselements 2. In dieser Initiallage fällt eine erste Längsmittelachse des Stabelements 4, welches bezüglich seiner ersten Längsmittelachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist, mit einer zweiten Längsmittelachse eines gedachten Kegels zusammen, welcher bezüglich seiner zweiten Längsmittelachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist. In um die jeweilige Längsmittelachse verlaufender Umfangsrichtung des Abtriebselements 2 sind die Spulen 5 gleichmäßig verteilt angeordnet, sodass entlang der Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Spulen 5 paarweise der gleiche Abstand vorgesehen ist, welcher dadurch, dass genau vier Steuerspulen vorgesehen sind, 90 Grad beträgt. Des Weiteren weist die jeweilige Spule 5 eine jeweilige, dritte Längsmittelachse auf, wobei beispielsweise die jeweilige Spule 5 um ihre jeweilige, gedachte Längsmittelachse gewickelt ist und/oder bezüglich ihrer jeweiligen Längsmittelachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Die zweite Längsmittelachse des gedachten Kegels verläuft senkrecht zu dessen Grundfläche, sodass in die Initiallage die erste Längsmittelachse senkrecht zu der Grundfläche des Kegels verläuft. Die jeweilige, dritte Längsmittelachse der jeweiligen Spule 5 verläuft schräg zur zweiten Längsmittelachse und somit in der Initiallage auch schräg zur ersten Längsmittelachse, wobei die dritten Längsmittelachsen der Spulen 5 den gleichen Winkel mit der zweiten Längsmittelachse einschließen. Somit schließen die dritten Längsmittelachsen der Spulen 5 auch den gleichen Winkel mit der Grundfläche beziehungsweise mit einer Ebene ein, in welcher die Grundfläche verläuft. Die Initialspule (Spule 6) weist eine vierte Längsmittelachse auf, welche mit der ersten Längsmittelachse des Kegels und in der Initiallage mit der zweiten Längsmittelachse zusammenfällt und dabei senkrecht zu der Grundfläche des Kegels verläuft. Die jeweilige Spule 5, 6 ist um ihre jeweilige Längsmittelachse herum gewickelt beziehungsweise bezüglich ihrer jeweiligen Längsmittelachse beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Die dritten Längsmittelachsen schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt, durch welchen die erste Längsmittelachse und in der Initiallage auch die zweite Längsmittelachse hindurch verläuft. Die dritten Längsmittelachsen verlaufen paarweise betrachtet schräg zueinander.
Wird durch die Initialspule ein elektrischer Strom hindurch geleitet, so wird dadurch das Abtriebselement 2 beispielsweise dann, wenn es sich in einer von der Initiallage unterschiedlichen Stellung oder Drehstellung befindet, zurück in die Initiallage relativ zur Lagereinrichtung 3 bewegt. Mit anderen Worten, das Abtriebselement 2 kann relativ zu der Lagereinrichtung 3 in unterschiedliche Stellungen, insbesondere Drehstellungen, gedreht werden. Eine, insbesondere genau eine, der Drehstellungen ist die in den Fig. gezeigte Initiallage. Beispielsweise durch Bestromen der Initialspule kann das Abtriebselement 2 insbesondere dann, wenn es sich zunächst in einer von der Initiallage unterschiedlichen Drehstellung befindet, zurück in seine Initiallage relativ zu der Lagereinrichtung 3 gedreht werden, wodurch die Initiallage als definierte Ausgangsstellung des Abtriebselements 2 einfach eingestellt werden kann.
Die Lagereinrichtung 3 ist ein Gestell, welches ein Basiselement 10 vorliegend mit einer Basisplatte 11 und von der Basisplatte 11 abstehenden Basistürmen 12 aufweist. Die Basistürme 12 sind voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend angeordnet. Von dem jeweiligen Basisturm 12 stehen wenigstens oder genau zwei als Lagerarme 13 und 14 beziehungsweise 15 und 16 ausgebildete Lagerelemente ab, insbesondere derart, dass die Lagerarme 13 und 14 von einem ersten der Basistürme 12 hin zu dem zweiten Basisturm abstehen, und dass die Lagerarme 15 und 16 von dem zweiten Basisturm 12 hin zu dem ersten Basisturm 12 abstehen. Die Lagerarme 13 und 14 sind bewegbar, insbesondere verschwenkbar, an dem ersten Basisturm 12 gehalten, und die Lagerarme 15 und 16 sind bewegbar, insbesondere verschwenkbar, an dem zweiten Basisturm 12 gehalten. Das Abtriebselement 2 ist, insbesondere punktförmig, und somit in, insbesondere genau, einem Lagerpunkt an dem jeweiligen Lagerarm 13, 14, 15, 16 gelagert. Der Träger 9 ist ein weiteres Lagerelement, an welchem das Abtriebselement 2, insbesondere punktförmig, drehbar gelagert ist, sodass vorzugsweise das Abtriebselement 2 in, insbesondere genau, einem Lagerpunkt drehbar an dem Träger 9 gelagert ist.
Das Abtriebselement 2 ist in jeder seiner Drehstellungen, in welche das Abtriebselement 2 relativ zu der Lagereinrichtung 3 drehbar ist, diesseits eines jeweiligen Großkreises des Abtriebselements 2 an den Lagerarmen 13, 14, 15 und 16 und jenseits des jeweiligen Großkreises an dem weiteren Lagerelement (Träger 9) drehbar gelagert. Unter dem jeweiligen Großkreis ist, wie es allgemein bekannt ist, ein jeweiliger, größtmöglicher Kreis auf einer Kugeloberfläche des kugelsegmentförmigen oder kugelförmigen Abtriebselements 2 zu verstehen, wobei der Mittelpunkt des Großkreises immer mit dem Mittelpunkt der Kugel zusammenfällt.
Bezogen auf die Initiallage ist somit das Abtriebselement 2 in eine parallel zur ersten Längsmittelachse beziehungsweise parallel zur zweiten Längsmittelachse verlaufende und durch einen ersten Pfeil 17 veranschaulichte, erste Richtung an dem Träger 9 abgestützt. In einer parallel zur ersten beziehungsweise zweiten Längsmittelachse verlaufende, der ersten Richtung entgegengesetzte und durch einen Pfeil 18 veranschaulichte, zweite Richtung ist das Abtriebselement 2 an den Lagerarmen 13, 14, 15 und 16 abgestützt. Insbesondere in alle Richtungen, die senkrecht zur ersten beziehungsweise zweiten Längsmittelachse und parallel zur Grundfläche des gedachten Kegels verlaufen, ist das Abtriebselement 2 an den Lagerarmen 13, 14, 15 und 16 abgestützt. Somit werden translatorische Relativbewegungen zwischen dem Abtriebselement 2 und der Lagereinrichtung 3, insbesondere vollständig, unterbunden, sodass das Abtriebselement 2 relativ zu der Lagereinrichtung 3 nur derart bewegen kann, dass das Abtriebselement 2 relativ zu der Lagereinrichtung 3 drehbar ist. Hierdurch ist eine definierte und reibungsarme Lagerung des Abtriebselements 2 an der Lagereinrichtung 3 darstellbar.
Die Lagerarme 13 und 15 bilden ein erstes Lagerarmpaar, und die Lagerarme 14 und 16 bilden ein zweites Lagerarmpaar. Je Lagerarmpaar ist, insbesondere genau, eine Federeinrichtung vorgesehen. Die jeweilige Federeinrichtung ist vorliegend durch, insbesondere genau, ein mechanisches Federelement 19 beziehungsweise 20 gebildet, wobei das jeweilige, mechanische Federelement 19, 20 auch als Feder oder mechanische Feder bezeichnet wird. Insbesondere ist die jeweilige mechanische Feder beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet. Das Federelement 19 ist mit den Lagerarmen 13 und 15 gekoppelt, und das Federelement 20 ist mit den Lagerarmen 14 und 16 gekoppelt. Mittels des Federelements 19 sind die Lagerarme 13 und 15 unter Vermittlung des Abtriebselements 2 gegeneinander und somit gegen das Abtriebselement 2 gespannt, und mittels des Federelements 20 sind die Lagerarme 14 und 16 unter Vermittlung des Abtriebselements 2 gegeneinander und somit gegen das Abtriebselement 2 gespannt. Dadurch werden die Lagerarme 13, 14, 15 und 16 in insbesondere direkter und definierter Stützanlage mit dem Abtriebselement 2 gehalten, sodass insbesondere auch über eine lange Lebens- beziehungsweise Betriebsdauer hinweg eine definierte und reibungsarme und dabei insbesondere zumindest im Wesentlichen punktförmige Lagerung des Abtriebselements 2 an der Lagereinrichtung 3 gewährleistet werden kann. Dadurch, dass die Lagerarme 13, 14, 15 und 16 mittels der Federelemente 19 und 20 gegen das Abtriebselement 2 gespannt sind, ist eine Vorspannung der Lagerarme 13, 14, 15 und 16 gegen das Abtriebselement 2 realisiert. Durch die Vorspannung können beispielsweise, insbesondere temperaturbedingte, Volumenänderungen des Abtriebselements 2 kompensiert werden, ohne beispielsweise dass das Abtriebselement 2 ihren Kontakt zu einem der Lagerarme 13, 14, 15 und 16 verliert. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt fungiert oder ist das jeweilige Federelement 19, 20 eine Spannfeder, mittels welcher die Lagerarme 13 und 14 beziehungsweise 15 und 16 gegen das Abtriebselement 2 gespannt sind.
Beispielsweise ist der jeweilige Lagerarm 13, 14, 15, 16 um eine jeweilige Schwenkachse relativ zu dem jeweiligen Basisturm 12 verschwenkbar an dem jeweiligen Basisturm 12 gehalten, wobei beispielsweise die jeweilige Schwenkachse parallel zur ersten beziehungsweise zweiten Längsmittelachse verläuft und von der ersten beziehungsweise zweiten Längsmittelachse beabstandet ist. Insbesondere ist die jeweilige Längsmittelachse als eine Gerade ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Kugelmotor
2: Abtriebselement
3: Lagereinrichtung
4: Stabelement
5: Spule
6: Spule
7: Träger
9: Träger
10: Basiselement
11: Basisplatte
12: Basisturm
13: Lagerarm
14: Lagerarm
15: Lagerarm
16: Lagerarm
17: Pfeil
18: Pfeil
19: Federelement
20: Federelement
N: Nordpol
S: Südpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60305010 T2 [0002]
US 5410232 [0002]

Claims

Kugelmotor (1), mit einem kugelförmigen oder kugelsegmentförmigen Abtriebselement (2), und mit einer Lagereinrichtung (3), an welcher das Abtriebselement (2) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (2) bipolar ist und dadurch genau zwei magnetische Pole (N, S) aufweist, nämlich einen Nordpol (N) und einen Südpol (S), wobei die Lagereinrichtung (3) wenigstens drei Spulen (5) aufweist, durch welche ein jeweiliger elektrischer Strom hindurchleitbar ist, um dadurch das Abtriebselement (2) relativ zu der Lagereinrichtung (3) zu drehen.
Kugelmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5) in Umfangsrichtung des Abtriebselement (2) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Kugelmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Spule (5) eine jeweilige, gedachte Längsmittelachse aufweist.
Kugelmotor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsmittelachsen in einem gemeinsamen Punkt schneiden.
Kugelmotor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachsen paarweise schräg zueinander verlaufen.
Kugelmotor (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachsen auf einer gedachten Mantelfläche eines gedachten, insbesondere geraden, Kreiskegels verlaufen, dessen Grundfläche senkrecht zu einer weiteren Längsmittelachse einer weiteren, als Initialspule ausgebildeten Spule (6) verläuft, durch welche ein elektrischer Strom hindurchleitbar ist, um dadurch das Abtriebselement (2) relativ zu der Lagereinrichtung (3) in eine Initiallage des Abtriebselements (2) zu drehen.
Kugelmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung (3) ein Basiselement (10) und von dem Basiselement (10) abstehende und voneinander beabstandete Lagerelemente (13, 14, 15, 16) aufweist, an welchen das Abtriebselement (2) drehbar gelagert ist.
Kugelmotor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Lagerelemente (13, 14, 15, 16) bewegbar an dem Basiselement (10) gehalten und mittels einer Federeinrichtung (19, 20) unter Vermittlung des Abtriebselements (2) gegeneinander und dadurch gegen das Abtriebselement (2) gespannt sind.
Kugelmotor (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (2) in jeder seiner Stellungen, in welche das Abtriebselement (2) relativ zu der Lagereinrichtung (3) drehbar ist, diesseits eines jeweiligen Großkreises des Abtriebselements (2) an den Lagerelementen (13, 14, 15, 16) und jenseits des jeweiligen Großkreises an wenigstens oder genau einem von den Lagerelementen (13, 14, 15,1 6) beabstandeten, weiteren Lagerelement (9) der Lagereinrichtung (3) drehbar gelagert ist.
Verwendung eines Kugelmotors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kugelmotor (1) verwendet wird, um mittels des Abtriebselements (2) wenigstens ein erstes Bauelement relativ zu wenigstens einem zweiten Bauelement einer Vorrichtung zu bewegen.