DE1030920B

DE1030920B - Einrichtung zur Erzeugung einer linearen Antriebsbewegung, bei der der Rotor eines Elektromotors ueber ein Triebelement auf eine mit der Motorachse koaxiale, gegen Verdrehung gesicherte Gewindespindel einwirkt

Info

Publication number: DE1030920B
Application number: DEW20182A
Authority: DE
Inventors: Myron Edwin Noe
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1955-03-25
Filing date: 1956-11-27
Publication date: 1958-05-29
Also published as: BE546381A; FR70879E; BE553737A; GB797039A; DE1013767B; GB785188A; FR1148679A; US2812455A

Description

DEUTSCHES

Das Hauptpatent betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer linearen Antriebsbewegung, bei der der hohle Rotor eines Elektromotors über ein Triebelement auf eine mit der Motorachse koaxiale, gegen Verdrehung gesicherte, den Hohlraum des Rotors durchsetzende Gewindespindel einwirkt; Kennzeichen der Einrichtung nach dem Hauptpatent ist es, daß die Triebelemente an den einen Enden einer Vielzahl von an Punkten zwischen den Enden des Rotors an diesem radial verschwenkbar angelenkten Rotorarmen vorgesehen sind, daß die anderen Enden dieser Rotorarme mit Elektromagneten in Wechselwirkung arbeiten, welche die Rotorarme im Sinne des Eingriffes der Triebelemente in die Gewindespindel beeinflussen, und daß die Rotorarme unter der Einwirkung von Rückholkräften stehen, welche die Triebelemente bei fehlender Erregung der Elektromagnete aus der Gewindespindel ausrücken.

Die Ausführungsform des Hauptpatentes ist zwar sehr zweckmäßig, hat aber einige Nachteile, so das Fehlen eines festen Drehpunkts für die beweglichen Rotorarme und das Fehlen einer Einrichtung zum Synchronisieren der Bewegung der Rotorarme in dem Sinn, daß das Ausrücken aller Triebmuttern aus der Spindel gleichzeitig erfolgt. Auch sind die zum Ausrücken der Triebmuttern aus der Spindel verfügbaren Federkräfte beschränkt, so daß das Ausrücken nicht genau gesteuert werden kann.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch Verwendung zweier um eine gemeinsame Achse schwenkbar gelagerter Rotorarme, deren gemeinsame Drehachse senkrecht zur Rotorachse angeordnet ist und diese schneidet; hierdurch wird der Mechanismus betriebssicherer als der des Hauptpatents. Bei Verwendung von nur zwei Rotorarmen ist eine bessere Regelung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator des Antriebsmotors möglich und der elektrische Wirkungsgrad in der Folge erhöht.

Nach einigen weiteren Merkmalen der Erfindung sind die beiden Rotorarme durch einen Kupplungsmechanismus miteinander verbunden, und zwar derart, daß ihre Bewegungen um die gemeinsame Drehachse synchronisiert sind.

Die Zeichnungen zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Es stellt dar

Fig. 1 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei eine Hälfte des Rotors im Aufriß dargestellt ist,

Fig. 2 den Schnitt nach Linie II-II zur Fig. 1 vergrößert,

Fig. 3 den Schnitt nach Linie III-III zur Fig. 1 vergrößert,

Fig. 4 den Schnitt nach Linie IV-IV zur Fig. 1 vergrößert,

Ein.rich.tung zur Erzeugung einer linearen Antriebsbewegung, bei der der Rotor

eines Elektromotors über ein Triebelement

auf eine mit der Motorachse koaxiale,

gegen Verdrehung gesicherte

Gewindespindel einwirkt

Zusatz zum Patent 1 013' 767

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
V. Sf. ν. Amerika vom 29. Dezember 1955

Myron Edwin Noe, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 5 den Schnitt nach Linie V-V zur Fdg. 1 vergrößert,

Fig. 6 einen Teil des Rotorrohres der Fig. 1 im Aufriß vergrößert und gegenüber Fig. 1 um 90° gedreht.

Die Einrichtung zur Erzeugung einer linearen Antriebsbewegung umfaßt ein zusammengesetztes Rohr 10, auf dessen äußerer Oberfläche der Stator 12 sitzt. Der Rotor befindet sich im Innern des Rohres 10 und ist mit geeigneten Vorrichtungen 16 zum Antrieb der Gewindespindel 18 ausgerüstet. Das Rohr 10 besteht aus einem oberen Motorrahmen 20 und einem Unterteil 22; die beiden Teile sind zusammengeschraubt. Der Teil 20 ist vorzugsweise aus korrosionsfestem, nichtmagnetischem Werkstoff, z. B. rostfreiem Stahl, gefertigt; der untere Teil 22 besteht aus ähnlichem Material. Wenn es "gewünscht ist, die Vorrichtung vollkommen lecksicher zu machen, so daß sie in Systemen arbeiten kann, die gefährliche Flüssigkeiten enthalten, kann eine Schweißnaht 24 zwischen den beiden Motorrahmenteilen 20 und 22 angeordnet sein. Der Stator 12, der sich an dem oberen

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Rahmenteil 20 befindet, besteht aus einem Paket von Statorblechen 26 mit inneren, offenen Nuten (nicht gezeichnet). In die Nuten ist eine Statorwicklung, z.B. eine Dreiphasenwicklung mit vier Polen eingelegt; an jedem Ende der Statorbleche geht die Wickking in Wicklungsköpfe 28 über. Der Stator ist durch ein Außenrohr 30 abgeschlossen, das auf dem Unterteil 22 aufgeschraubt ist. Zwischen dem Außenrohr 30 und der Außenoberfläche des Stators sind zwei Rohre 32 und 34 vorgesehen, die einen Kühlmantel rings um den Stator bilden. In die Außenoberfläche des inneren Rohres 24 ist eine schraubenlinienförmig verlauf ende Nut 36 eingearbeitet; das äußere Rohr 32 schließt die offene Seite dieser Nut 36 ab, so daß ein geschlossener, rings um die Außenoberfläche des Stators verlaufender Kanal entsteht, in welchem ein Kühlmittel zirkulieren kann. Diese Kühleinrichtung erübrigt sich, wenn das Gerät in einem System arbeitet, bei dem an sich verhältnismäßig kühle Flüssigkeiten oder Medien Verwendung finden.

Der Rotor 14 setzt sich zusammen aus einem Rotorrohr 40, das in dem Rahmenteil 20 mittels eines Wälzlagers 42 am oberen Ende und eines zweiten doppelreihigen Wälzlagers 56 am unteren Ende eingebaut ist. Das Rotorrohr 40 hat ein dünnwandiges oberes _a5 Ende, dessen Stärke am unteren Ende vergrößert ist (Fig. 6) zur Aufnahme des unteren Lagers 56 und zur Anbringung der Lagerung der Rotorarme 64, wie später beschrieben wird. Das untere Ende des Rotorrohres 40 ist mit zwei einander diametral gegenüberliegenden, axialen Schlitzen 75 versehen (Fig. 3) für den Durchgriff der Rotorarme 64. Über dem unteren Lager ist das Rotorrohr auf einen im wesentlichen achteckigen Querschnitt, an welchem die Anbringung der Rotorarme 64 erfolgt, reduziert (Fig. 2). Das Rotorrohr besitzt einen gleichförmigen Innendurchmesser 79, der etwas größer ist als der Durchmesser der Gewindespindel 18, so daß letztere frei durch den Rotor hindurchgeht. Das Rotorrohr besteht aus irgendeinem nichtmagnetischen Werkstoff; vorzuziehen ist ein korrosionsfester Werkstoff, wie rostfreier Stahl. Das obere Wälzlager 42 ist am oberen Ende des Rotorrohres 40 mittels einer Mutter 46 und einer Beilagscheibe 48 gehalten. Die inneren Laufringe der Wälzlager 42 und 50 werden hierdurch gegen eine vorspringende Schulter 44 des Rotorrohres 40 gedrückt. Der äußere Laufring des Wälzlagers 42 ist an dem Motorrahmen 10 mit Gleitsitz gehalten. Das zweite Wälzlager 50, dessen innerer Laufring in der vorerwähnten Weise gehalten wird, ist von dem Lager 42 durch eine Beilagscheibe 52 getrennt. Das Lager 50 dient als Mittel zur Synchronisierung der Rotorarme und gleichzeitig zur Begrenzung der Auswärtsbewegung der Rotorarme, wie später beschrieben wird, und trägt nicht das obere Ende des Rotorrohres. Der innere Laufring des unteren Wälzlagers 56 ist auf das verstärkte untere Ende des Rotorrohres 40 mittels eines zweiteiligen, ringförmigen Keiles 58 montiert (Fig. 3 und 6).

Dieser Keilring befindet sich im Paßsitz in einer Nut 57, die im unteren verstärkten Ende des Rotorrohres vorgesehen ist, und wird mittels eines äußeren Ringes 60 gehalten. Zwei diametral einander gegenüberliegende Kopfschrauben 62, deren jede den Haltering 60 und einen Teil des ringförmigen Keiles 58 durchgreift, sind in den verstärkten unteren Teil des Rotor rohres 40 eingeschraubt und dienen zur Sicherung des Halteringes 60 und der beiden Teile des ringförmigen Keiles 58. Der äußere Laufring des unteren Lagers 56 ist zwischen dem unteren Ende des Motorrahmens 20 und einer Schulter 59 am oberen Ende des unteren Rohrteiles 22 gehalten.

Nächst dem unteren Ende des Rotorrohres 40 sind Rotararme 64 koaxial mit Hilfe zweier einander diametral gegenüberliegender Zapfen 70 drehbar gelagert (Fig. 2 und 6). Der obere Teil eines jeden Rotorarmes 64 ist im Querschnitt gekrümmt und an seiner Außenseite mit einer Nut 68 versehen, die sich in axialer Richtung im wesentlichen über die Länge des Stators 12 erstreckt (Fig. 1 und 4). Eine Kante eines jeden Rotorarmes ist mit einer Kerbe 66 versehen; die andere Seitenkante eines jeden Rotorarmes ist als flache Flanke 67 ausgebildet, so daß die Rotorarme 64 mit den Nuten 68, den Kerben 66 und den flachen Flanken 67 im Zustand der Vereinigung im wesentlichen die Form eines vierpoligen Reluctanz-Rotors bilden. Die Rotorarme bestehen aus magnetischem, korrosionsfestem Werkstoff, wie magnetischem, rostfreiem Stahl. Jeder Rotorarm ist an gegenüberliegenden Seiten unterhalb der Nuten 68 mit zwei vorspringenden Ösen 72 versehen, derart, diafi sich die ösen der Rotorarme gegenseitig überlappen (Fig. 2). Eine weitere Öse 74 erstreckt sich von dem verstärkten unteren Teil des Rotorrohres 40 axial nach oben (Fig. 6), so daß sie die ösen 72 der Rotorarme 74 ihrerseits überlappt. Die Drehzapfen 70 durchgreifen in Flucht liegende Bohrlöcher der ösen 72 und 74 auf jeder Seite, so daß ein koaxiales Schwenklager für die beiden Rotorarme 64 entsteht, wobei die Zapfen 70 durch den Ring 60 gehalten werden. An der Stelle des Durchgangs durch den inneren Laufring des Wälzlagers 56 sind die Rotorarme 64 auf einen Querschnitt von im wesentlichen rechteckiger Form reduziert. Nach dem Durchgang durch den inneren Laufring des Kugellagers 56 sind die Querschnitte auf im wesentlichen Halbkreisform vergrößert (Fig. 5). Die Trieborgane 16 bestehen aus vier Rollentriebmuttern 77 (ähnlich der Ausführungsform des Hauptpatents). Je zwei dieser Triebmuttern befinden sich an dem unteren Ende eines jeden Rotorarmes. Die Triebmuttern 77 sind drehbar in Ausnehmungen der Rotorarme gelagert, und zwar mit Hilfe von Stiften, die sich nach aufwärts erstrecken und in Bohrungen 84 der Rotorarme 64 eingreifen. An den flachen, inneren Stirnflächen der halbkreisförmigen Teile der Rotorarme 64 sind Ausnehmungen 78, 78' und 80 vorgesehen (die Ausnehmungen 78 und 78' über den Triebmuttern 77 und die Ausnehmungen 80 darunter). In die Ausnehmungen sind Druckfedern 82 eingesetzt, von denen nur jene der Ausnehmungen 78, 78' sichtbar sind.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß zwei Rotorarme 64 um eine gemeinsame Achse, also koaxial, gelagert sind. Die gemeinsame Achse ist an dem Rotorrohr 40 befestigt und steht zur Rotorachse in einem Winkel von ungefähr 90°. Durch diese Anordnung ist es möglich, den Luftspalt zwischen der Außenoberfläche der oberen Teile der Rotorarme 64 und der Innenoberfläche des Motorrahmens genau zu regulieren, so daß der Motorwirkungsgrad gegenüber jenem des Hauptpatentes gesteigert werden kann. Die Regulierung des Motorluftspaltes ist möglich, wenn die Trieborgane 16 in die Gewindespindel eingreifen, weil auf diese Weise ein Fixpunkt gegeben ist, der, zusammen mit der festen Schwenkachse, die genaue Einstellung des Motorluftspaltes am oberen Teil der Rotorarme ermöglicht. Auch wird, bei Verwendung nur zweier Rotorarme, die magnetische Anziehung eines jeden derselben bei Erregung des Stators erheb- /i lieh über das gemäß Hauptpatent mögliche Maß ge- "\

steigert; das Einrücken der Triebmuttern 37 in die Gewindespindel 18 erfolgt hierdurch wesentlich sicherer. Auch kann bei Verwendung von nur zwei Rotorarmen, an Stelle von vier, die Materialstärke eines jeden Rotorarmes größer sein, was wiederum eine Erhöhung der magnetischen Anziehung eines jeden Rotorarmes bedeutet.

Die Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die Anordnung von vier Triebmuttern 77 beschränkt. Es kann eine beliebige andere Anzahl von Triebmuttern benutzt werden, ohne daß die Vorteile der Erfindung verlorengehen. Auch können an Stelle von Triebmuttern konische Stifte als Trieborgane Verwendung finden, wie auch schon in dem Hauptpatent gezeigt.

Die Synchronisiervorrichtung (Fig. 4) für die beiden Rotorarme ist in dem äußeren Laufring des oberen Lagers 50 vorgesehen und wird gebildet von zwei diametral einander gegenüberliegenden, verstärkten Teilen 92 des äußeren Lauf ringes und je einer kreisförmigen Bohrung 94 in diesen Verstärkungen. Die Verstärkungen 92 sind nur an dem unteren Flansch 96 des äußeren Laufringes durch gegenüberliegende Ansätze 93 gebildet. Ein Stift 95 am oberen Ende eines jeden Rotorarmes 64 greift in die Bohrungen 94 lose ein, wobei der Stift so angeordnet ist, daß die durch ihn und die Bohrung 94 gebildete gelenkartige Verbindung im wesentlichen in der durch die Längsachse der Einrichtung und die gemeinsame Drehachse der Rotorarme definierten Ebene liegt. Wenn somit das obere Ende eines Rotorarmes 64 sich nach innen bewegt (infolge der bei nicht erregtem Stator am unteren Ende der Rotorarme wirksam werdenden Federkräfte), dann bewegt sich der andere Rotorarm in dem gleichen Maß nach innen, weil er mit dem ersterwähnten Arm gelenkig gekuppelt ist. Der äußere Laufring des Wälzlagers 50 bildet ein Glied, das um seinen Mittelpunkt drehbar ist und mit jedem der beiden Rotorarme 64 gelenkig gekuppelt ist. Dieses Glied kann eine beliebige Form besitzen. Es muß nur um die Rotorachse drehbar sein und kann Teil eines Wälzlagers sein. Wenn bei dieser Anordnung die Spindelbelastung plötzlich von einem Arm genommen wird, dann wird die Federreaktion an diesem unbelasteten Arm durch die beschriebene Synchronisiereinrichtung auf den belasteten Arm übertragen und dadurch die Reibung leichter überwunden. Die Achsmitte des Stiftes 95 eines jeden Rotorarmes soll ungefähr 9U^J von der Drehebene der Rotorarme um die Drehzapfen 70 versetzt sein (Fig. 4), um einen maximalen Wirkungsgrad der Synchronisierung der beiden Rotorarme 64 zu erreichen. Auf diese Weise ist es möglich,' die zur Bewegung der Rotorarme erforderliche Federkraft bei nicht erregtem Stator nach innen zu verringern oder die Betriebssicherheit bei größeren Spindelbelastungen zu erhöhen.

Ein kleiner nach unten gerichteter Flansch 96 am unteren Ende des äußeren Laufringes des Wälzlagers 50 dient zur Begrenzung der Auswärtsbewegung des Rotorarmes 64 durch Wechselwirkung mit einem kleinen Vorsprung 98 am oberen Ende eines jeden Rotorarmes 64.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtung ist dieselbe wie jene der Einrichtung gemäß Hauptpatent. Wenn der Stator mit niederfrequentem Wechselstrom erregt wird, bewegen sich die oberen Teile der Rotorarme infolge der magnetischen Anziehung des Stators nach außen. Diese Bewegung hat zur Folge, daß sich die unteren Teile der Rotorarme nach innen bewegen und so den Eingriff der Trieborgane 16 in die Gewindespindel herbeiführen. Wenn der Rotor 14 umläuft, vermittelt er der Gewindespindel eine lineare Bewegung (geradlinige Bewegung), deren Richtung abhängt von der Drehrichtung des Rotors 14. -Sowohl die Vorschubgeschwindigkeit der Spindel 18 wie auch die Vorschubrichtung derselben können genau geregelt werden durch Beschickung des Stators 12 mit Wechselstrom, dessen Frequenz variiert werden kann. Wird die Frequenz verkleinert, so verringert sich die Vorschubgeschwindigkeit der Spindel; wird die Phasenfolge des Stromes umgekehrt, dann kehrt sich auch die Vorschubrichtung der Spindel 18 um. Wenn es gewünscht ist, die Spindel in einer Stellung zu halten, dann braucht lediglich die Stromfrequenz auf Null und der Stator 12 erregt gehalten zu werden. Wenn es erwünscht ist, die Trieborgane von der Spindel zu lösen und die Spindel in einer Richtung durch andere Mittel zu bewegen, z. B. durch eine Druckfeder, dann ist es lediglich erforderlich, die Erregung von dem Stator 12 zu nehmen; die Federn am unteren Ende der Rotorarme rücken dann die Trieborgane 16 aus der Gewindespindel aus. Letztere kann dann in der Längsrichtung durch andere Mittel bewegt werden. Die Anordnung für den Antrieb der Gewindespindel durch eine Druckfeder bei ausgerückten Triebmuttern ist in dem Hauptpatent beschrieben.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung einer linearen Antriebsbewegung, bei der der hohle Rotor eines Elektromotors über Triebelemente auf eine mit der Motorachse koaxiale, gegen Verdrehung gesicherte, den Hohlraum des Rotors durchsetzende Gewindespindel einwirkt, nach Patent 1 013 767, gekennzeichnet durch zwei um eine gemeinsame Achse schwenkbar gelagerte Rotorarme, deren gemeinsame Drehachse senkrecht zur Rotorachse angeordnet ist und diese schneidet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein von der Gewindespindel koaxial durchsetztes Rohr (40), welches im Motorrahmen (20) drehbar gelagert ist und zwei einander diametral gegenüberliegende, miteinander fluchtende Lagerzapfen (70) trägt, auf welchen die Rotorarme (64) schwenkbar gelagert - sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotorarme durch einen Kupplungsmechanismus verbunden sind, und zwar derart, daß ihre Bewegungen um die Lagerzapfen (70) synchronisiert sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupplungsmechanismus aus einem um die Achse des Rotors drehbaren Gelenkkörper besteht, welcher mit jedem der beiden Rotorarme gelenkig verbunden ist, wobei die Verbindungsstellen im wesentlichen in der durch die Längsachse der Einrichtung und die gemeinsame Drehachse der Rotorarme definierten Ebene liegen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkörper ein frei drehbarer äußerer Kranz eines Kugellagers (50) ist, dessen innerer Kranz auf dem Rohr (40) sitzt, und daß die Endzapfen (95) eines jeden Rotorarmes (64) gelenkig mit dem äußeren Kranz verbunden sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen