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Die Erfindung betrifft Schieber mit einem Gehäuse und mit einem Gewindetrieb mit einer Spindel und einer damit zusammenwirkenden Spindelmutter, die durch Lager drehbar im oder am Gehäuse gehaltert ist und die an einem axialen Ende in eine fest mit der Spindelmutter verbundene Hohlwelle, die zur Verbindung mit einem Elektromotor oder einem anderen Antrieb geeignet ist, übergeht, wobei die Hohlwelle und die Spindel eine gemeinsame Längsachse besitzen und die Hohlwelle derart dimensioniert ist, dass die Spindel in den Innenraum der Hohlwelle (13) hineinragen kann.
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Hydraulische Schieber beziehungsweise pneumatische Stellzylinder werden in der Industrie und im Maschinenbau häufig eingesetzt. Derartige Schieber beziehungsweise Schiebereinheiten finden zum Bewegen auch schwerer Teile Anwendung, insbesondere im Formenbau, in der Gießerei-Industrie sowie in der Verpackungsindustrie. Ein Hydraulikschieber der genannten Art ist beispielsweise beschrieben in der
DE 10141745 A1 .
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Aufgrund der verschiedenen Nachteile von hydraulischen Schiebern ist es auch schon vorgeschlagen worden, diese hydraulischen Schieber durch elektrische Stellzylinder zu ersetzen, man vergleiche Antriebstechnik 3/2013 Seite 46 „Wenn die Luft raus ist" von Manfred Brucksch-Richter. Bei diesen bekannten elektrischen Stellzylindern werden Kugelgewindetriebe eingesetzt.
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Kugelgewindetriebe im speziellen und Spindelmotoren im allgemeinen sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise wird in diesem Zusammenhang verwiesen auf die
WO 2010/089073A1 und die dort diskutierten Druckschriften.
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Diese bekannten Spindelmotoren basieren üblicherweise auf einem Elektromotor, der mit einer Gewindespindel verbunden ist, deren Gewinde mit einem Gewinde einer mit einer Kolbenstange verbundenen Spindelmutter im Eingriff steht. Das Motorgehäuse des Elektromotors und das Gehäuse mit dem Spindelmotor sind axial hintereinander angeordnet. Das Drehmoment des Elektromotors, als eigene Einheit, wird durch Kupplung/Getriebe/Riementrieb auf die Gewindespindel übertragen.
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Der Elektromotor und der Spindeltrieb stellen zwei axial hintereinander angeordnete separate Teile dar. Anders ausgedrückt, der Spindeltrieb ist quasi nur vor dem Elektromotor angeflanscht.
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In der
EP 2 093 863 B1 ist ein Hohlwellenmotor zur Ankopplung an eine Maschinenwelle beschrieben. Bei diesem Hohlwellenmotor, der einen Stator und einen Hohlwellenrotor, die koaxial zueinander angeordnet sind, umfasst, handelt es sich um einen sogenannten Direktantrieb. Bezüglich des Einsatzgebietes von derartigen Direktantrieben wird auf die genannte Druckschrift verwiesen.
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Ferner ist es bekannt, ein Kugelumlaufgewindetrieb mit einem Elektromotor auszustatten, der einen Hohlwellen-Elektromotor darstellt. So ist in der
DE 1985 78 05 A1 eine Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb bekannt, bei dem die Kugelumlaufspindel durch die Kugelumlaufmutter und den Elektromotor hindurchgeführt wird. Dabei wird insbesondere die Kugelumlaufmutter durch den Elektromotor angetrieben.
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Aus der
WO 2009/074032 A1 ist ein elektrisch angetriebener Linearstellzylinder bekannt, der mit einem Gewindetrieb aus einer Spindel und einer damit zusammenwirkenden Spindelmutter ausgestattet ist. Die Spindelmutter geht an einem axialen Ende in eine fest mit der Spindelmutter verbundene Hohlwelle über. Diese Hohlwelle ist mittels Lager an einem Gehäuse drehbar gehaltert. Eine Lagerung im Bereich der Spindelmutter ist nicht gegeben.
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Bei dem aus der
DE 10 2008 025 797 A1 bekannten linearen Stellglied wird letzteres mit einem Elektromotor über eine Kugelumlaufspindel angetrieben. Die Kugelumlaufspindel ist koaxial an einem Ende einer Motorwelle angeordnet. Die Motorwelle ist mit Hilfe eines Paares von Rollenlager drehbar bezüglich eines Gehäuse abgestützt. Zwischen dem Gehäuse und einer Mutter der Kugelumlaufspindel ist ein Rollenlager angeordnet.
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Die
US 6,453,761 B1 beschreibt einen Schieber mit einer kugelgelagerten Spindelmutter und einer damit zusammenwirkenden Spindel, die in einem Gehäuse angeordnet sind, aus dem die Spindel herausgeführt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schieber bereitzustellen, der auch als E-Motorschieber bezeichnet werden kann, der als direkter Ersatz und somit als Direktantrieb für pneumatische Stellzylinder beziehungsweise hydraulische Schieber in den verschiedensten Anwendungsgebieten in der Industrie und im Maschinenbau eingesetzt werden kann und der leistungsfähiger ist als die bisher bekannten Schieber, indem er unter anderem die bei Betrieb auftretenden Belastungen aufnehmen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Schieber mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Schieber ist mit einem Gehäuse ausgestattet, in dem sich ein Gewindetrieb mit einer Spindel und einer damit zusammenwirkenden Spindelmutter befindet. Durch den Begriff „Zusammenwirken” wird zum Ausdruck gebracht, dass sich die Spindel in Axialrichtung bewegt, wenn die Spindelmutter gedreht wird beziehungsweise rotiert. Ein Mitdrehen der Spindel wird durch die Befestigung der Spindel an der Frontplatte mit einer eigenen Verdrehsicherung oder auf andere Weise verhindert.
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Die Spindelmutter des erfindungsgemäße Schiebers geht an einem axialen Ende in eine fest mit der Spindelmutter verbundene oder damit einstöckige Hohlwelle über.
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Die Längsachse der Hohlwelle fällt mit der Längsachse der Spindel zusammen. Die Hohlwelle ist derart dimensioniert, dass die Spindel in die Hohlwelle (genauer in den von der Hohlwelle umgrenzten Innenraum) hineinragen kann. Die Spindel ist somit derart geführt, dass sie in Richtung der Längsachse hin- und herbewegt werden kann.
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Die Hohlwelle dient dazu, mit einem Elektromotor oder einem anderen Antrieb verbunden zu werden, so dass durch diesen Motor bzw. Antrieb die Hohlwelle und somit die Spindelmutter gedreht wird.
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Der Gegenstand der Erfindung ist gemäß einer ersten Variante ein Schieber als solcher, der somit nicht mit einem Elektromotor oder Ähnlichem fest verbunden oder ausgestattet ist. Gleichwohl ist auch Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemäß einer zweiten Variante ein Schieber, der mit einem Elektromotor ausgestattet ist. Darauf wird jedoch erst später eingegangen.
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Der erfindungsgemäße Schieber zeichnet sich dadurch aus, dass die Lager der Spindelmutter derart angeordnet sind, dass sich die Spindelmutter zumindest teilweise zwischen den beiden Lagern erstreckt sind und die Lager sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen können.
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Es ist zwar möglich, dass sich die Spindelmutter an einem axialen Ende und/oder am anderen axialen Ende über das dazugehörige Lager hinauserstreckt. Die Lager sind jedoch vorzugsweise an den axialen Enden der Spindelmutter angeordnet. Anders ausgedrückt, die Lager sind axial beabstandet und befinden sich vorzugsweise an den axialen Enden der Spindelmutter.
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Die Lager sind derart angeordnet, dass Sie bei Belastung und somit beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Schiebers sowohl axiale Kräfte als auch radiale Kräfte aufnehmen können.
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Der erfindungsgemäße Schieber zeichnet sich ferner dadurch aus, dass sich die Hohlwelle ausgehend von der Spindelmutter außerhalb des gelagerten Bereichs an diesen Bereich anschließt. Die Hohlwelle ist dabei fest mit der Spindelmutter verbunden und zweckmäßigerweise einstückig damit.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hohlwelle derart dimensioniert, dass die Spindel durch den Innenraum der Hohlwelle hindurchragen kann bzw. hindurch erstrecken kann.
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Wird die Spindel in Axialrichtung zur Hohlwelle hin und her bewegt, wird sie in die Hohlwelle hinein und vorzugsweise durch die Hohlwelle hindurch geschoben.
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Nach einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform, kann die Spindel in einen Hohlraum hineinragen. Der Hohlraum, die Spindel und die Hohlwelle besitzen dabei eine gemeinsame Längsachse. Dieser Hohlraum kann sich an die Hohlwelle axial anschließen. Allerdings kann dieser Hohlraum auch derart konfiguriert sein, dass die Hohlwelle teilweise in den Hohlraum hineinragt.
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Wird die Spindel in Axialrichtung zur Hohlwelle hinbewegt, wird sie in die Hohlwelle hinein und danach vorzugsweise durch die Hohlwelle hindurch insbesondere in den Hohlraum geschoben.
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Das Gehäuse umschließt vorzugsweise den Innenraum, in dem die Spindelmutter und die dazu gehörigen Lager angeordnet sind. Vorzugsweise sind lediglich die Hohlwelle und die Spindel aus diesem Innenraum heraus geführt.
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Dieser Innenraum kann quasi einen virtuellen Innenraum darstellen, bei dem das Gehäuse nicht alle Seiten des Innenraumes abdeckt, so dass der Innenraum teilweise offen ist.
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Vorzugsweise umschließt das Gehäuse mit seinen verschiedenen Elementen, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird, diesen Innenraum. Mit anderen Worten, der Innenraum ist vorzugsweise nach außen hin geschlossen. Lediglich die Spindel und die Hohlwelle sind aus dem Innenraum – wie oben dargelegt – herausgeführt.
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Der erfindungsgemäße Schieber stellt somit eine separat handhabbare Einheit dar, die lediglich noch mit einem Antrieb zu verbinden ist. Dies ist auf einfache Weise möglich, da die Hohlwelle axial im Anschluss an die Spindelmutter angeordnet ist und vorzugsweise aus dem virtuellen Innenraum und insbesondere aus dem nach außen hin geschlossenen Innenraum hinausragt.
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Die Form des Innenraumes bzw. die dessen Querschnittsform kann im Prinzip beliebig sein. So kann dieser Innenraum beispielsweise eine längliche Form und insbesondere quaderförmig sein. Vorzugsweise ist der Innenraum jedoch hohlzylinderförmig bzw. stellt einen Hohlzylinder da, der an seinen beiden axialen Enden durch ein Gehäuseelement oder eine separate Abschlusswand verschlossen ist.
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Dieser Innenraum kann beispielsweise durch die radiale Wand eines Hohlzylinders umschlossen werden und somit durch die Wand gebildet werden. Zudem ist es auch möglich, diesen Innenraum in einem Quaderblock oder ähnlichem auszubilden.
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Bei dem Gewindetrieb handelt es sich vorzugsweise um einen Kugelumlaufgewindetrieb mit einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelumlaufmutter. Obige im Zusammenhang mit der Spindelmutter gemachten Darlegungen beziehen sich somit in gleiche Weise auf die Kugelumlaufmutter.
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Statt einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelumlaufmutter kann auch eine Planetenrollspindel, eine Spindel und eine Planetenwälzmutter umfassend, eingesetzt werden, wobei eine Drehbewegung durch Rollreibung in eine Linearbewegung umgesetzt wird.
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Gemäß einer zweiten Variante ist der erfindungsgemäße Schieber vorzugsweise mit einem Elektromotor ausgerüstet, der mit einem Rotor und einem Stator ausgestattet ist und die Spindelmutter antreiben und somit drehen kann. In diesem Fall ist Gegenstand der Erfindung eine Kombination aus einem erfindungsgemäßen Schieber und einem Elektromotor.
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Der Elektromotor steht mit der Hohlwelle in Wirkverbindung. Damit soll zum Ausdruck gebracht werden, dass der Elektromotor das durch ihn ausgeübte Drehmoment auf die Hohlwelle überträgt. Der Elektromotor ist somit direkt oder indirekt (wird nachstehend erläutert) mit der Hohlwelle verbunden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor des Elektromotors drehstarr (und somit direkt) an der Hohlwelle befestigt oder über ein Getriebe (und somit indirekt), insbesondere über ein Planetengetriebe, damit verbunden, während der Stator fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Es ist lediglich erforderlich, dass der Rotor das durch den Elektromotor erzeugte Drehmoment auf die Spindelmutter überträgt und somit dreht bzw rotiert.
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Die Hohlwelle kann auch – wie bereits oben dargelegt – als ein Hohlwellenstutzen bezeichnet werden, der an einem axialen Ende mit der Spindelmutter verbunden ist. Die axiale Länge der Hohlwelle bzw. des Hohlwellenstutzens ist im Prinzip beliebig. Erforderlich ist lediglich, dass der Elektromotor und vorzugsweise der Rotor wirkmäßig damit verbunden bzw. in Wirkverbindung gebracht werden kann, indem er beispielsweise daran angeflanscht wird. Das Merkmal „Hohlwelle” umfasst in den nachfolgenden Darlegungen auch das Merkmal „Hohlwsellenstutzen”.
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Da der Rotor über die Hohlwelle an der Spindelmutter befestigt ist, wird er durch die Lagerung der Spindelmutter quasi „mitgelagert”, denn letztere ist drehbar in dem oder an dem Gehäuse des Schiebers gelagert. Der Elektromotor und auch das rotierende Element dieses Elektromotors bzw. der Rotor verfügt somit vorzugsweise über keine eigene Lagerung. Das sich nicht drehende Element des Elektromotors bzw. der Stator ist natürlich fest mit dem Gehäuse verbunden beziehungsweise daran befestigt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind der Rotor und der Stator konzentrisch um einen Hohlraum angeordnet; die Längsachse dieses Hohlraumes fällt mit der Längsachse der Spindel und der Hohlwelle zusammen. Somit verfügen der Hohlraum, die Spindel und die Hohlwelle über eine gemeinsame Längsachse.
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Dieser Hohlraum ist bei letzterer Ausführungsform vorzugsweise gemäß einer ersten Alternative axial anschließend an die Hohlwelle angeordnet und derart dimensioniert und ausgestaltet, dass die Spindel in den Hohlraum hineinragen kann. Bei dieser Alternative sind der Rotor und der Stator des Elektromotors in Axialrichtung zum Gewindetrieb angeordnet. Mit anderen Worten, der Gewindetrieb und der Elektromotor sind in Axialrichtung hintereinander angeordnet. Die Längsachse des Gewindetriebes und somit der Spindel fällt mit der Längsachse des Elektromotors zusammen beziehungsweise stellt dessen Verlängerung dar.
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Mit dem erfindungsgemäßen Schieber können nicht nur starke axiale Kräfte erzeugt werden, sondern auch eine kompakte Bauweise erreicht werden.
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Im Falle der oben beschriebenen ersten Alternative wird durch die axiale Hintereinander-Anordnung von Gewindetrieb und Elektromotor der Außendurchmesser klein gehalten. Vorzugsweise wird bei dieser Alternative auch der Elektromotor von einem Gehäusebereich umgeben. Dieser Gehäusebereich stellt eine Art einer axialen Fortsetzung des Gehäuse des Gewindetriebes dar.
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Im Gesamt-Gehäuse, aufgebaut aus dem Gehäuse des Gewindetriebes und dem Gehäusebereich des Elektromotors, sind somit beide Elemente angeordnet. Dadurch wird eine Art stabmäßige Form mit beispielsweise rundem oder viereckigem Querschnitt erzielt, die bestens geeignet ist, vorhandene und somit bereits bekannte sowie häufig zum Einsatz kommende Hydraulikantriebe zu ersetzen, welche in vielen Fällen die gleiche Form besitzen.
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Bei einer zweiten Alternative ist das Gehäuse zusammen mit dem darin befindlichen Gewindetrieb zumindest teilweise im Inneren des Hohlraumes angeordnet. Rotor und Stator und somit der Elektromotor sind zumindest teilweise radial außen von der Spindelmutter sowie dem dazugehörigen Gehäuse angeordnet. Zweckmäßigerweise ragt der Elektromotor nicht in Axialrichtung über das Gehäuse der Spindelmutter bzw. die Spindelmutter hinaus. Der Durchmesser des erfindungsgemäßen Schiebers ist bei dieser Alternative zwar größer als bei der ersten Alternative. Allerdings ist im Gegenzug die axiale Baulänge kürzer, so dass diese Alternative bei bestimmten beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass der Elektromotor zumindest teilweise in Axialrichtung über das Gehäuse der Spindelmutter bzw. die Spindelmutter hinausragt.
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Vorzugsweise stellt der Elektromotor einen Synchronmotor dar. Durch diesen Aufbau als Synchronmotor wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Durch eine optimierte Wicklung können das Drehmoment und die Verluste reduziert werden.
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Der Rotor des Elektromotors stellt vorzugsweise einen Außenläufer dar.
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Weiterhin bevorzugt stellt der Rotor eine Glocke dar bzw. besitzt die Form einer Glocke, die sich koaxial zur Längsachse der Spindel in Axialrichtung anschließend an die Spindelmutter erstreckt und mittels derer der Rotor drehstarr mit der Hohlwelle verbunden ist. Der Stator ist in dem von der Glocke umgrenzten Innenraum angeordnet.
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Die Glocke und daher der Außenläufer sind somit an der Spindelmutter gelagert. Die Glocke bzw. der Rotor bildet eine Einheit mit dieser Spindelmutter. Die Lagerung des Rotors erfolgt über die axiale Lagerung der Spindelmutter. Der Elektromotor besitzt daher vorzugsweise keine eigene Lagerung und erspart somit zusätzlichen Einbauraum. Durch diese Ausgestaltung besitzt der Außenläufer bei gleicher Baugröße ein höheres Drehmoment. In diesem Fall werden die Drehmomente des Rotors von der Glocke aufgenommen und von dort direkt auf die Spindelmutter übertragen.
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Handelt es sich um einen Synchronmotor, sind die Magnete vorzugsweise innen an der Glocke befestigt, die sich koaxial zur Achse der Spindel und somit auch des Motors erstreckt und an dem zur Spindelmutter zeigenden Ende drehstarr und somit fest sowie insbesondere unlösbar mit letzterer verbunden. Die Magnete des Rotors befinden sich dabei zweckmäßigerweise an der radial innen liegenden Wand der Glocke, die nachstehend noch näher beschrieben ist.
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Der Stator ist in dem bzw. im Inneren des von der Glocke umgrenzten Innenraum angeordnet. Das Reaktionsmoment des Stators wird insbesondere über eine rückseitige Abdeckung auf das Gehäuse übertragen.
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Die Spindelmutter bzw. Kugelumlaufmutter übernimmt neben der Funktion als Spindelantrieb für die Linearbewegung der Spindel zusätzlich auch die Funktion der Axial-Lagerung. Über diese Axial-Lagerung werden die gesamten Kräfte in axialer, radialer und tangentialer Richtung, welche auf die Spindel einwirken, direkt auf die Befestigung des Gehäuses des Gewindetriebes übertragen. Der Elektromotor wird nur durch das magnetischen Reaktionsmoment (Drehmoment) des Antriebes belastet.
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Über den Antriebsstrang werden nur die Drehmomente des Rotors aufgenommen.
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Der hohe Wirkungsgrad des Synchronmotors in Verbindung mit dem reibungsoptimierten Kugelgewindetrieb reduziert die Verluste des Systems. Die elektrischen und mechanischen Verluste können auf ein Minimum reduziert werden. Die erfindungsgemäße Entwicklung gewährleistet durch die minimalen Verluste eine deutlich höhere Energieeffizienz als vergleichbare hydraulische Konzepte und gewährleistet bei gleicher Leistung eine höhere Einschaltdauer.
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Letztere Aussagen gelten natürlich auch für den Fall, dass statt eines Elektromotors ein anderer Antrieb eingesetzt wird und mit der Hohlwelle direkt oder indirekt verbunden ist.
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Weiterhin bevorzugt ist am freien Ende der Spindel ein absolutes sich in axialer Richtung erstreckendes absolutes Linearmesssystem angeordnet, das die Spindelstellung erfassen und den Elektromotor steuern kann. Eine absolute Messung vereinfacht die Inbetriebnahme und das Starten des Systems, da stets die absolute Position der Spindel angezeigt wird. Ein Referieren beim Start kann somit entfallen. Gleichzeitig können die Position für die Eingrenzung der Bewegung beim Anwender über Softwareprogramme erfasst werden, so dass kein eigener Endschalter benötigt wird. Zusätzliche Endschalter für Sicherheitsbegrenzungen können im Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses in bekannter Weise über Schaltfahnen für Notausfunktionen angebracht werden. Die absolute Messung kann sowohl über ein absolut akustisches Messverfahren sowie über ein rotatives Messverfahren erfolgen.
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Die Kühlung des Stators kann über Wärmeleitung erfolgen oder mit Hilfe elektrisch arbeitender Peltier-Kühlelemente vorgenommen werden. Für eine besonders hohe Kühlleistung, beispielsweise bei langer Einschaltdauer, wird ein axialer Ventilator eingesetzt.
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Der erfindungsgemäße Schieber ist derart konzipiert, dass ein bestehender hydraulischer Schieber durch den Austausch der Hydraulik beispielsweise in einen E-Motorschieber umgebaut werden kann. Die Abmessungen für den Einbauraum müssen nicht verändert werden. Somit kann ein hydraulischer Schieber direkt gegen den erfindungsgemäßen Schieber ausgetauscht werden.
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Der erfindungsgemäße Schieber wird von einer elektrischen Steuerung angetrieben, die in jeder CNC Maschine mehrfach verwendet wird. Energie wird lediglich benötigt, wenn der Schieber bewegt wird.
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Beim erfindungsgemäßen Schieber sind die bewegten Massen reduziert. Dadurch kann die Regelung des Antriebes wesentlich dynamischer erfolgen.
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Die Montage und Demontage im Falle eines Elektromotors erfolgt durch Verbinden des Rotors mit der Spindelmutter und durch einfaches Aufschieben des Statorpakets mit dem dazugehörigen Gehäuse und Endelement, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird.
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Der erfindungsgemäße Schieber wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1a einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schieber gemäß einer ersten Variante nach einer ersten Alternative,
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1b einen dem Längsschnitt der 1a analogen Längschnitt durch eine zweite Alternative eines erfindungsgemäßen Schiebers gemäß der ersten Variante,
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1c einen dem Längsschnitt der 1a analogen Längschnitt durch eine dritte Alternative eines erfindungsgemäßen Schiebers gemäß der ersten Variante,
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1d eine perspektivische Ansicht des in der 1c gezeigten Schiebers, bei dem ein Teil des Gehäuses weggebrochen ist,
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2 einen Längsschnitt durch den in der 1c gezeigten Schieber gemäß einer zweiten Variante, bei der der Schieber mit einem Elektromotor ausgestattet ist,
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3 einen Längsschnitt durch einen in der 1a gezeigten Schieber gemäß einer zweiten Variante, bei der der Schieber mit einem Elektromotor ausgestattet ist, und
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4 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schiebers gemäß der zweiten Variante, bei der der Schieber mit einem indirekt damit verbundenen Elektromotor ausgestattet ist.
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In der 1a ist ein Längsschnitt durch eine erste Variante eines Schiebers 1 gezeigt. In einem Gehäuse 3, 33, 44 ist eine Kugelumlaufmutter 4 drehbar gelagert ist. Durch diese Kugelumlaufmutter 4 erstreckt sich eine Spindel in Form einer Kugelumlaufspindel 5. In einem Kugelkanal 10 befinden sich als Wälzkörper dienende Kugeln. Aus Kugelumlaufmutter 4, Kugelumlaufspindel 5 sowie den Kugeln im Kugelkanal 10 wird ein Kugelumlaufgewindetrieb gebildet, dessen Ausgestaltung bekannter Natur.
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An einem Ende der Kugelumlaufmutter 4 (rechts in der 1a) geht diese in einen koaxialen Hohlzylinderstutzen 13 über. Dies stellt das antriebsseitige Ende des Gewindetriebes dar, denn der Hohlzylinderstutzen 13 dient zur Verbindung mit einem Antrieb, beispielsweise einem Elektromotor. Mit diesem Hohlzylinderstutzen 13 wird ein Antrieb entweder drehstarr oder mittels eines Getriebes verbunden.
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Das Gehäuse besitzt eine sich in der Schnittansicht in Längsrichtung erstreckende Seitenwand 3, die antriebsseitig in eine sich radial erstreckende Abschlusswand 33 übergeht, in der sich eine zylindrische Durchgangsöffnung 34 befindet, durch welche sich der Hohlzylinderstutzen 13 aus dem Gehäuse heraus und somit nach außen erstreckt.
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Die Seitenwand 3 umgrenzt radial einen hohlzylindrischen Innenraum 12. Durch diese Seitenwand 2 wird somit ein hier auch als virtuell bezeichneter Innenraum begrenzt, obwohl dieser Innenraum 12 nicht vollständig nach außen abgeschlossen ist. Kommen weitere Elemente hinzu, dann kann sich auch ein tatsächlich abgeschlossener Innenraum 12 ergeben.
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An einer Stirnseite des Innenraumes 12 wird dieser durch die Abschlusswand 33 nach außen hin teilweise abgeschlossen wird. Die Durchgangsöffnung 34 wird durch den sich dadurch erstreckenden Hohlzylinderstutzen 13 ausgefüllt, so dass der Innenraum 12 dadurch an dieser Stirnseite vollständig nach außen hin abgeschlossen wird.
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Die Seitenwand 3 stellt eine radial umlaufende Seitenwand dar. Der Schieber 1 stellt bei dieser Variante ein stabförmiges Element dar. Der Innenraum besitzt die Form eines Hohlzylinders. Der erfindungsgemäße Schieber ist jedoch nicht auf diese Form des Innenraumes beschränkt, der beispielsweise im Querschnitt auch im wesentlichen quadratisch sein kann und zweckmäßigerweise abgerundeten Ecken besitzt.
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Der Innenraum 12 ist an der anderen Stirnseite durch eine Kreisringscheibe 44 teilweise abgeschlossen. Diese Kreisringscheibe 44 ist am radialen Außenrand mit einem Gewinde 45 versehen, das mit einem gegenüberliegenden, an der Innenwandung der Seitenwand 3 ausgebildeten Gewinde 46 derart zusammenwirkt, dass die Kreisringscheibe 43 in den Innenraum 42 eingedreht werden kann.
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Die Kreisringscheibe 44 umgrenzt eine Durchgangsbohrung 47, in welche sich ein hohlzylindrische Fortsatz 48 der Kugelumlaufmutter 4 hinein, jedoch nicht darüber hinaus erstreckt. Durch diesen Fortsatz 48 kann sich die Kugelumlaufspindel 5 nach draußen erstrecken. Auf diese Weise wird der hohle Innenraum 12 auch auf dieser Stirnseite vollständig nach außen abgeschlossen.
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Sowohl zwischen der Kreisringscheibe 44 und dem Fortsatz 48 als auch zwischen der Abschlusswand 33 und dem Hohlzylinderstutzen 13 befinden sich Abstreifringe bzw. Bürsten 49, 49', um ein Eindringen von Schmutz zu verhindern.
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An der Kreisringscheibe 44 ist axial innen zum Innenraum 12 hin ein ersten Lager 8 abgestützt. An dem anderen axialen Ende des Innenraumes 12 befindet sich ein zweites Lager 9, das in Axialrichtung an der Abschlusswand 33 abgestützt ist. Diese beiden Lager 8, 9 kommen auch axial gegen die Kugelumlaufmutter 4 in Anlage.
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Durch Eindrehen der Kreisringscheibe 43 kann das Lager 8 mit der Kugelumlaufmutter 4 und über die Kugelumlaufmutter 4 auch mit dem zweiten Lager 9 verspannt werden. Dadurch können sehr starke axial auftretende Kräfte zwischen Kreisringscheibe 43 und Abschlusswand 33 aufgenommen werden.
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Die Lager 8 und 9 liegen radial außen an der Seitenwand 3 des Innenraumes 12 und auch an der Kugelumlaufmutter 4 an und können daher auch radial wirkende Kräfte aufnehmen. Auf Grund dieser Anordnung könne nicht nur radiale sowie axiale Kräfte sondern auch tangentiale Kräfte aufgenommen werden.
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Die Kugelumlaufmutter 4 besitzt die Form eines Hohlzylinderrohres und ist an ihren beiden axialen Enden durch die Lager 8, 9 in dem Innenraum 12 drehbar gelagert. Die Kugelumlaufspindel 5 ragt beidseitig bei der in der Zeichnung gezeigten Position aus demjenigen Abschnitt des Gehäuses 3, 33, 44 heraus, in dem der Kugelumlaufgewindetrieb untergebracht ist. Der Kugelumlaufgewindetrieb ist durch das axial beidseitig geschlossene Gehäuse gegen äußere Verschmutzung geschützt.
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Die Seitenwand 3 besitzt eine Öffnung 11, durch welche von außen ein Schmiermittel in den radial umlaufenden hohlen Zwischenraum zugeführt werden kann. Dieser Zwischenraum befindet sich zwischen dem Außenmantel der Kugelumlaufmutter 4 und der Innenwandung der Seitenwand 3 axial zwischen den beiden Lagern 8, 9.
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Die Seitenwand 3 besitzt an demjenigen Ende, welches dem Hohlzylinderstutzen 13 gegenüberliegt, einen umlaufenden Ringflansch 39 mit mehreren Bohrungen 40. Mittels dieses Ringflansches 39 kann das Gehäuse an einem anderen Maschinenelement befestigt werden. Diese Befestigung bzw. dieser Anbau an ein weiteres Maschinenelement ist nicht dargestellt.
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Der in der 1b gezeigte Längsschnitt eines Kugelumlauf-Schiebers 1 entspricht dem in der 1a gezeigten Längsschnitt. Der Unterschied besteht in der Art und Weise, wie dieser Schieber 1 mit einem weiteren Maschinenteil verbunden ist. So ist die Seitenwand 3 radial außen mit einem weiteren Maschinenelement 41 verbunden.
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Der in der 1c gezeigte Schieber 1 entspricht in wesentlichen Elemente ebenfalls den bisher beschriebenen Schiebern. Daher werden nachstehend auch nur die Unterschiede näher erläutert.
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Ein Unterschied besteht darin, dass der Innenraum 12 in einem in etwa quaderförmigen Materialblock 50 (man vergleiche 1d) in Form einer hohlzylindrischen Sackbohrung ausgenommen ist. In diesem Materialblock sind auch 4 Führungszylinder 51 axial verschiebbar gelagert sind, die mit einem Stempel 52 verbunden sind, der durch die damit ebenfalls verbundene Kugelumlaufspindel 5 in Axialrichtung hin- und herbewegt werden kann. Das Gehäuse 3 wird in diesem Fall vom Materialblock 50 gebildet.
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Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Kreisringscheibe 44 radial nach innen bis zur Kugelumlaufspindel 5 heran reicht. Die Durchgangsbohrung 47 wird somit lediglich durch die Kugelumlaufspindel 5 ausgefüllt.
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Die in den 1a bis 1d gezeigten Schieber 1 gemäß der ersten Variante stellen eine separat handhabbare Einheit dar, die lediglich mit einem Antrieb versehen werden muss, um ihre Funktion eines Schiebers erfüllen zu können. Um dies zu erreichen, wird die Hohlwelle 13 direkt oder indirekt mit einem Antrieb verbunden.
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Die Kombination aus einem Schieber 1 mit einem Antrieb kann wiederum ebenfalls eine separat handhabbare Einheit bilden. Es ist jedoch auch möglich, den Schieber 1 mit einem Antrieb zu verbinden, der bereits in einem Arbeitsgerät vorhanden bzw. dort ausgebildet ist.
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Bei der in der 2 gezeigten Ausführungsform ist der Schieber 1 mit einem Elektromotor 2 verbunden. Schieber 1 und Elektromotor 2 sind dabei in Axialrichtung nacheinander bzw. hintereinander angeordnet. Die im Zusammenhang mit den in den 1a, b, c und d erläuterten Elemente sind in der 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der Elektromotor 2 ist mit einem Stator 20 und einem Rotor 16 ausgestattet. Die elektrischen Anschlüsse sind üblicher Art.
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In der in der 2 gezeigten Position befindet sich die Kugelumlaufspindel 5 in der zurückgezogenen bzw. eingefahrenen Position. In dieser Position bzw. Stellung ragt eines ihrer Enden in einen von dem Stator 20 umgrenzten zentralen Hohlraum 6 mit kreisscheibenförmigem Durchmesser hinein. Kugelumlaufspindel 5, Hohlzylinderstutzen 13 und Hohlraum 6 besitzen eine gemeinsame Längsachse 7. Dieser Hohlraum 6 erstreckt sich axial im Anschluss an den Hohlzylinderstutzen 13.
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An dem axialen Ende der Kugelumlaufspindel 5, welches dem Elektromotor 2 gegenüberliegt, kann die Kugelumlaufspindel 5 mit einer Stempel 52 gemäß 1c und d, einer Kolbenstange oder ähnlichem verbunden sein, um die axial wirkenden Kräfte auf ein anderes Maschinenteil zu übertragen. Dies wird in der 2 mit strichpunktierten Linien dargestellt. Eine derartige Ausgestaltung ist bekannt und benötigt keiner weiteren Erläuterungen.
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An dem Hohlzylinderstutzen 13 ist eine Glocke 14 drehstarr und somit drehfest befestigt ist. Diese Glocke 14 ist rotationssymmetrisch zur Längsachse 7 und dreht sich „frei im Raum” um den Hohlraum 6, wenn sich die Kugelumlaufmutter 4 dreht. Sie umgrenzt einen Innenraum 30, innerhalb dessen somit Stator 20, Rotor 16 und Hohlraum 6 angeordnet sind.
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Die Glocke 14 besitzt im Längsschnitt im etwa eine U-Form mit einer radial umlaufenden, sich in Axialrichtung erstreckenden Seitenwand 15. Radial innen an dieser Seitenwand 15 ist der Rotor 16 bzw. sind die entsprechenden Magnete des Rotors 16 des Elektromotors 2 angebracht. Es handelt sich dabei um einen permanenterregten Synchronmotor als Außenläufer.
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Im Boden der U-Form ist eine koaxiale durchgehende Bohrung 17 vorgesehen, durch welche sich die Kugelumlaufspindel 5 in den Hohlraum 6 des Elektromotors 2 erstrecken kann. Der Durchmesser dieser Bohrung 17 verringert sich von der Gewindetriebseite her kommend nach axial innen und somit zum Elektromotor 2 hin schlagartig unter Ausbildung einer Schulter 18. Dadurch entsteht ein kreisringförmiger, radial umlaufender Raum 19, in dem das freie Ende des Hohlzylinderstutzens 13 zu liegen kommt bzw. von diesem ausgefüllt wird.
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Dem Rotor 16 radial innen gegenüberliegend ist der Stator 20 des Elektromotors 2 angeordnet. Dieser Stator 20 ist axial außen mit einem Hohlzylinderrohr 21 fest verbunden, das über ein axiales, den Abschnitt des Gehäuses 3, in dem der Elektromotor 2 untergebracht ist, abschließendes Endteil 22 mit einem sich zwischen diesem Endteil 22 und dem Abschnitt des Gehäuses 3, in dem der Kugelumlaufgewindetrieb 1 untergebracht ist, angeordneten, sich in Axialrichtung erstreckenden, den Elektromotor umgrenzenden Gehäuseelement 23 verbunden ist.
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Bei dem Endteil 22 handelt es sich um eine Art eines beispielsweise rechteckigen (in Aufsicht von außen sowie in Axialrichtung betrachtet) Deckels oder Abschlusselements. Die Befestigung erfolgt über Schrauben (in der Figur nicht gezeigt), die in den Ecken angeordnet sind. Eine derartige Befestigung ist bei Elektromotoren und insbesondere Servoantrieben häufig anzufinden, so dass sich weitere Erläuterungen erübrigen.
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Von dem axialen, elektromotorseitigen freien Ende der Kugelumlaufspindel 5 erstreckt sich eine zur Längsachse 7 koaxiale Sacklochbohrung 24, in die sich ausgehend vom Endteil 22 ein Stab 25 hinein erstreckt. Dieser stellt ein Element einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Vorrichtung für ein absolutes Linearmesssystem auf Basis eines akustischen Verfahrens dar. Ein derartiges Linearmesssystem ist bekannt.
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Am elektromotorseitigen freien Ende der Kugelumlaufspindel 5 ist ein Sicherheitsanschlag ausgebildet, der zum Schutz des Systems im Falle einer Betriebsstörung dient und eine Zerstörung durch Dämpfung der Schlagenergie der Kugelumlaufspindel 5 verhindert.
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Der Sicherheitsanschlag umfasst einen Kunststoffring 32, in welchem ein Magnetring 29 integriert ist. Dieser Kunststoffring 32 wird durch eine Hohlmutter 31 mit Gewinde in der Kugelumlaufspindel 5 befestigt.
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An den beiden Begrenzungspunkten der Linearbewegung der Kugelumlaufspindel 5 sind Magnetschalter 27, 28 angebracht, die im Fall einer Fehlbedienung den Antrieb abschalten. Sollte auch diese Funktion durch Kabelbruch oder andere Störungen nicht möglich sein, dann schlägt der Kunststoffring 32 entweder an dem rückseitigen Ende der Kugelumlaufspindel 5 bzw. an dem Absatz der Kugelmutter auf der linken Seite der Bewegungsrichtung an.
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Der Kunststoffring 32 ist drehend gelagert. Durch diese Lagerung und durch das Kunststoffmaterial wird ein Fressen verhindert.
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Die axiale Lagerung der Kugelmutter 4 wird durch einen Gewindeflansch bzw. eine Kreisringscheibe 44 verspannt und eingestellt. Während des Betriebes wird gewährleistet, dass durch ein mögliches Einlaufen der Spindel die Lagerung nachgespannt werden kann. An der inneren Wandung der Bohrung bzw. Öffnung, durch die sich die Spindel 5 erstreckt und in Axialrichtung bewegt, sind Abstreifringe und Bürsten befestigt, die ein Eindringen von Schmutz in das Gehäuse verhindern.
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Bei der in der 3 im Längsschnitt gezeigte Alternative eines erfindungsgemäßen Schiebers 1 gemäß der zweiten Variante ist ein Schieber integriert, der im wesentlichen dem in der 1a gezeigten Schieber entspricht und in der hier vorliegenden Beschreibung näher erläutert ist. Es wird daher auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen; die Bezugszeichen in der 3a entsprechen denen in den 1a.
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Bei dieser Alternative befindet sich die Seitenwand 3 zusammen mit der darin angeordneten Kugelumlaufspindel 5 im Inneren eines Hohlraumes 6, der radial um die Seitenwand 3 umlaufend angeordnet ist.
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Mit dem Hohlwellenstutzen 13 ist eine im Längsschnitt U-förmige Glocke 14 drehstarr und fest verbunden. Die Glocke 14 erstreckt sich dabei von der Hohlwelle 13 in axialer Richtung von der Hohlwelle 13 weg (in der 3a nach links). Das hohlwellenseitige Ende des Gehäuses 3 ragt in den von Stator 20 und Rotor 16 konzentrisch umgebenen Hohlraum 6 hinein. Bei dieser Alternative stellt der Hohlraum 6 den von der Glocke 14 umgrenzten Innenraum dar.
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Die Glocke 14 besitzt einen sich radial erstreckenden Glockenabschnitt 35 und geht an ihrem radialen äußeren Rand in einen sich axial erstreckenden seitlichen Glockenabschnitt 36 über, an dem radial außen Magnete 37 befestigt sind. Diese Glocke 14 stellt zusammen mit den Magneten 37 den Rotor 16 eines Elektromotors dar. Der dazugehörige Stator 20 ist radial außen von der Glocke 14 angeordnet und an einer äußeren Seitenwand 38 befestigt. Diese Seitenwand 38 ist wiederum fest mit dem Seitenwand 3 verbunden.
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Bei dieser zweiten Alternative ist der Elektromotor mit dem Stator 20 und dem Rotor 16 nicht – wie bei der ersten Alternative – axial hinter der Seitenwand 3 angeordnet. Vielmehr befindet sich der Elektromotor 2 in etwa auf dem gleichen axialen Abschnitt wie die Kugelumlaufmutter 4 zusammen mit der Seitenwand 3. Der erfindungsgemäße Schieber gemäß dieser zweiten Alternative verfügt nur über eine geringe axiale Baulänge. Stator 20 und Rotor 16 sind bei dieser Alternative in einem Außenraum 42 angeordnet, der sich zwischen der Außenwand 38 und dem Gehäuse 3 befindet.
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In der 4 ist ein Längsschnitt durch einen Schieber gezeigt, der sich von dem entsprechenden Schieber der 1a im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der Hohlwellenstutzen 13 über einen Riementrieb 43 mit einem Elektromotor 2, nämlichen einen Servomotor, verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schieber
- 2
- Elektromotor
- 3
- Gehäuse
- 4
- Kugelumlaufmutter
- 5
- Kugelumlaufspindel
- 6
- Hohlraum
- 7
- Längsachse
- 8
- Lager
- 9
- Lager
- 10
- Kugel/Kugelkanal
- 11
- Öffnung
- 12
- hohler Innenraum
- 13
- Hohlzylinderstutzen
- 14
- Glocke
- 15
- Seitenwand
- 16
- Rotor
- 17
- Bohrung
- 18
- Schulter
- 19
- kreisringförmiger Raum
- 20
- Stator
- 21
- Hohlzylinderrohr
- 22
- Endteil
- 23
- Gehäuseelement
- 24
- Sacklochbohrung
- 25
- Stab
- 26
- Linearmesssystem
- 27
- Magnetschalter
- 28
- Magnetschalter Gewindeflansch
- 29
- Magnetring
- 30
- Innenraum
- 31
- Hohlmutter
- 32
- Kunststoffring
- 33
- Abschlusswand
- 34
- Durchgangsöffnung
- 35
- radialer Glockenabschnitt
- 36
- seitlicher Glockenabschnitt
- 37
- Magnete
- 38
- Seitenwand
- 39
- Ringflansch
- 40
- Bohrung
- 41
- Maschinenelement
- 42
- Außenraum
- 43
- Riemenantrieb
- 44
- Kreisringscheibe
- 45
- Gewinde an Kreisringscheibe 44
- 46
- Gewinde an Seitenwand 3
- 47
- Durchgangsbohrung
- 48
- hohlzylindrischer Fortsatz
- 49, 49'
- Abstreifringe, Bürsten
- 50
- Materialblock
- 51
- Führungszylinder
- 52
- Stempel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10141745 A1 [0002]
- WO 2010/089073 A1 [0004]
- EP 2093863 B1 [0007]
- DE 19857805 A1 [0008]
- WO 2009/074032 A1 [0009]
- DE 102008025797 A1 [0010]
- US 6453761 B1 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Antriebstechnik 3/2013 Seite 46 „Wenn die Luft raus ist” von Manfred Brucksch-Richter [0003]
