DE60302444T2

DE60302444T2 - Linearantrieb mit einem mehrphasigen bürstenlosen elektromotor

Info

Publication number: DE60302444T2
Application number: DE60302444T
Authority: DE
Inventors: Pierre Gandel; Daniel Prudham; Jean-Daniel Alzingre; Antoine Foucaut
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP4902943B2; FR2837033A1; FR2837033B1; DE60302444D1; US7589445B2; EP1481459A2; WO2003075434A3; WO2003075434A2; US20050218727A1; JP2006504906A; ATE311032T1; EP1481459B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, umfassend einen mehrphasigen bürstenlosen Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor umfaßt, wobei dieser letztere auf ein Steuerorgan über Antriebsmittel wirkt, die geeignet vorgesehen sind, um seine Rotationsbewegung über mehrere Umdrehungen in eine Linearbewegung umzuwandeln (siehe US-A-4 463 291).
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Linearantriebe, die im allgemeinen einen mehrphasigen bürstenlosen elektromagnetischen Motor umfassen. Sie findet eine ganz besondere Anwendung in dem Fall, wo eine Steuerung in Form von einer schnellen linearen Bewegung erzielt wird, wie das zum Beispiel für die Betätigung des Ventils einer Vorrichtung zur Rückführung der Abgase eines Dieselmotors, aber auch für die Steuerung der Lufteinlaßklappen notwendig ist.
Momentan werden für diese Anwendungen elektromagnetische Linearantriebe mit direktem Antrieb oder Linearantriebe, die auf einem elektrischen Schrittmotor basieren, in Anspruch genommen, die ein System zur Umwandlung der Drehbewegung in eine lineare Bewegung benutzen, wobei solche Systeme geeignet seien, um verschiedene Bauarten annehmen zu können. Insbesondere sind Systeme mit Nocken, mit Getrieberad und Zahnstange oder noch der Art Schraube und Mutter bekannt.
Es ist ganz besonders durch die DE-A-100 03 129 ein Linearantrieb bekannt, umfassend einen Schrittmotor, ausgestattet mit einem Rotor, der auf dem Umkreis mit Magneten mit abwechselnder Polarität gegenüber Polklemmen eines Stators ausgestattet ist. Dieser umfaßt wenigstens zwei elektrische Erregerwicklungen, erlaubend die Folgesteuerung des Motors durch eine elektronische Schaltung. Es sei beachtet, daß in der axialen Verlängerung des Stators noch ein Sensor mit Halleffekt, der den Rotor umgibt, als eine Vorrichtung zur Feststellung der Position vorgesehen ist.
Um zum Rotor zurückzukommen, umfaßt dieser innerlich und koaxial eine Gewindemutter in Eingriff mit einem drehfesten Gewindestab.
Somit ergibt sich unter der Wirkung der Drehung des Rotors und also der Mutter, die mit ihm fest verbunden ist, eine Translationsbewegung des Gewindestabs, der im wesentlichen das Steuerorgan bildet.
Das Problem, das dieser Typ von Linearantrieben mit mehrphasigem Motor gestellt hatte, bestand darin, daß im Falle des Versagens des Motors, wenn auch nur infolge einer Unterbrechung seiner elektrischen Stromzufuhr, das Steuerorgan, und also das Stück, zum Beispiel das Ventil, auf das er wirkt, die Position beibehält, die erreicht wurde, bevor das Versagen zustande kam. Folglich, da er nicht in Sicherheitsposition zurückkehrt, kann sich im Bereich der Einheit, in der sich dieses gesteuerte Stück einschreibt, davon ein gravierenderes Mißfunktionieren ableiten.
Wenn zum Beispiel der besondere Fall der Steuerung der Ventile der Vorrichtung zur Rückführung der Abgase eines Dieselmotors betrachtet wird, ist es obligatorisch, daß diese Ventile auf ihrem Sitz verschlossen bleiben, um die Rückführung der Abgase zu verhindern, wenn ein solches Versagen zustande kommt, da sonst die Betriebsbedingungen des Motors selbst verschlechtert werden.
Deshalb und wie in der US-4 501 981 beschrieben ist, hat man sich daran gedacht, diesen Antriebstyp mit einem Schrittmotor mit elastischen Rückstellmitteln auszustatten, die geeignet sind, um den Gewindestab im Falle einer Unterbrechung der elektrischen Stromzufuhr in eine Bezugsposition zurückzubringen. Obwohl diese elastischen Rückstellmittel die Form von einer Schraubenfeder annehmen können, die direkt auf den Gewindestab wirkt, kann bei einer zweiten Ausführungsart, die in US-4 501 981 beschrieben ist, eine wendelförmige Feder noch auf den Rotor wirken, um bei einer solchen Stromunterbrechung diesen letzteren in Drehung anzusteuern und das Steuerorgan in seine Bezugsposition zurückzubringen.
Jedoch sei bemerkt, daß ein mehrphasiger Gleichstrommotor der Art Schrittmotor ein Problem hinsichtlich der Anlaufzeiten und der kaskadenartigen Bewegung stellt, die auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß ein magnetisierter Pol des Rotors eine bevorzugte Gleichgewichtsposition findet, wenn er einem Pol des Stators gegenüberliegend positioniert ist oder wenn ein Übergang zwischen zwei magnetisierten Polen einem solchen statorischen Pol gegenüberliegend befindlich ist.
Das Entspannungsmoment stellt daher eine periodische Funktion der Winkelposition dar, deren Frequenz von der Anzahl der Magnetpole und von der Anzahl der statorischen Pole abhängt.
Schließlich weist der Schrittmotor zwei bedeutende Arten von Nachteilen auf, um sowohl eine schnelle Steuerung eines Organs zu sichern als auch diesem letzteren zu erlauben, unter der Wirkung einer elastischen Rückstellung leicht in eine Bezugsposition zurückzukehren:

– das Entspannungsmoment, das dem Drehmoment ohne Strom des Motors entspricht, ist übermäßig und verhindert eine leichte Rückstellung in eine Bezugsposition
– der Grundsatz des Funktionierens von dem Schrittmotor erlaubt nur eine Bewegung zu steuern, ohne die Möglichkeit zu haben, zu überprüfen, ob die aufgedrängte Sequenz richtig ausgeführt worden ist.

In diesem Zusammenhang ist in der FR-A-2 754 953 ein mehrphasiger bürstenloser Motor mit elektronischer Schaltung beschrieben, aufweisend ein schwaches Entspannungsmoment. Ganz besonders weist der statorische Teil dieses Motors wenigstens zwei W-förmige Kreise auf, umfassend jeweils eine elektrische Wicklung, die den zentralen statorischen Pol umgibt. Diese W-förmige Kreise sind derart angeordnet, daß, wenn einer von den zentralen statorischen Polen sich gegenüber einem Magnetübergang befindet, der andere zentrale statorische Pol sich ungefähr gegenüber einem Magnetpol befindet. Die Polklemmen dieser zentralen statorischen Pole der beiden W-förmigen Kreise gehören unterschiedlichen Phasen und sind winklig in 120° voneinander beabstandet. Somit sichert die W-Form des statorischen Kreises die Schließung der Feldlinien zwischen dem zentralen Pol, der die Spule aufnimmt, und den beiden angrenzenden Polen.
Die Erfindung löst das aufgeworfene Problem, indem sie einen Linearantrieb vorschlägt, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Nach einer Ausführungsart der Erfindung sind diese elastischen und/oder magnetischen Rückstellmittel als wenigstens einem elastischen und/oder magnetischen Element zur Steuerung in Drehung des Rotors ausgestaltet.
Selbstverständlich, wenn der Antrieb normal funktioniert, muß sich der Motor der umgekehrten Wirkung widersetzen, die ein solches elastisches und/oder magnetisches Element zur Steuerung in Drehung verschafft. Folglich muß der Motor dimensioniert sein, um ein Drehmoment zu erzeugen, ausreichend, um das Steuerorgan ab einer extremen Position in eine andere Position führen zu können, zum Beispiel ab einer Position der Schließung eines Ventils in seine Position der Öffnung, und gleichzeitig, um dem Gegenmoment entgegenzuwirken, das das elastische und/oder magnetische Element verschafft. Umgekehrt muß dieser geeignet vorgesehen werden, um dieses gesteuerte Organ systematisch in seine Bezugsposition zurückzubringen.
Festzustellen sei in diesem Zusammenhang, daß ein solches elastisches und/oder magnetisches Element ein um so kleineres Drehmoment verschaffen muß, als der Motor seinerseits ein kleineres Entspannungsmoment aufweist.
Es sei noch beachtet, daß die Wirkung dieses elastischen und/oder magnetischen Elements, das direkt auf den Rotor wirkt, ebenfalls den Leistungen des Motors unter dem Gesichtspunkt seines Beibehaltungsmomentes, das heißt des kontinuierlichen Drehmomentes, das er fähig ist, zu erzeugen, um das gesteuerte Stück, zum Beispiel ein Ventil, in Öffnungsposition zu halten, entgegenwirken wird.
Nach einer weiteren Ausführungsart sind die elastischen Rückstellmittel als wenigstens ein elastisches und/oder magnetisches Element ausgestaltet, das geeignet ist, um direkt auf das Steuerorgan zu wirken. Das erlegt offensichtlich auf, daß die Antriebsmittel, vorgesehen, um die Rotationsbewegung des Rotors in eine lineare Bewegung umzuwandeln, umkehrbar sind. Nun, bei einem einfachen, dem Stand der Technik entsprechenden, in der FR-A-2.754.953 beschriebenen Gestaltung als eine Einheit von Schraube und Mutter hängt die umkehrbare Art solcher Antriebsmittel direkt von der Untersetzung, die sie verschaffen, ab. In Zusammenfassung, je größer das Übertragungsverhältnis, desto kleiner wird die Kraft sein, die das elastische und/oder magnetische Element erzeugen muß, um durch eine direkte Wirkung auf das Steuerorgan dieses in eine Bezugsposition zurückzubringen. Offensichtlich muß der Motor dann in der Lage sein, ein größeres Drehmoment zu liefern, um auf' dieses Steuerorgan wirken zu können.
Somit sind nach einer dritten Ausführungsart elastische und/oder magnetische Rückstellmittel in Form von einer Kombination aus einem elastischen und/oder magnetischen Element zur Steuerung in Drehung des Rotors und einem anderen, das direkt auf das Steuerorgan wirkt, vorgesehen worden, wobei alle beide zum selben Zweck eingreifen.
Es sei noch bemerkt, daß die Kombination solcher elastischen und/oder magnetischen Elemente erlaubt, die Kontaktdrücke an der Schnittfläche der sich bewegenden Stücke der Antriebsmittel zu minimieren, die geeignet vorgesehen sind, um die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, wobei solche Kontaktdrücke zur Folge haben, mit der Zeit den Reibungskoeffizienten zwischen diesen Stücken zu verschlechtern, wobei von diesem Koeffizient außerdem die Umkehrbarkeit der Bewegung abhängig ist.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus der vorliegenden Erfindung ergibt, besteht darin, daß das oder die elastischen und/oder magnetischen Elemente zur Beseitigung des mechanischen Spiels zwischen den sich bewegenden Stücken beitragen, was erlaubt, den Lärm beim Funktionieren des Antriebs sowie die Stöße in der Übergangsphase beim Start und Sperren zu vermeiden oder zu reduzieren.
Vorteilhaft ist noch den Antriebsmitteln, vorgesehen, um die Rotationsbewegung des Rotors in eine lineare Bewegung umzuwandeln, eine unabhängige umkehrbare Untersetzungsvorrichtung zugeordnet. Diese Trennung der Funktionen. der Geschwindigkeitsreduzierung und der Bewegungsumwandlung erlaubt die Benutzung einer großen Steighöhe im Bereich des wendelförmigen Systems der Art Schraube und Mutter oder dergleichen, sichernd diese letzte Funktion. Die Untersetzungsvorrichtung ist dann unabhängig parametriert, wissend, daß ihre Leistung hinsichtlich der Untersetzung im wesentlichen konstant ist. Schlußendlich bietet diese Trennung der Funktionen bei gleicher Untersetzung eine im allgemeinen höhere Leistung verglichen mit der Benutzung von nur einem wendelförmigen System an.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Laufe der folgenden Beschreibung erscheinen.
Das Verständnis dieser Beschreibung wird vereinfacht, indem man sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
1, eine schematische Ansicht im axialen Querschnitt eines elektrischen Linearantriebs mit mehrphasigem Elektromotor nach der Erfindung;
2, eine Ansicht, ähnlich wie in 1, veranschaulichend eine zweite Ausführungsart, die einen Sensor für die lineare Position integriert;
3, eine Ansicht im Querschnitt, veranschaulichend eine dritte Ausführungsart, bei der der Rotor nach der Art einer Mutter auf seiner Achse, die als ein Gewindestab gebildet ist, montiert ist;
4, eine schematische Darstellung der Kinematik eines Antriebs, umfassend eine Untersetzungsvorrichtung in Form von einem Umlaufgetriebe und Antriebsmittel, die geeignet vorgesehen sind, um die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, in Form von einem System aus Schraube und Mutter;
5, eine Darstellung ähnlich wie in 4, wobei die Antriebsmittel, die geeignet vorgesehen sind, um die Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, die Form von einer Rolle und einem Nocken annehmen;
6, eine schematische Darstellung der Kinematik eines Antriebs, umfassend eine Untersetzungsvorrichtung in Form von einem Differential und Antriebsmittel, die geeignet vorgesehen sind, um die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, in Form von einem System aus Schraube und Mutter;
7, eine Darstellung ähnlich wie in 6, wobei die Antriebsmittel, die geeignet vorgesehen sind, um die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, die Form von einer Rolle und einem Nocken annehmen;
8, eine schematische Darstellung einer Ausführungsart entsprechend dem Konzept gemäß 7, aber mit zwei Nocken, die gekreuzte Profile umfassen und deren relative Drehung mittels des Differentials das Gleiten einer Rolle in Form von einem Stift ansteuert, hervorrufend die Translationsbewegung des Steuerorgans.
Wie in 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen elektrischen Linearantrieb 1, umfassend einen mehrphasigen bürstenlosen Elektromotor mit Gleichstrom 2, zusammengesetzt aus einem Stator 3 und aus einem Rotor 4, wobei dieser letztere auf Antriebsmittel 5 wirkt, die geeignet vorgesehen sind, um die Rotationsbewegung dieses Rotors 4 über mehrere Umdrehungen in eine lineare Bewegung 5 umzuwandeln.
In den Figuren der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsarten dieser Antriebsmittel 5 veranschaulicht, aber es sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung keineswegs darauf begrenzt ist. Insbesondere können solche Antriebsmittel 5 die Form von Vorrichtungen mit Nocken, mit Getrieberad und Zahnstange usw. annehmen, ohne aus dem Rahmen und aus dem Wesen der vorliegenden Erfindung herauszukommen.
Um zu dem Motor 2 zurückzukommen, umfaßt sein Rotor 4 vorzugsweise N Paare von rotorischen Polen 7, die radial in abwechselnder Richtung magnetisiert sind, wobei N größer oder gleich als vier sei, seiend gleichzeitig aber verschieden von einem Vielfachen von drei.
Außerdem und für die Erhaltung eines so klein wie möglichen magnetostatischen Drehmomentes ohne Strom umfaßt der Stator 3, seinerseits, vorzugsweise Px9 identische, in 40°/P beabstandete Pole 8, wobei die besagten statorischen Pole 8 aufeinanderfolgend je drei umgruppiert seien, derart, um eine Phase zu bilden, bestehend aus einem W-förmigen Kreis, umgruppierend drei aufeinanderfolgende statorische Pole, wobei der zentrale statorische Pol 8 die Spule 9 der entsprechenden Phase 10 trägt.
Außerdem sind die zentralen statorischen Pole 8 der beiden W-förmigen Kreise und entsprechend jeweils einer Phase winklig in 120° beabstandet.
Dieser Motor 2 ist der bürstenlosen Art, das heißt, daß die Spulen 9, und also die Phasen 10, wenigstens zwei an der Zahl sind und durch eine nicht dargestellte Einheit zur elektronischen Nachlaufregelung gespeist sind.
Der Motor 2 befindet sich in einem Gehäuse 11, umfassend an einem und/oder am anderen von seinen Enden Lager 12, 13, die den Rotor 4 in Drehung halten.
Um zu den Antriebsmitteln 5 zurückzukommen, können diese, wie in 1 2, 3, 4 und 6 gezeigt ist, durch ein System aus Schraube und Mutter 14 gebildet werden. Insbesondere und wie in 1 2, 4 und 6 erkennbar ist, trägt der Rotor 4 im Bereich einer Axialbohrung 15 eine Mutter 16 im Eingriff mit einem koaxialen Gewindestab 17; 17A, der eventuell aus dem Gehäuse 11 wenigstens am einem von seinen Enden 18 herausragt. Somit bildet dieser Gewindestab 17, 17A durch die lineare Bewegung, die ihm durch den Rotor 4 übermittelt wird, direkt oder indirekt das Steuerorgan O des Antriebs 1.
Bei der Ausführungsart, die der 3 entspricht, ist die Mutter 16, die der Rotor 4 trägt, beweglich auf einem festen Gewindestab 17B montiert. Somit bewegt sich bei der Steuerung in Drehung des Motors 2 der Rotor 4 mit einer wendelförmigen Bewegung unter einem Stator 3, der in konkreten Fall verlängert ist, und übermittelt seine lineare Bewegung dem Steuerorgan O, das durch angemessene Mittel drehfest gemacht wird.
In diesen Ausführungsarten entsprechend 1, 2 und 3 erfüllt dieses System aus Schraube und Mutter 14 ebenfalls die Funktion von einem Getriebe, und in diesem Fall ist es vorzugsweise der Art Kugelumlaufspindel.
Im Rahmen der Konzepte, die den 5 und 7 entsprechen, nehmen diese Antriebsmittel 5, die geeignet vorgesehen sind, um die Rotationsbewegung von Rotor 4 in eine lineare Bewegung umzuwandeln, die Form von einem System 14A der Art Rolle 40 und Nocken 41 an. Insgesamt trägt der Stab 42, der im wesentlichen dem Steuerorgan O entspricht, die Rolle 40, die sich entlang eines kreisförmigen Nockens 41 bewegt, der durch den Rotor 4 direkt oder indirekt in Drehung gebracht ist, wie das oben beschrieben ist.
Die Lösung, die 8 entspricht, läßt die Antriebsmittel 5 eingreifen, umfassend den (oder einen) ersten Nocken 41 und einen zweiten Nocken 41A mit gekreuzten Profilen, die geeignet vorgesehen sind, um mit einem Geschwindigkeitsdifferential in Drehung getrieben zu werden, wie das oben in der Beschreibung erklärt ist, um eine Rolle 40A in Form von einem Stift axial gleiten zu lassen, fähig, die Translationsbewegung des Steuerorgans O hervorzurufen.
Diese Konfiguration weist eine höhere Leistung auf als diejenige, die mit nur einem Nocken mit einem wendelförmigen Profil erhalten wird, gegen den eine Rolle abstützt, geeignet, um sich ausschließlich geradlinig zu bewegen.
Um insbesondere zu der Ausführungsart zurückzukommen, die 1 und 2 entspricht, kommt dieser Gewindestift 17 in einer Bezugsposition durch sein in der Ausbohrung 15 des Rotors 4 eingreifendes Ende 19 gegen einen Ansatz 20, die innerlich diese Ausbohrung 15 umfaßt, in Anschlag.
Beispielsweise kann im Rahmen einer Anwendung zur Steuerung eines Ventils einer Vorrichtung zur Rückführung der Abgase von Dieselmotoren der Antrieb zur Aufgabe haben, ab einer Schließungsposition die Öffnung eines Ventils anzusteuern. Insbesondere entspricht die Schließungsposition in diesem Fall einer Bezugsposition.
In der dargestellten Ausführungsart kann diese Bezugsposition der Endposition des Gewindestabs 17 entsprechen, derart, daß die Stromzufuhr zum Motor 2 und die durch den Rotor 4 verursachte Drehung zur Folge hat, den Gewindestab 17 in seiner Ausbohrung 15 zu ziehen, um, für im erwähnten Beispiel, die Öffnung des besagten Ventils anzusteuern. Diese Position kann durch das Drehmoment der Beibehaltung bewahrt werden, das der Motor verschafft, wenn man seine Stromzufuhr aufrechterhält.
Nach der Erfindung umfaßt dieser elektrische Linearantrieb in Kombination elastische und/oder magnetische Rückstellmittel 21, um, im Fall der Unterbrechung der Stromzufuhr zum Motor, sein Steuerorgan O, hier den Gewindestift 17, in seine Bezugsposition zurückzubringen.
In der Tat sind diese elastischen und/oder magnetischen Rückstellmittel 21 geeignet gebildet, um am Rotor 4 mehrere Umdrehungen zu induzieren, um diese Rückkehr in Bezugsposition des Steuerorgans O zu sichern.
Solche elastische und/oder magnetische Rückstellmittel 21 können durch ein elastisches und/oder magnetisches Element zur Steuerung in Drehung des Rotors 4 ausgestaltet werden, der, wenn das besagte Steuerorgan O ab seiner Bezugsposition in eine beliebige Position zurückgedrängt ist, unter Spannung gesetzt wird, um es durch Drehung des Rotors 4 erneut in dieselbe Bezugsposition zurückbringen zu können.
Diese elastischen und/oder magnetischen Rückstellmittel 21 können noch durch ein elastisches und/oder magnetisches Element 23 gebildet werden, das direkt auf das besagte Steuerorgan O wirkt, um dieses ab einer beliebigen Position, die ihm zuvor durch den Motor 2 verliehen worden ist, und zwar offensichtlich bei Unterbrechung der Stromzufuhr von diesem letzteren, in die besagte Bezugsposition zurückzudrängen.
Um zum elastischen und/oder magnetischen Element 22 zurückzukommen, das geeignet ist, um dem Rotor 4 eine Rotationsbewegung zu übermitteln, kann es, wie in 1 und 2 dargestellt ist, in Form von einer wendelförmigen Feder im Eingriff mit der Achse 24 dieses Rotors 4 ausgestaltet werden, sich erstreckend über dem Stator 3 hinaus auf der hinsichtlich des herausragenden Endes 18 des Gewindestabes 17 entgegengesetzt Seite.
Der Vorteil einer solchen wendelförmigen Feder besteht darin, daß sie begrenzten Umfang hat, und daß sie im Falle kleiner Antriebe fähig ist, um ein Drehmoment zu liefern, ausreichend, um das erzielte Ergebnis zu erreichen. Insbesondere ist eine solche wendelförmige Feder in der Lage, über mehrere Drehungen zu arbeiten, ja sogar ein Rückstelldrehmoment zu erzeugen, das bei dem gesamten Betrieb des Antriebs im wesentlichen konstant ist.
Es sei festgestellt, daß das Rückstelldrehmoment C_o, das dieses elastische Element erzeugen muß, wie folgt sein muß Co > CReibung + CEntspannung
Insgesamt muß dieses Drehmoment in der Lage sein, das durch die Reibungen erzeugte Gegenmoment und das Entspannungsmoment, das heißt das magnetostatische Drehmoment ohne Strom von Motor 2, zu überwinden. Es ist folglich wichtig, daß dieses bei dem Konzept des Motors, wie vorher definiert wurde, so klein wie möglich ist. In der Tat, wenn das elastische und/oder magnetische Element mit einer größeren Starrheit gebildet wird, nämlich, um fähig zu sein, sich einem größeren Gegenmoment zu widersetzen, ist es korrelativ notwendig, den Motor überzudimensionieren, derart, daß er selbst geeignet ist, ein bestimmtes Drehmoment zu erzeugen, nicht nur um ihm zu erlauben, die verlangte Funktion des Antriebs zu sichern, sondern auch, um dem Gegenmoment entgegenzuwirken, das notwendigerweise dieses elastische Element verschaffen wird.
In dem Falle der Benutzung eines elastischen und/oder magnetischen Elements 23, das direkt auf das Steuerorgan O, hier Gewindestab 17, wirkt, ist es obligatorisch, daß der Antriebsmechanismus 5 umkehrbarer Art ist.
Im Falle eines Systems wie beschrieben aus Gewindestab 17 und Mutter 16, ist das Kriterium zur Wahl der Steighöhe wie folgt: P > μ.π.Diaseiend
p die Steighöhe, Dia der durchschnittliche Durchmesser der Schraube und μ der Koeffizient der Reibung zwischen dem Gewindestab 17 und der Mutter 16.
In einem solchen System der Umwandlung der Bewegung ist die Axialkraft F, notwendig, um die Umkehrbarkeit zu erhalten, wie folgt: F > 2.π.C/p.η'seiend

C:: das Restdrehmoment im Betrieb ohne Strom (magnetostatisches Drehmoment ohne Strom + Reibungsmoment an den Lagern)
η':: Leistung der Translationsbewegung in Richtung der Drehung der Schraube

Obwohl es hier noch wichtig ist, daß das magnetostatische Drehmoment ohne Strom so klein wie möglich ist, um die Kraft zu minimieren, die für die Umkehrbarkeit notwendig ist, ist es auch angemessen, die Leistung η' zu maximieren. In der Tat ist diese Leistung eine Funktion des Reibungskoeffizienten, der also minimiert werden soll. Aber mit der Zeit und unter der Wirkung der Kontaktdrücke auf die Schnittfläche des Gewindestabes und der Mutter verschlechtert sich dieser Reibungskoeffizient μ und erlaubt auch nicht mehr, umkehrbar zu sein.
Deshalb und im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsart, die in 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt der Antrieb, als elastische und/oder magnetische Rückstellmittel 21, sowohl ein elastisches und/oder magnetisches Element, geeignet, um den Rotor 4 in Drehung nach einer bestimmten Richtung anzutreiben, und zwar, um das Steuerorgan O in seine Bezugsposition zurückzudrängen, als auch ein elastisches und/oder magnetisches Element 23, geeignet, um direkt auf dieses Steuerorgan O mit demselben Zweck zu wirken.
Die Besonderheit der wendelförmigen. Systeme und insbesondere des Systems aus Schraube und Mutter 14 besteht darin, eine Leistung aufzuweisen, die sich mit dem Wendelwinkel verändert. Auch, falls ein hoher Untersetzungsfaktor gesucht wird, auferlegend einen kleinen Winkel, ergibt sich daraus eine direkte Leistung und insbesondere umgekehrt eine kleine und für die Funktion des elastischen Rücklaufes des Antriebs sehr benachteiligende Leistung.
Die Lösung, wie sie in 3 definiert ist, erlaubt die Schwäche dieser Leistungen zum Teil zu beseitigen. In der Tat erfordert in diesem Fall das System aus Schraube und Mutter 14 nicht mehr die Funktion der Gegendrehung, und die Mutter 16, die mit dem Rotor 4 verbunden ist, beschreibt eine wendelförmige Bewegung am festen Gewindestift 17B und übermittelt der Abtriebwelle O die Translationsbewegung durch ein einziges Lager.
Außerdem hat man sich auf vorteilhafte Art und Weise vorgestellt, die Funktionen zur Umwandlung der Bewegung und Untersetzung wenigstens zum Teil zu trennen, indem den besagten Antriebsmitteln 5 eine unabhängige umkehrbare Untersetzungsvorrichtung 43 zugeordnet wird.
Wie in 4 und 5 erkennbar ist, kann eine solche umkehrbare Untersetzungsvorrichtung die Form von einem Umlaufgetriebe 44 annehmen, mit welchem der Rotor 4 nach der Verfahrensweise von 4 die Mutter 16 im Eingriff mit dem Gewindestab 17 angreift, seiend diese mit einer großen Steighöhe vorgesehen, also vollkommen umkehrbar. Bei dem Konzept nach 5 wird ein System 14A aus Rolle 40 und Nocken 41 in Anspruch genommen.
In 6 bis 8 ist diese Untersetzungsvorrichtung 43 als ein Differential 45 ausgestaltet, mit dessen Hilfe ein Geschwindigkeitsdifferential geschaffen ist, zwischen, in dem Falle der 6, der Mutter 16, die der Rotor 4 trägt, und einer Schraube 17A des Steuerorgans O, die in Translationsbewegung fest verbunden und in Drehung frei ist.
Im Falle der 7 fügt sich das Differential 45 zwischen dem Nocken 41, den der Rotor 4 trägt, und der mit der Abtriebwelle 46 dieses Differentials 45 fest verbundenen Rolle 40 ein. Hier ist diese Abtriebwelle 46 in Translationsbewegung fest mit dem Steuerorgan O verbunden, seiend aber frei in Drehung.
In diesen verschiedenen Bauarten weist die Benutzung einer Differentialvorrichtung zwischen den beiden Teilen, die die Bewegungsumwandlung ausführen, den Vorteil auf, eine bedeutende und immer umkehrbare Untersetzung bei einem begrenzten Umfang ausführen zu können.
Der Grundsatz dieses Differentialgetriebes 45 besteht darin, mit verschiedenen, aber nah aneinander liegenden Geschwindigkeiten beide Organe anzutreiben, erlaubend, die Bewegungsumwandlung zu verwirklichen:

– Schraube 17A und Mutter 16 im Falle der 6.
– Rolle 40 und Nocken 41 im Falle der 7.

Es ist selbstverständlich, daß die durch das Differential erhaltene Untersetzung um so größer ist, wie die Geschwindigkeiten der beiden Organe zur Bewegungsumwandlung nahe sind.
In der Konfiguration nach 3 steuert der Rotor 4 einen ersten Nocken 41 sowie durch das Differential 45 den zweiten Nocken 43A mit umgekehrtem Profil in Drehung an. Die Differentialgeschwindigkeit dieser Nocken 41 und 41A verleiht der Rolle 40 in Form von einem Stift eine axiale Bewegung, die auf das Steuerorgan O übermittelt wird.
In diesem letzteren Fall wird diese Bewegungsumwandlung durch drei unterschiedliche Organe erhalten, die beiden Nocken 41 und 41A mit Gegenprofilen und den Stift 40, abstützend gegen die beiden Wendeln unter der Wirkung der Rückstellfeder.
Der Stift 40 wird durch den Nocken 41 angetrieben und durch den anderen 41A zurückgehalten, derart, daß er einer Translationsbewegung und in Drehung unterzogen wird, wobei sich diese Drehung von den Geschwindigkeiten der besagten Nocken unterscheidet.
Die Bewegung dieses Stiftes 40 kann dann dem Steuerorgan O durch eine Schwenkverbindung übermittelt werden, derart, um nur die am Ausgang des Antriebs erwünschte Translationsbewegung beizubehalten.
Es ist wichtig zu bemerken, daß die Umwandlung der Bewegung mit zwei Wendeln eine Reduzierung der eigentlichen inneren Bewegung darstellt.
In der Tat benötigt der Stift 40, der sich entlang der beiden wendelförmigen Profile bewegt, die den Nocken 41, 41A entsprechen, um eine bestimmte axiale Bewegung zu induzieren, eine relativ größere Drehung im Falle der Nocken 41 und 41A in dem System, das in 8 dargestellt ist, als diejenige, die im Falle eines Systems mit einem einfachen Nocken, wie in 7 darstellt ist, notwendig ist.
Man hat also im Falle der 8 eine Bewegungsreduzierung, die durch das Differentialgetriebe erzeugt ist, zu der eine eigentliche zusätzliche Reduzierung von der Benutzung der beiden wendelförmigen Profilen hinzukommt.
Außerdem erlaubt diese Umwandlungstechnik, das Blockieren in Drehung der Rolle zu vermeiden, die der Stift bildet, und zwar gegenteilig den traditionellen wendelförmigen Systemen. Auch vermeidet sie die Reibungsverluste, welche normalerweise diese Art von Blockieren verursacht, und die mechanische Leistung wird dadurch ebenso erhöht.
Schlußendlich weist diese eigenartige Bewegungsumwandlung die folgenden Vorteile auf

– eine Bewegungsreduzierung, die größer ist als diejenige, die mit einem traditionellen System mit nur einem wendelförmigem Profil oder Mutter und Schraube erhalten wird;
– eine höhere Leistung als jene derselben Systeme. Die in 8 dargestellte Zeichnung erlaubt festzustellen, daß diese zwei Konzepte des Differentialantriebs und der Umwandlung mit doppelter Wendel sich leicht paaren und erlauben, zu einem hinsichtlich der Reduzierung der Bewegung, der Leistung und der Kompaktheit interessanten Antrieb zu führen.

Es wird betont, daß die vorliegende Erfindung keineswegs auf diese verschiedenen Ausführungsarten begrenzt ist, wenn es sich um die Antriebsmittel 5 oder Untersetzungsvorrichtung 43 handelt.
1 und 2 entsprechen Ausführungsarten der Erfindung, die sich hauptsächlich durch ihre jeweiligen Vorrichtungen zur Positionserfassung 25, 25A unterscheiden.
Somit besteht nach einer ersten Ausführungsart, wie in 1 dargestellt, diese Vorrichtung aus magnetisch empfindlichen Elementen wie Sonden mit Halleffekt 26, die auf bekannte Art und Weise in dem Stator 3 integriert sind und geeignet vorgesehen sind, um die Magnetpole des Rotors 4, ja sogar innerhalb des Motors 2, festzustellen. Somit, kennend die Geometrie dieses letzteren, und dank einer elektronischen Verwaltungsstelle, erlauben die durch diese Sonden mit Halleffekt 26 gelieferten Signale, die Winkelposition von Motor 2 zu ermitteln und eine Nachlaufregelung oder eine Regulierung der Position nach einer Anweisung auszuführen, ohne einen Sensor oder zusätzlichen Positionskodierer zu benutzen.
Falls die lineare Erschließung der Positionierung, benutzend die Signale der Autoschaltung als Positionsmessung, für die anvisierte Anwendung ungenügend ist, kann auch eine Vorrichtung zur Positionserfassung 25A, ein linearer Lagesensor 27, wie in 2 dargestellt ist, benutzt werden. Die lineare Position ist dann hinsichtlich einer Bezugsposition bekannt, die durch einen mechanischen Anschlag geschaffen ist. Außerdem, kennend die lineare Position sowie die Geometrie des Antriebs, kann man auch die Winkelposition von dem Rotor 4 des Motors erschließen und so die Schaltung zur Stromzufuhr der Phasen ausführen, ohne diesmal die Hallsonde zu benutzen.
Insbesondere und nach der in dieser 2 sichtbaren Bauart durchquert der Gewindestift 17, der das Steuerorgan O bildet, den ganzen Rotor auf der Seite seines Endes 19, das jenem 18 entgegengesetzt ist, wirkend besonders als Steuerorgan, um mit dem besagten elektromagnetischen berührungslosen Lagesensor 27 zusammenzuwirken, wie in der WO-93.23720 beschrieben ist.
Insbesondere umfaßt dieser Sensor 27 einen ständigen Magneten 28, der sich in der Verlängerung des Gewindestabes 17 befindet und mit diesem letzteren an seinem Ende 19 fest verbunden ist. Dieser Magnet 23 bewegt sich zwischen einem Stator 29 und einem Zylinderkopf 30. Eine analoge Hallsonde 31 ist in einem Meßspalt gesetzt, der in dem Zylinderkopf 30 vorgesehen ist. Somit erfährt die Sonde mit Halleffekt 31 in Abhängigkeit von der linearen Position des Gewindestabes 17, also des Magneten 28, Veränderungen des magnetischen Feldes im Meßspalt. Sie liefert dann ein lineares Positionssignal.
Offensichtlich kann man sich noch weitere Typen der Vorrichtungen zur Feststellung der Position in Zuordnung mit einem linearen elektrischen Antrieb nach der Erfindung vorstellen.

Claims

Linearantrieb, umfassend einen mehrphasigen bürstenlosen Synchron-Elektromotor (2), der einen Stator (3) und einen Rotor (4) umfaßt, wobei dieser letztere auf ein Steuerorgan (O) über Antriebsmittel (5) wirkt, die geeignet vorgesehen sind, um seine Rotationsbewegung über mehrere Umdrehungen in eine Linearbewegung umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, – daß er elastische und/oder magnetische Rückstellmittel (21) umfaßt, die geeignet vorgesehen sind, um systematisch das Steuerorgan (O) im Fall einer Unterbrechung der Stromzufuhr zum Motor (2) in eine Bezugsposition zurückzubringen, – daß der Motor (2) eine Vorrichtung zur Positionserfassung (25, 25A) umfaßt, beitragend, in Kombination mit einer elektronischen Steuereinheit, zur Nachlaufregelung oder zur Regulierung der Position des Rotors (4), also des Steuerorgans (O), – und daß den Antriebsmitteln (5), vorgesehen, um die Rotationsbewegung des Rotors (4) in eine Linearbewegung umzuwandeln, eine unabhängige umkehrbare Reduktionsvorrichtung (43) zugeordnet ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen und/oder magnetischen Rückstellmittel (21) als wenigstens ein elastisches und/oder magnetisches (22) Element zur Steuerung in Drehung des Rotors (4) ausgestaltet sind, geeignet vorgesehen, um durch eine Wirkung auf diesen letzteren das Steuerorgan (O) ab einer beliebigen Position, die ihm zuvor durch den Motor (2) verliehen worden ist, in die besagte Bezugsposition zurückzudrängen.
Linearantrieb nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen und/oder magnetischen Rückstellmittel (21) durch ein elastisches und/oder magnetisches Element (23) gebildet sind, geeignet vorgesehen, um direkt auf das Steuerorgan (O) zu wirken, um dieses ab einer beliebigen Position, die ihm durch den Motor (2) verliehen worden ist, in die besagte Bezugsposition zurückzudrängen.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen und/oder magnetischen Rückstellmittel (21) als eine Kombination aus einem elastischen und/oder magnetischen Element (22) zur Steuerung in Drehung des Rotors (2) und einem elastischen und/oder magnetischen (23) Element, das direkt auf das Steuerorgan (O) wirkt, gebildet sind, und zwar auf eine Art und Weise, die geeignet ist, um dieses Steuerorgan (O) ab einer beliebigen Position, die ihm zuvor durch den Motor (2) verliehen worden ist, in eine Bezugsposition zurückzubringen.
Linearantrieb nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (5), geeignet vorgesehen, um die Rotationsbewegung des Rotors (4) in eine Linearbewegung umzuwandeln, umkehrbar vorgesehen sind.
Linearantrieb nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (5), geeignet vorgesehen, um die Rotationsbewegung des Rotors (4) in eine Linearbewegung umzuwandeln, durch ein System aus Schraube und Mutter (14) gebildet sind, wobei der Rotor (4) im Bereich einer Axialbohrung (15) eine Mutter (16) umfaßt, die mit einem koaxialen Gewindeschaft (17; 17A; 17B) im Eingriff steht, geeignet vorgesehen, um direkt oder indirekt das Steuerorgan (O) zu bilden.
Linearantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (16), die der Rotor (4) trägt, beweglich auf einem festen Gewindeschaft (17B) montiert ist, auf eine Art und Weise, die geeignet ist, um sich mit einer wendelförmigen Bewegung unter dem Stator (3) zu bewegen und ihre Linearbewegung dem Steuerorgan (O) zu übermitteln, das durch angemessene Mittel drehfest gemacht wird.
Linearantrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus Schraube und Mutter (14) der Art Kugelumlaufspindel mit geringem Reibungskoeffizienten ist.
Linearantrieb nach irgendeinem Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (5), geeignet vorgesehen, um die Rotationsbewegung des Rotors (4) in eine Linearbewegung umzuwandeln, die Form von einem System (14A) der Art Rolle (40) und Nocken (41) annehmen, wobei die Rolle (40), die dem Steuerorgan (O) zugeordnet ist, sich entlang eines kreisförmigen Nockens (41) bewegt, der durch den Rotor (4) direkt oder indirekt in Drehung gebracht ist.
Linearantrieb nach irgendeinem Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (5), geeignet vorgesehen, um die Rotationsbewegung des Rotors (4) in eine Linearbewegung umzuwandeln, einen ersten Nocken (41) und einen zweiten Nocken (41A) mit gekreuzten Profilen umfassen, die geeignet vorgesehen sind, um mit einem Geschwindigkeitsdifferential in Drehung getrieben zu werden, um eine Rolle (40A) in Form von einem Stift axial gleiten zu lassen, fähig, die Translationsbewegung des Steuerorgans (O) hervorzurufen.
Linearantrieb nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung (25) aus magnetisch empfindlichen Elementen wie Sonden mit Halleffekt (26) besteht, die in dem Stator (3) des Motors (3) integriert sind, auf eine Art und Weise, die geeignet ist, um die Magnetpole (7) des Rotors (4) zu erfassen.
Linearantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung (25A) aus einem linearen Positionssensor (27) besteht, der dem Steuerorgan (O) zugeordnet ist.
Linearantrieb nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (2) einen Rotor umfaßt (4), der N Paare von rotorischen Polen (7) umfaßt, die radial in abwechselnder Richtung magnetisiert sind, wobei N gleich oder größer als vier sei, seiend gleichzeitig verschieden von einem Vielfachen von drei, wobei der Stator (3) Px9 identische, in 40°/P beabstandete Pole (8) umfaßt, wobei die besagten statorischen Pole (8) aufeinanderfolgend je drei umgruppiert seien, derart, um einen W-förmigen Kreis zu bilden, umgruppierend drei aufeinanderfolgende statorische Pole (8), von den der zentrale statorische Pol die Spule (9) der entsprechenden Phase (10) trägt, wobei die besagten zentralen statorischen Pole (8) der beiden W-förmigen Kreise und entsprechend jeweils einer Phase winklig in 120° beabstandet seien.