EP2710713A2 - Drehantrieb - Google Patents

Drehantrieb

Info

Publication number
EP2710713A2
EP2710713A2 EP12721772.7A EP12721772A EP2710713A2 EP 2710713 A2 EP2710713 A2 EP 2710713A2 EP 12721772 A EP12721772 A EP 12721772A EP 2710713 A2 EP2710713 A2 EP 2710713A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
converter
actuators
toothing
rotary drive
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12721772.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ernst Goepel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KAPPEL, ANDREAS
Johnson Controls GmbH
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2710713A2 publication Critical patent/EP2710713A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/32—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/06—Rolling motors, i.e. motors having the rotor axis parallel to the stator axis and following a circular path as the rotor rolls around the inside or outside of the stator ; Nutating motors, i.e. having the rotor axis parallel to the stator axis inclined with respect to the stator axis and performing a nutational movement as the rotor rolls on the stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/32—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear
    • F16H2001/324—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear comprising two axially spaced, rigidly interconnected, orbital gears
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/32—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear
    • F16H2001/327—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear with orbital gear sets comprising an internally toothed ring gear

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor, hereinafter referred to as a rotary drive, in particular a simply controllable, driven by electromagnetic fields and overload resistant electric rotary drive with high torque density.
  • Electric motors according to the prior art as described for example in EP1324465B1, EP0670621B1 and EP0901710B1, have rotors which can be set in rotation by electromagnetic fields. The torques of such electric motors are low. High engine outputs are achieved by high rotor speeds. Therefore, electric motors are often combined with multi-stage transmissions, with the result that the electromechanical efficiency deteriorates and increase space, weight, gear play and noise emissions. The high speeds of electric motors and the high inertia of the rotors also have an unfavorable effect on the dynamic behavior. With In addition to stepper motors, electric motors require additional sensors to detect speed, position or load. However, stepper motors have a limited resolution and disturbing cogging torques.
  • the object of the present invention to provide an electric motor with a high torque density compared to the prior art, high dynamics, high positioning accuracy and high operational stability.
  • the motor shaft should advantageously be able to be brought into defined positions by applying electrical control signals and / or rotated by the electrical control signals in a defined manner in predetermined directions of rotation with predetermined rotational speeds.
  • the object is achieved by the rotary drive according to claim 1, the method for operating a rotary drive according to claim 19, the method for detecting load moments in a rotary drive according to claim 23 and the
  • a rotary drive which has a first body and a second body, wherein the first body has a toothing of the first body revolving along a first circular circumference about a first axis of rotation and the second body has one along a second circular circumference around the first body first rotation axis circumferential
  • Teeth of the second body has.
  • the serrations of the first body and the second body can therefore be regarded as coaxial.
  • the toothings of the two bodies can run in a common or in different, preferably mutually parallel planes.
  • the serrations of the first and second bodies may be formed by a plurality of teeth equidistant from the first axis of rotation, wherein given equal points of each tooth to the first axis of rotation each have a constant distance within a given body.
  • the distance of the teeth of the first body from the first axis of rotation is advantageously different from the distance of the teeth of the second body from the first axis of rotation.
  • a diameter of a toothing can each be a pitch circle diameter.
  • the first body and the second body may advantageously be motor shafts or Carrier structures (housing) be.
  • the rotary drive according to the invention also has a converter which has a first toothing of the converter running around a second circumference about a second axis of rotation along a circular circumference and a second toothing of the converter coaxial with the latter at a second circumference.
  • the converter can also be referred to as a rolling element or simply as a third body.
  • the converter can advantageously be a cylindrical or circular disk-shaped body, apart from the toothing.
  • the second axis of rotation is arranged parallel to the first axis of rotation and spaced therefrom.
  • the axes are adjacent.
  • the rotary drive according to the invention has at least two actuators, which have non-parallel effective directions to each other, so the effective directions are at an angle to each other, which is not equal to 0 ° and not equal to 180 °. However, if the rotary drive according to the invention has more than two actuators, then it is possible for some of these actuators to be at an angle of 0 ° or 180 ° to one another.
  • the converter is in each case displaceable in one direction.
  • the converter can thus advantageously be displaceable in exactly one direction, if the effect of other actuators is disregarded.
  • the actuators can also be considered as linear actuators.
  • the first toothing of the converter engages with the toothing of the first body in a first engagement region, that is, the first toothing of the converter is toothed with the toothing of the first body in the first engagement region.
  • the second toothing of the converter in a second engagement region with the toothing of the second body in engagement, so meshed with this toothing in the second engagement region.
  • the first engagement region and the second engagement region extend only over part of the circumference of the first toothing of the converter and the toothing of the first body or the second toothing of the converter and the toothing of the second body, that is not around the entire circumference thereof.
  • the converter is displaceable in each case in one direction in such a way that the second axis of rotation circulates along a circular path around the first axis of rotation.
  • the corresponding converter or body can be rotatably mounted about the corresponding axis of rotation and / or have a technical axis lying on the axis of rotation.
  • the first distance in which the first toothing of the converter rotates about the second axis of rotation is different from the second distance, in which the second toothing of the converter rotates about the second axis of rotation.
  • the rotary drive according to the invention is always an internal toothing or internal toothing with an external toothing or an external toothing in engagement.
  • the toothing of the first body can be an internal toothing and the first toothing of the converter can be an external toothing or the toothing of the first body can be an external toothing and the first toothing of the converter can be an internal toothing.
  • the first toothing of the second body is an internal toothing and the second toothing of the converter is an external toothing or the toothing of the second body is an external toothing and the second toothing of the converter is an internal toothing.
  • the rotary drive according to the invention has a support structure, which may particularly preferably be a housing.
  • the at least two actuators can be fixed to the support structure or the
  • either the first or the second body can be firmly connected to the support structure and / or be part of the support structure.
  • the rotary drive according to the invention has a carrier structure or a housing as carrier structure, only the at least two actuators as well as any further actuators can be firmly connected to the carrier structure and the first body as well as the second body can be rotatable relative to the actuators and the carrier structure.
  • the rotary drive according to the invention can be used particularly advantageously as a phase divider, in which the first body and the second body rotate at the same speed about the first axis of rotation, but wherein the first body to change the phase relative to the second body forward or foundedbewegbar to the first axis of rotation is such that the rotational phase between the first body and the second body is changed.
  • a shaft may be connected to the first body and / or with the second body or it may be the first and / or the second body part of each wave.
  • the force exerted by the actuators is directed towards the actuator or away from it.
  • the actuators may therefore be referred to as linear actuators, since they advantageously exert a force only in one main direction.
  • the main direction is understood to be a direction in which the forces exerted by the corresponding actuator act on average.
  • a linear actuator is to be understood here as meaning a force in the direction of the actuator or of the actuator in the absence of other influences exercises away.
  • the rotary drive according to the invention may, in an advantageous embodiment, have at least one eccentric which can rotate about the first axis of rotation and which is arranged so that it blocks a relative movement of the converter with respect to the first and / or second body, in the radial direction to the first axis of rotation by which the teeth of the first and / or the second body would be disengaged from the corresponding toothing of the converter.
  • the eccentric has an outer peripheral contact rich, which is in contact with an inner circumferential contact region of the converter at least in a region which is arranged radially relative to the first axis of rotation in the same direction or in the opposite direction as the first and / or second engagement region.
  • the eccentric may have an inner circumferential contact region, which is in contact with an outer circumferential contact region of the converter at least in a region which is arranged radially relative to the first axis of rotation in the same direction or in the opposite direction as the first and / or the second engagement region ,
  • the eccentric may be a disk, a ring or a cylinder, which is preferably circular.
  • the eccentric can be rotatably mounted about the first axis of rotation. Its axis of symmetry may be offset relative to the first axis of rotation radially relative to the first axis of rotation in the direction of the first engagement region or away from the first engagement region and / or in the direction of the second engagement region or the second engagement region.
  • the eccentric can thus be mounted with its symmetry axis so as to be rotatable offset parallel to the first axis and the axial offset can be directed away from the first engagement region or away from the first engagement region and / or towards the second engagement region or away from the second engagement region.
  • the rotary drive according to the invention may comprise at least one balancing mass, which is arranged so that its center of gravity of a center of gravity of the converter in each position of the converter relative to the first axis of rotation radially opposite or radially in the same direction as the center of gravity of the converter. If the center of gravity is in the same direction as the center of gravity of the converter, an imbalance is amplified; if it is in the opposite direction, an imbalance is compensated.
  • a center of gravity of the eccentric can also be radially opposite a center of gravity of the converter in each position of the converter relative to the first axis of rotation or lie in the same direction as the center of gravity of the converter.
  • the actuators each exert a force directly on the converter. So they advantageously produce a force that acts on the converter or an axis of the converter itself.
  • the actuators in each case exert a force on an axis lying on the second axis of rotation or a rotary bearing of the converter lying on the second axis of rotation, on which the converter is rotatably mounted.
  • the actuators can be firmly connected to the axle or the pivot bearing. In this case, they may in particular be connected to that end of the corresponding actuator on the axle or the rotary bearing, with which they are not connected, for example, to a support structure or a housing.
  • the actuators can act by electromagnetic forces.
  • the teeth of the first body with the first toothing of the converter and / or the toothing of the second body with the second toothing of the converter can form a cycloidal toothing and / or an involute toothing.
  • the invention also provides a method of operating a rotary drive as described above.
  • the actuators are driven and / or energized in such a way that they circulate around the first axis of rotation
  • actuators Different activation patterns of the actuators are possible. For example, exactly one actuator can be active at a given time. But it is also possible that several actuators are fully active or that multiple actuators are active out of phase.
  • the actuators can advantageously be activated by energizing.
  • Vorteihaft note a number of actuators greater than or equal to three is arranged at equidistant angular intervals about the axis of rotation.
  • a method for the detection of load moments can also be carried out with the rotary drive according to the invention, wherein a moment between the first body and a support structure and / or a second body and the support structure and / or between the first and the second body is determined by amplitudes and / or phase relationships between the electrical quantities current, voltage and / or charge of the actuators is detected by means of electronic evaluation means and / or by evaluation of electrical inductances, electrical capacitances and / or electrical resistances of the actuators.
  • a method for position and / or position detection of a rotary drive as described above, wherein the position and / or the position of the converter with respect to a support structure and / or the first body and / or the second body with respect to the support structure and / or the body in relation to one another by evaluating the amplitudes and / or phase relationships between the electrical variable current, voltage and / or charge of the actuators by means of electronic evaluation means and / or by evaluation of electrical inductances, electrical capacitances and / or electrical resistances of the actuators is detected.
  • sensors for detecting rotational speed and / or position and / or forces between the first body and a support structure and / or a second body and the support structure and / or between the first and the second body may be present.
  • the rotary drive may have the following features .:
  • converter annular, cylindrical or disc-shaped element having a first and a second toothing, wherein the converter with its second toothing in the toothing of the motor shaft is rebuttable
  • electrically controllable actuators can be exerted by the forces rotating on the converter with respect to the motor shaft axis
  • the present invention provides a rotary drive which is characterized by a high torque density, high positioning accuracy and cost-effective production. This can advantageously be achieved in particular by the measures described below.
  • the converter can form a two-stage transmission with its first and second toothing in cooperation with the toothings of the motor housing and the motor shaft.
  • the first gear stage can be formed by the gear pairing of the first toothing of the converter and the toothing of the motor housing.
  • the second gear stage can be formed by the tooth pairing of the second toothing of the converter and the toothing of the motor shaft.
  • Each gear stage may have its own gear ratio, which is given by the number of teeth difference of the mutually positively rolling down tooth pairings.
  • the motor shaft, converter and motor housing on circular gears.
  • the teeth of the motor shaft and the motor housing are preferably arranged concentrically to each other on an axis.
  • a concentric nander arranged gears is advantageously understood that the teeth are arranged coaxially with respect to an axis and the pitch circle centers of the teeth lie on this axis.
  • the converter can be advantageously excited by electrically controllable actuators to movements preferably in the plane perpendicular to the motor shaft axis plane.
  • electrically controllable actuators are preferably understood actuators that convert electrical energy into mechanical energy and can exert the attractive or repulsive and / or attractive and repulsive forces on body.
  • the actuators are preferably linear-acting actuators and non-rotary actuators, e.g. Eccentric or electric motors.
  • electromagnetic actuators preferably acting in the plane perpendicular to the motor shaft axis and rotating around the motor shaft axis magnetic forces.
  • Suitable electromagnetic actuators are all types of electromagnets known today.
  • actuators and electrostatic actuators can be used.
  • solid-state actuators can be used as actuators for shifting the converter.
  • the actuators with respect to the motor shaft axis may be radially arranged and electrically controllable electromagnets.
  • the electromagnets may, for example, each comprise a core of ferromagnetic material, which is wound by a coil of turns of an electrically conductive insulated wire.
  • the cores of the electromagnets can be advantageously designed as pole pieces.
  • the arrangement of all electromagnets with the cores and pole shoes can be referred to as a stator, the individual electromagnets as electrically controllable stator means.
  • the stator with the electrically controllable stator means can be firmly connected in one embodiment of the invention with a motor housing.
  • solid-state actuators or electrostatic actuators can advantageously be used as electrically controllable stator means, eg piezoelectric actuators, electrostrictive actuators, magnetostrictive actuators, magnetic shape memory MSM actuators, bimetallic actuators, dielectric actuators, electrostatic comb actuators.
  • electrically controllable stator means eg piezoelectric actuators, electrostrictive actuators, magnetostrictive actuators, magnetic shape memory MSM actuators, bimetallic actuators, dielectric actuators, electrostatic comb actuators.
  • the arrangement of these, the circular displacement of the converter serving actuators be referred to as a stator and the actuators as electrically switchable stator means.
  • the rotary drive according to the invention can advantageously be represented in several designs, some of which are described below:
  • the converter may advantageously be annular, cylindrical, circular or disc-shaped.
  • stator means are electrostatic actuators with two spaced electrode arrangements or consisting thereof, between which controllable forces can be generated by applying a variable electrical potential difference
  • one of the electrode arrangement can be connected to the converter and / or the rotary bearing of the converter and the other to the motor housing be.
  • the converter and / or the rotary bearing of the converter in this case may comprise or consist of any material, e.g. Silicon, plastic, metal.
  • stator means are other non-electromagnetic actuators, e.g.
  • Piezoelectric actuators they are advantageously as stiff as possible with its one end in the direction of action of the respective actuator and as soft as possible in the direction perpendicular to the effective direction of the respective actuator with the converter and / or the pivot bearing of the converter and connected at its other end to the motor housing , so that the effects of multiple attached to the converter and / or the pivot bearing of the converter actuators can overlap as trouble-free as possible.
  • the converter and / or the pivot bearing of Konvreters also have any material or consist of, for example, silicon, plastic, metal.
  • electromagnetic stator means ie electromagnets
  • the converter has a ferromagnetic material, at least in some areas, or consists of these in these partial areas, to which the
  • the pole pieces of the stator can be enclosed by the soft magnetic converter at a small distance.
  • Soft magnetic materials are understood here to be ferromagnetic materials.
  • the distance is preferably chosen to be as small as possible, so that the magnetic forces on the converter are maximum, but a mechanical contact between the poles of the stator and the converter is excluded. It is not necessary that the entire converter consists of soft magnetic material.
  • the converter has at least partially soft magnetic material in the areas opposite the pole shoes or consists thereof in these partial areas.
  • the converter can have permanent magnets on its surface facing the pole shoes.
  • the structure of the rotary drive with external stator can be constructed analogously, except that the converter is located inside and is enclosed by the pole pieces of the stator at a small distance.
  • the converter can be advantageously enclosed by an inner and an outer stator, between which there is an annular gap in which the ring-shaped or bell-shaped converter is arranged.
  • the rotary drive has a plurality of stators, which can transmit forces to the converter, wherein the stators can be both internal and / or external.
  • the pole shoes of the stator are preferably arranged concentrically with respect to the toothings of the motor shaft and motor housing.
  • the centers of motor shaft teeth, motor housing serration and stator are preferably located on one axis. Both the gears, as well as the stator are advantageously in each case in planes, the are oriented perpendicular to this axis.
  • the longitudinal extent of these elements along the axis is not limited.
  • the circulating and in particular acting radially on the converter magnetic forces can advantageously lead to a positive engagement and rolling of the teeth of the converter in the toothing of the motor shaft housing and at the same time the toothing of the motor shaft and thus to a rotation of the motor shaft.
  • the pairings of motor shaft toothing / second toothing of the converter and motor housing toothing / first toothing of the converter are preferably designed such that they have the same eccentricity.
  • slight differences in the eccentricity do not affect the function of the rotary drive.
  • the displacement of the converter can advantageously be limited by stops, pass / spring washers or other elements or devices.
  • the maximum displacement of the converter is preferably limited by the diameter differences between the motor shaft toothing and the second toothing of the converter and by the motor housing toothing to the first toothing of the converter.
  • these two pairs of teeth advantageously have the same eccentricity as possible.
  • mechanical means can advantageously be supported in parallel a parallel guide of the converter in the plane perpendicular to the motor shaft axis, without hindering its displacement and rotation.
  • the converter with its boundary surfaces for example, suitable in the motor housing and the other engine components fits, or be provided with additional guide surfaces, such as side windows or bearing means such as ball bearings, needle bearings, plain bearings.
  • Motor housing toothing be brought.
  • the magnetic poles of the stator can be energized so that ei ne radial sum force is exerted by the magnetic poles on the converter.
  • an initial position of the motor shaft can be defined and the motor shaft are initially held in its angular position.
  • the magnetic poles with respect to the motor shaft axis I - ⁇ are now rotating all around.
  • a variety of energization patterns are suitable.
  • only one magnetic pole can be energized and the current supply can be switched from magnetic pole to magnetic pole. This results in a more step-like rotation of the motor shaft.
  • a more uniform rotation of the motor shaft can be achieved, for example, by a circulating phase-offset energization of a plurality of magnetic poles, wherein the waveform of the electrical currents of the magnetic poles is preferably sinusoidal.
  • the rotating waveform of the energization of the individual magnetic poles to exert a circumferential radial force on the converter can be of very different types.
  • the magnetic poles can also be energized with triangular, ramp-shaped, trapezoidal, sawtooth or other waveforms with different phase offsets between the individual magnetic poles circumferentially.
  • the reluctance principle is also suitable for the rotary drive according to the invention.
  • the rotary drive according to the invention may have a plurality of magnetic poles.
  • the magnetic poles are numbered for presentation circumferentially from PI to PX. Without limiting the generality and for the purpose of illustration only, it is assumed that the rotary drive has a number of PX magnetic poles and initially only the magnetic pole PI is fully energized, while all other magnetic poles are de-energized.
  • the converter comprises or consists of soft magnetic material. The energization of magnetic pole PI causes a magnetic force PI to the converter radially directed tightening force, whereby the teeth of the converter in complete engagement with the teeth of Mo- Torwelle and motor housing advised.
  • the teeth of the rotatably mounted motor shaft simultaneously roll in the second toothing of the converter, causing the motor shaft to rotate in relation to the converter.
  • the self-rotation of the converter is transferred to the ratio of the number of teeth of the external shaft of the motor shaft to the number of teeth of the second internal gear of the converter to the motor shaft.
  • the resulting rotation of the motor shaft relative to the motor housing results from the addition of these shares.
  • the rotary drive according to the invention can thus advantageously radially rotating active forces, in particular electromagnetic tensile and compressive forces, convert into rotation. Due to the possibilities of different Veriereungsauslegungen and their combination is a very large spread of the gear ratio, from extremely high translated to low translated, possible.
  • the rotary actuator according to the invention requires only a few components and builds extremely compact. In particular, it does not necessarily require mechanical storage for the converter, eg in the form of an eccentric connecting rod, but such may optionally be provided.
  • the converter and the rolling kinematics of the gears thus convert displacement movements into rotation and torque in a particularly efficient way. In combination with cycloidal gearing, a high overload capacity is provided, the rotation
  • drive can also have involute or other Veriereungsformen.
  • the rotary drive according to the invention is suitable for controlled operation, since there is an unambiguous assignment between the mechanical angular position of the motor shaft and the electrical phase.
  • the converter can roll on the pole shoes touching.
  • the frictional connection can be both frictional and positive.
  • the pole shoes and the areas between the pole shoes may have a closed or partial toothing (toothing of the first body) in which the first toothing of the converter rolls.
  • the eccentric rolling off in its teeth gear converter can be arranged so that it approaches the pole pieces in motor operation only to a minimum distance without touching them. This distance can be ensured by the teeth and / or by an eccentric.
  • the rotary drive may comprise a plurality of stators and / or converters which are interleaved and / or arranged along an axis, wherein the stators may be both internal and / or external.
  • the converter may have more than a first toothing and / or more than a second toothing, which roll in corresponding toothing of shaft and housing.
  • the converter has at least partially ferromagnetic material in the areas adjacent to the pole shoes.
  • the converter can have permanent magnets, so that forces can be exerted on them by the actuators pulling and / or pushing forces.
  • the pole pieces of the stator can be arranged coaxially with respect to the teeth of shaft (s) and housing (s).
  • the centers of the pitch circles of shaft toothing (s) and housing toothing (s) may advantageously be located on an axis of the stator, which represents an axis of rotation with respect to the shaft.
  • the teeth and the Stator with the magnetic poles in planes that are oriented perpendicular to the axis of rotation. The longitudinal extent of these elements along the axis of rotation is not limited.
  • the rotary drive according to the invention has a rolling body or converter instead of a rotor.
  • a rolling body or converter instead of a rotor.
  • the distance of the converter to the pole shoes is thus variable in the eccentric movement of the converter.
  • the rotor is mounted concentrically spaced to the pole pieces and performs a pure rotational and no eccentric movement. Consequently, the distance of the rotor to the pole pieces in conventional electric motors is constant.
  • the torque generation in the rotary drive according to the invention is based on the eccentric displacement of the converter when external load moments with respect to the load-free state, when single or multiple magnetic poles or actuators are energized, whereby restoring force components arise on the converter, which as torques between the first body (housing or Shaft) and the second body (housing or shaft) become effective.
  • the teeth of the at least one shaft, the housing and the converter are advantageously designed so that they are intermeshable meshing.
  • a mechanical mounting of the converter for example in the form of an eccentric may be present, but is not necessary for the function.
  • the converter may be at least partially annular, cylindrical, circular or disc-shaped and have different diameters in its longitudinal extent.
  • the converter can have a plurality of function-optimized regions and / or consists of such.
  • the converter can, at least in part, have permanent magnets and / or comprise or consist of other ferromagnetic or non-ferromagnetic materials.
  • Suitable drive actuators for the converter are all types of electrical and non-electric actuators, in particular linear actuators.
  • the rotary drive can also be represented with a combination of different actuators.
  • a rotary drive may comprise electromagnetic actuators and piezoelectric actuators.
  • the rotary actuators according to the invention can also have non-ferromagnetic materials. This results in a particular suitability for their operation in magnetic fields.
  • Rotary drives with other than electromagnetic actuators also have only low electromagnetic stray fields (EMC).
  • All types of electromagnetic rotary drive variants can also be represented by means of solid-state actuators or other actuators.
  • actuators in particular solid state actuators, connected to the drive ring, wherein the converter is rotatably mounted in the drive ring, so can additional electromagnetic actuators may be present which also exert forces on the drive ring and / or the converter.
  • the actuators can be mechanically coupled to a drive ring or exert on these forces in which the converter rotates eccentrically rotating friction or form-fitting with cyclical circular movement of the drive ring.
  • solid-state actuators are stiff in their main direction of action between the drive ring and the housing, perpendicularly but sufficiently yielding so that the deflections and forces of several actuators acting on the drive ring can overlap with little interference.
  • kinematics are known from the prior art, which can be mounted between the actuators and the housing and / or the actuators and the pivot bearing of the converter and / or the actuators and the drive ring. Examples of such kinematics are struts that are stiff in compression with respect to an axis, but are hard-soft perpendicular to it, as well as parallel structures, scenes and
  • the number of actuators of a stator ring and the number of stator rings is not limited.
  • the converter and / or the drive ring may also comprise or consist of non-ferromagnetic material, e.g. Silicon, plastic, metal, alloys, composite materials.
  • FIG. 1 shows a top view of a rotary drive with an internal stator, a motor shaft with an outside Gear, a motor housing with an external toothing, which has a larger diameter compared to the outer toothing of the motor shaft and an annular converter with two to the outer teeth of the motor shaft and motor housing corresponding internal teeth
  • Figure 2 shows a section of the rotary drive shown in Fig.l along the line K - K 'in Figure 1 in plan view with internal stator and annular converter
  • Figure 3 shows four different basic designs of the rotary drive according to the invention, which can be represented by different arrangement of the three basic elements motor shaft, motor housing and converter
  • FIG. 3.1 shows a rotary drive with an internal toothing of the motor shaft and an external toothing of the motor housing as well as an annular converter with two toothings
  • Figure 3.2 shows a rotary drive with an external toothing of the motor shaft and an internal toothing of the motor housing and an annular converter with two gears
  • Figure 3.3 shows a rotary drive with an outer toothing of the motor shaft and an outer toothing of the motor housing and an annular converter with two teeth
  • Figure 3.4 shows a rotary drive with an internal toothing of the motor shaft and an internal toothing of the motor housing and an annular converter with two gears
  • Figure 4 shows a rotary drive, in which the motor shaft is additionally mounted frontally, a motor shaft with external teeth and a larger diameter outer teeth of the motor housing and internal stator and ring-shaped converter
  • Figure 5 shows a rotary drive, in which the motor shaft from the
  • Motor housing is led out on both sides, a motor shaft with external teeth and a larger diameter outer teeth of the motor housing and internal stator and annular converter
  • Figure 6 shows a rotary drive, with external teeth of motor shaft and motor housing of the same diameter and internal stator and annular converter
  • Figure 7 shows a rotary drive, with an external toothing of Motor shaft and a smaller outer diameter of the motor housing and inner stator and annular converter
  • Figure 8 shows a rotary drive, with an external toothing of
  • Figure 9 shows a rotary drive, with an internal toothing of the motor shaft and a smaller diameter outer toothing of the motor housing and internal stator and annular converter
  • Figure 10 shows a rotary drive, with an internal toothing of the motor shaft and a smaller inner diameter of the motor housing and inner stator and annular converter
  • Figure 11 shows a rotary drive, with an internal toothing of the motor shaft and a larger diameter inner toothing of the motor housing and internal stator and annular converter
  • Figure 12 shows a rotary drive, with an external toothing of
  • FIG. 13 shows a rotary drive with external teeth of the motor shaft and motor housing of the same diameter as well as an external stator and an annular converter
  • Figure 14 shows a rotary drive, with an external toothing of
  • Figure 15 shows a rotary drive, with an external toothing of
  • Figure 16 shows a rotary drive, with an external toothing of
  • FIG. 17 shows a rotary drive with an internal toothing of the motor Torwelle and a much larger outer diameter of the motor housing and outer stator and annular converter
  • FIG. 18 shows a rotary drive with an internal toothing of the motor shaft and a substantially larger internal diameter of the motor housing as well as an external stator and annular converter
  • Figure 19 shows a rotary drive, with an internal toothing of the motor shaft and a much smaller inner diameter of the motor housing and annular
  • FIG. 20 shows a rotary drive with two motor shafts driven in a coupled manner by the annular converter, the first motor shaft having an inner toothing and the second motor shaft having a smaller outer toothing and an outer stator
  • Figure 21 shows a rotary drive with a disc-shaped mass balance element and an outer toothing of the motor shaft and a larger diameter outer toothing of the motor housing and annular converter with internal stator
  • Figure 22 shows a rotary drive of the type according to the invention, in which the mass balance element is driven by means of separate auxiliary stator windings
  • FIG. 23 shows various design possibilities of the disk-shaped mass balance element for the compensation of engine imbalances
  • Figure 23.1 shows a rotary drive in plan view with a first embodiment of a disk-shaped Massenausrete- Mentes
  • Figure 23.2 shows a rotary drive in plan view with a second embodiment of a disc-shaped mass balance element
  • Figure 23.3 shows a rotary drive in plan view with a third embodiment of a disc-shaped mass balance element
  • FIG. 24 shows different variants of a non-rotationally symmetrical mass balance element for compensating engine imbalances
  • FIG. 24.1 shows a plan view of a massive embodiment of a non-rotationally symmetrical mass balance element
  • FIG. 24.2 shows a plan view of an embodiment with recesses of a non-rotationally symmetrical mass compensation element
  • Figure 24.3 shows in plan view an embodiment of a non-rotationally symmetrical mass balance element with additional weight or ferromagnetic material
  • Figure 25 shows a rotary drive in which the converter by means of a
  • Figure 26 shows two embodiments of eccentrics to compensate for engine imbalances
  • Figure 26.1 shows for a rotary drive according to Fig.25, with an eccentric
  • Figure 26.2 shows for a rotary drive according to Fig.25, an eccentric with
  • Figure 27 shows a flat design of the rotary drive with internal stator and U-shaped converter
  • Figure 28 shows a flat design of the rotary drive with external stator and U-shaped converter
  • Figure 29 shows a flat design of the rotary drive with both sides led out motor shaft and internal stator
  • Figure 30 shows a flat design of the rotary drive with internal stator in which the output member is an outboard ring
  • FIG. 31 shows a rotary drive according to FIG. 30, in which the converter has a plurality of disk and / or annular elements
  • FIG. 32 shows a cylindrical design of the rotary drive with a plurality of internal stators, a hollow-cylindrical converter and a motor shaft guided out on both sides
  • FIG. 33 shows a cylindrical design of the rotary drive with two inner stators arranged symmetrically with respect to the motor shaft toothing, a hollow cylindrical converter and motor shaft guided out on both sides.
  • FIG. 34 shows a rotary drive according to FIG. 33 with a higher number of internal stators arranged symmetrically to the motor shaft toothing
  • FIG. 35 shows a rotary drive with solid-state actuators as drive elements of the converter
  • FIG. 36 shows a plan view of the section along the section KK 'in FIG
  • FIG. 37 shows a rotary drive with four solid-state actuators whose respective main direction of action is not directed to the axis of the motor shaft
  • Figure 38 shows a rotary drive with two to each other in a 90th
  • FIG. 39 shows a cylindrical rotary drive with four bending actuators oriented in the direction of the motor shaft axis
  • Figure 40 shows a sectional view of the rotary drive in the region of the bending actuator holder of the embodiment shown in Fig.39
  • Figure 41 shows magnetic means for improving power transmission
  • Figure 42 basic variants of the rotary drive in each case in a planar and perspective perspective view
  • Figure 1 shows a sectional view in plan view.
  • Fig.2. shows the rotary drive of Fig.l in plan view along a sectional plane KK 1 in Fig.l.
  • the rotary drive has as the first body to a motor housing 1, in which a motor shaft 2 is rotatably mounted as a second body by means of bearings 8 with respect to a z-axis of rotation I-f.
  • the motor shaft 2 Against axial displacements along the axis of rotation ⁇ - ⁇ , the motor shaft 2, etc., either by the bearing 8 or by not shown elements, such as shims, snap rings, disc springs. secured.
  • the rotary drive has magnetic poles PI, PX.
  • the number i thus indicates the maximum number of magnetic poles of a rotary drive of the type according to the invention.
  • Each of the magnetic poles has a region of ferromagnetic material 5.1, 5.X, which is surrounded by a winding 7.1, 7.X electrically conductive insulated wire, through which by applying an electrical voltage, a current flow and a substantially radial axis of rotation ll 'outward magnetic field can be generated can.
  • the magnetic poles PI, PX form in cooperation with the ferromagnetic material of the converter 3 electromagnetic actuators.
  • the magnetic poles themselves can be regarded as actuators acting on the converter. This applies to the examples in all figures unless otherwise stated.
  • the magnetic poles as shown in Figure 2, arranged at equidistant angular intervals in a plane perpendicular to the motor shaft axis lf.
  • each of the magnetic poles PI, PX has on its outer circumference a magnetic flux guide pole piece 6.1, 6.X.
  • the soft magnetic materials of the magnetic poles are connected together in an inner central region 4.
  • the approximately star-shaped body of the ferromagnetic material of the magnetic poles PI, PX with the winding packages 7.1, 7.X is referred to here as a stator.
  • the stator is fixedly connected to the motor housing 1 in the central region 4.
  • the motor shaft 2 has an external toothing N w .
  • the motor housing 1 has at its end opposite the front side of the motor shaft 2 a region with respect to the motor shaft axis ⁇ - ⁇ concentric pin-shaped elevation with an external toothing N G.
  • the external teeth of the motor shaft N w and the motor housing N G are surrounded by an annular designated as a converter 3 element, with at least in the region of the pole pieces 6.1, 6.X soft magnetic material.
  • the converter 3 has at its two ends with the external teeth of the motor shaft N w and motor housing N G corresponding internal gears NK2 and NKI, which can roll in the external teeth of motor shaft 2 and motor housing 1. In order to ensure this, the toothed areas of the converter 3 surround those of motor shaft 2 and motor housing 1 with an oversize.
  • the internal toothing N K2 of the converter 3 has at least one tooth more than the external toothing N w of the motor shaft 2.
  • the internal toothing K i of the converter 3 has at least one tooth more than the external toothing N G of the motor housing 1 executed so that for both gear pairings N K2 / N W and N K i / N G , as possible with respect to the motor shaft axis lf eccentricity e e, in Fig.l illustrated by the axis JJ 1 results.
  • the maximum displacement of the converter 3 thus corresponds to the double eccentricity e.
  • the central axis of the inner surfaces of the converter 3 designated JJ 'in FIG. 1 can be displaced by a maximum of ⁇ e relative to the motor shaft axis lf.
  • the diameter of the teeth of motor shaft 2 and motor housing 1 can be arbitrarily, in particular different, are selected.
  • the magnetic poles PI, PX are energized circumferentially. Due to the magnetic field forces, the converter 3 is pulled in each case in the direction of the energized magnetic poles, as a result of which the toothings of the converter 3 are fully engaged with the motor housing toothing N 6 and the motor shaft toothing N w .
  • the direction of the radially directed magnetic force vector to the converter 3 whereby the converter 3 with its internal teeth N K i in the external toothing N G of the motor housing 1 rolls.
  • the resulting direction of rotation and rotational speed of the motor shaft 2 with respect to the motor housing 1 results from the superposition of these effects, which, depending on the gear design and combination of the Veriereungsaus arrangementen
  • Fig.2. 2 shows the rotary drive shown in Fig. L in plan view along a section along the line KK 'in Fig.l.
  • the rotary drive has eight magnetic poles PI ... P8.
  • a magnetic pole is called PX.
  • the teeth N K i and N K2 of the converter 3 are located with the teeth N w of the motor shaft 2 and
  • the converter 3 By circulating current supply of the windings 7.1 ... 7.8, the converter 3 can be moved by magnetic forces within the xy plane, wherein the teeth of N i and N K2 of the converter 3 in the teeth N w of the motor shaft 2 and N G of the Roll the motor housing 1, causing the motor shaft 2 to rotate.
  • the rotary drive according to the invention has, as essential elements, the components comprising motor shaft 2, motor housing 1 and converter 3 as well as drive actuators for the converter. ter 3 on.
  • the axis of the motor shaft 2 and the center or the center axis of the motor housing serration N G are on a common axis ⁇ - ⁇ ', so they are concentric to each other.
  • the motor shaft 2 is rotatably mounted with respect to the axis I- by means not shown in Figure 3 storage means with respect to the Motorge- housing 1.
  • the converter 3 can by, not shown for reasons of clarity in Figure 3, actuators, preferably electromagnetic actuators with stator and magnetic poles, electrostatic actuators, solid-state actuators (piezoelectric, electrostrictive, magnetostrictive, dielectric, MSM, etc.), thermal actuators, pneumatic and hydraulic actuators, aerodynamic actuators (wind turbine), hydraulic actuators and combustion actuators (eg pistons of 2- and 4-stroke petrol and diesel engines), eccentrically about the common axis ⁇ - of motor shaft 2 and motor housing serration N G are moved, with the central axis JJ 'of the converter 3 is moved on a circular path with the eccentricity e about the common axis lf of motor shaft 2 and motor housing toothing N G.
  • the teeth are designed so that they can be shifted by displacement of the converter 3 about the axis ⁇ - ⁇ .
  • the converter 3 can optionally be guided in a rotatable and radially displaceable manner by means of an eccentric, not shown in FIG. 3, arranged on the axis ⁇ - ⁇ .
  • the variants of the rotary drive according to the invention shown schematically in FIG. 3 differentiate, depending on whether the toothings of the converter 3 are internal or external gears, as follows:
  • Fig.3.1 The first toothing of the converter N K i is an internal toothing, the second toothing of the converter N K2 is an external toothing: The rotational speeds of both gear stages add up. The direction of rotation of the motor shaft is in the same direction as the direction of rotation of the converter shift.
  • Fig. 3.2 The first toothing of the converter N K i is an external toothing, the second toothing of the converter N K2 is an internal toothing: The rotational speeds of both gear stages add up. The direction of rotation of the motor shaft is opposite to the direction of rotation of the converter displacement.
  • Both gears of the converter N K i and N K2 are internal gears:
  • the sense of rotation of the first gear stage is in the same direction, the second gear stage in the opposite direction to the sense of rotation of the electric
  • the rotational speeds of both gear stages are opposite direction.
  • the resulting direction of rotation of the motor shaft depends on the ratio of the gear ratio of the first to the second gear stage and can be both in the same direction and opposite to the direction of rotation of the converter displacement.
  • Both gears of the converter N K i and N 2 are external gears: The direction of rotation of the first gear stage is in opposite directions, the second gear stage in the same direction to the sense of circulation of the electric
  • co e i - electrical drive frequency (rotational frequency) is generally the following relationship for the direction of rotation and rotational frequency ⁇ of the motor shaft 2 with respect to the motor housing 1:
  • FIG. 4 shows a variant in which the motor shaft 2 is additionally rotatably mounted at its front end 9 either in the stator 4 connected to the motor housing 1 or in the motor housing 1 itself. Due to the double bearing acting on the motor shaft 2 radial forces can be better absorbed and tilting of the motor shaft 2 are minimized, which supports the overall smooth running of the gears.
  • the stator 4 may have a recess 11 in which a front-side pin 10 of the motor shaft 2 is rotatably supported by means of a bearing 9.
  • a bearing 9 all known bearing variants such as ball bearings, needle roller bearings, plain bearings or other use can be found.
  • FIG 5 shows an embodiment in which the motor shaft 2 from the Mo- Gate housing 1 led out on both sides and is additionally rotatably mounted in the manner already described in Figure 4.
  • Stator poles PI, PX leads.
  • FIG. 9 shows an embodiment with an internal toothing K i and an external toothing N K2 of the converter 3, which leads to a rotation of the motor shaft 2 in the direction of rotation of the electrical exciting frequency co e i of the stator poles PI, PX.
  • Fig.10 shows an embodiment in which the teeth N K i and N K2 of the converter 3 are both external gears, wherein the diameter of the toothing N K2 is greater than that of the toothing N K i.
  • this results in a rotation of the motor shaft 2 against the direction of rotation of the electrical excitation frequency ⁇ ⁇ ⁇ the stator poles PI, PX.
  • Fig.ll shows an embodiment in which compared to Fig.10 the diameter N K i is greater than the diameter N K2 . This results in a rotation of the motor shaft 3 in the direction of rotation of the electrical Excitation frequency ⁇ ⁇ ⁇ the stator poles PI, PX.
  • Fig.12 shows a variant in which the diameter of the internal gear N K2 is considerably less than the diameter of the external gear N K i.
  • the total ratio ⁇ / ⁇ ⁇ I can be selected by selecting the
  • Number of teeth of N K i, N K2 , N G , N w can be set within wide limits. If possible, one will interpret the gears so that the eccentricity for the two gear pairs N K i with N G and N K2 with N w is identical. However, only one tooth engagement of the teeth is required for the function of the rotary drive. Consequently, the eccentricities may well deviate from one another as long as a form-fitting tooth engagement is ensured.
  • FIG. 13 shows a variant of the rotary drive with an external stator or stator poles PI, PX.
  • the pole shoes 6.1, 6.X act on the ferromagnetic converter 3 from the outside.
  • FIG. 13 shows a special case analogous to the exemplary embodiment shown in FIG. 6, in which the toothings have identical diameters.
  • a rotation of the motor shaft 2 according to Eq. (L) in this special case requires that the gear pairs N K i with N G and N K2 with N w be designed so that the gear ratios of the two gear pairings are not identical. This can be achieved for example by different numbers of teeth differences and / or different tooth geometries.
  • Fig.15 shows a complementary to Fig.14 embodiment in which the teeth N K i and N K2 of the converter 3 are both internal gears, but the diameter of the toothing N Ki is smaller than that of the toothing N K2 .
  • 16 shows a variant of the rotary drive with an external stator or stator poles PI, PX, in which the internal toothing N K2 of the converter 3 has a substantially larger diameter than the external toothing N 1 .
  • 17 shows an embodiment of the rotary drive with an external stator or stator poles PI, PX, in which the external toothing N K2 of the converter 3 has a substantially smaller diameter than the external toothing N K i.
  • Fig.18 shows an embodiment of the rotary drive with external stator, or stator poles PI, PX, in which both teeth of the converter 3 external teeth are, the toothing N KX compared to the teeth N K2 has a larger diameter.
  • FIG. 19 shows an embodiment of the rotary drive, for even higher torques, in which the converter 3 is driven by external stator poles API, APX and internal stator poles BP1, BPX.
  • the rotary drive 20 shows an embodiment of the rotary drive, with a power split on two motor shafts 2, 4.
  • Both motor shafts 2.4 output motor shafts on which external load torques attack, so the function largely corresponds to that of an electrically driven differential, i.
  • the electromechanical power of the rotary drive is distributed according to the force acting on the motor shaft 2 and the motor shaft 4 external load torques on the two output motor shafts. For example, when the motor shaft 2 is fixed with respect to the motor housing 1, the entire drive power is transmitted to the motor shaft 4. Conversely, when the motor shaft 4 is fixed, the entire power is transmitted to the motor shaft 2. If load torques of equal magnitude act on both motor shafts, the drive power of the rotary drive is divided between the two motor shafts.
  • the power split is proportional to the ratio of the external load torques.
  • the principle of power split to two motor shafts is applicable to all covered by this document types and variants of the rotary drive according to the invention. The different variants are therefore not shown in detail.
  • one of the motor shafts may also be a (driven) input motor shaft and the respective other motor shaft may be an output motor shaft (output drive).
  • the input motor shaft directly or indirectly, by means of mechanical transmission means such as a chain, a toothed belt, a shaft to be driven by any other drive, such as an electric motor, an internal combustion engine, by wind power, by hydraulic forces or by Water forces and the output motor shaft drive a load, such as the camshaft of a motor vehicle.
  • the power of the input motor shaft of the rotary drive is in this case transmitted by the positive connection of the input motor shaft via the converter 3 with the output motor shaft almost lossless on the output motor shaft.
  • the rotary drive For detecting the input motor shaft speed and / or the output motor shaft speed, the rotary drive has not shown in Fig.20 sensor means, eg Hall sensors, encoders and electrical evaluation and control means (control electronics and MC software).
  • sensor means eg Hall sensors, encoders and electrical evaluation and control means (control electronics and MC software).
  • o e i By increasing or decreasing o e i can also be set between the input and output motor shaft positive or negative differential speed.
  • frequency and / or phase modulation of a> ei the differential speed can be made variable in time. For example, by periodic phase modulation of ⁇ ⁇ ⁇ a relative to the absolute phase of co E periodic advance and / or provision of the output motor shaft with respect to the input motor shaft can be achieved.
  • the rotary drive shown in Figure 20 can thus perform the function of a Phasensteliers.
  • phaser are used for example for camshaft adjustment in automotive internal combustion engines application to control inlet and outlet times of the intake and exhaust valves map dependent.
  • the main drive power of the output motor shaft of the rotary drive is provided by the input motor shaft, while the rotary drive only needs to provide the power required to adjust the output motor shaft with respect to the input motor shaft.
  • Input motor shaft and output motor shaft are interchangeable in function, ie each of the motor shafts 2, 4 in Fig.20 can serve as an input or output motor shaft.
  • the eccentric about the motor axis beweg- moving converter 3 represents an imbalance. Such imbalances are known to produce disturbing engine vibrations and noise and are to be avoided.
  • the exemplary embodiment in FIG. 21 indicates a solution in which the converter 3 determines imbalance is compensated by an about the axis of the motor shaft ⁇ - ⁇ synchronous circumferential balancing mass 9.
  • a ferromagnetic balancing mass 9 in the magnetic force shunt can be driven by the converter 3 in conjunction with the stator 4 and the stator poles PI, PX. As shown in Fig.21, the converter 3 is at
  • the balancing mass 9 which is synchronous with the converter in phase, it rolls with its inner region on the pin 14 of the stator which is arranged concentrically with respect to the motor shaft axis and is thereby itself set in rotation. Basically, therefore, it requires no further ball bearing of the balancing mass 9 on the pin 14, but such is optionally possible.
  • the self-rotation of the balancing mass has no influence on the function of the rotary drive and does not interfere further.
  • the engagement conditions of the teeth in the position of the converter 3 shown in FIG. 21 are schematically represented by the detail enlargements Dl and Dl 'as well as D2 and D2' rotated in the perspective by 90 degrees.
  • FIG. 22 shows another embodiment of the unbalance compensation, in which the balancing mass 9 is electromagnetically driven by an additional auxiliary stator consisting of or comprising the stator poles Hl, HX with the windings 10.1, 10.X phase-synchronous to the converter 3.
  • the current supply to the auxiliary stator poles H 1, H X is again such that the common same mass center of balancing mass 9 and converter 3 in all operating phases on the motor shaft axis ⁇ - ⁇ is. Since the balancing mass 9 performs no work except for overcoming the self-inertia, the energy requirement for the auxiliary stator windings Hl, HX is low.
  • the windings 10.1, 10.x of the auxiliary stator can therefore be made compact with thin wire and optionally be electrically connected to the main stator windings 7.1, 7.X.
  • the engagement conditions of the teeth in the position of the converter 3 shown in FIG. 22 are schematically represented by the detail enlargements Dl and Dl 'as well as D2 and D2' rotated in the perspective by 90 degrees.
  • the dimensioning of the balancing mass 9 with respect to the converter 3 for complete unbalance compensation can be done both on the thickness and on the shape of the disc-shaped balancing mass 9.
  • Fig.23.1 shows this as an example a shim 9 whose thickness and density are chosen suitable.
  • the counter imbalance can be influenced by the shape of the balancing mass.
  • FIG. 23.2 shows a balancing mass 9 in the form of a wide-brimmed ring and in FIG. 23.3 in the form of a thin-edged ring.
  • the disc or annular balancing weights 9 roll with their inner surface on the outside of about the axis of the motor shaft ⁇ - ⁇ symmetrical pin 14 of the stator or motor housing.
  • the balancing weights rotate more or less strongly in itself, but this has no effect on the function.
  • FIG. 24 shows non-rotationally symmetrical balancing weights 9 rotating around the motor shaft axis.
  • FIG. 24.1 shows a ferromagnetic balancing weight in the form of a homogeneous body of suitable thickness and density Motor shaft axis lf is rotatably supported by means of the bearing 8.
  • the ferromagnetic Aus stressessgwicht 9 is moved by the magnetic forces transmitted by the eccentrically moving converter 3 with this phase-synchronous, since it always goes to the position in which the distance between the converter 3 and the balance weight 9 is minimal.
  • the balance weight 9 rotates here with the rotational frequency of the electrical exciting frequency co e
  • a vote of the ballast weight mass can be done by subsequently mounted recesses or holes 15, as shown in Fig.24.2 is shown schematically or by additional weights 16, as shown in Fig. 24.3.
  • the balance weight 9 may have a permanent magnet, whereby it always adjusts to the position of the smallest distance to the converter 3 and also phase-locked with the electrical
  • the eccentric 9 is eccentrically rotatably mounted with a bore 9.1 on a pin 14 of the motor housing 1.
  • the eccentric 9 with its cylindrical outer surface 9.2 free of play and rotatably fitted in an inner bore of the converter 3.
  • the eccentricity and the dimensions of the eccentric 9 are matched to the eccentricity e of the converter 3 with respect to the motor shaft gearing N w and the motor housing G gear N G and the gears N G , N w , N K i and N K2 that the gears into each other can grab and roll over.
  • the converter 3 can thus both move eccentrically as well as rotate.
  • the eccentric 9 rotates with the electrical excitation frequency co e i about the axis I f of the motor shaft 2.
  • the prior art corresponding storage means Eg plain bearings, ball bearings, needle roller bearings or others are used, the storage is possible to perform as free of play.
  • the embodiment shown in FIG. 25 shows a slide bearing of the eccentric 9.
  • a positive guidance of the converter 3 can be achieved by suitable dimensioning of the eccentric 9, which ensures that the toothed pairings N w with N «2 and N G with N i always engaged.
  • FIG. 26.1 shows an embodiment of the eccentric 9 in which, for this purpose, it has recesses and / or bores on its one half surface. gene 15 has. The recesses 15 are located in the region of the eccentric 9, where this has the greater width, so that the center of mass of the eccentric in Fig.26.1 is shifted upward in the direction of the positive y-axis. The center of mass of the converter 3 is shifted downward in the position shown in FIG. 25, along the negative y-axis.
  • the eccentric 9 may also have additional masses 16 in its region of lesser width.
  • Fig.26.2 gives an example. These may also be material regions of higher density. By this measure, the center of gravity of the eccentric 9 is also moved in the desired manner.
  • the measures illustrated in FIG. 26.1 and FIG. 26.2 can also be combined with one another.
  • Fig. 27 shows a particularly flat design variant of the rotary drive with internal stator, in which the converter 3 is in the form of a U-shaped annular profile.
  • Fig. 28 shows a particularly flat design variant of the rotary drive with external stator, in which the converter 3 is in the form of a U-shaped ring profile.
  • FIG. 29 shows a flat construction embodiment of the rotary drive according to the invention, in which the motor shaft 2, 2 'is passed through the motor housing 1, 4, so that the two coupled output shafts motor shaft 2 and motor shaft 2' for driving loads or to support a rotational movement to To be available.
  • the engine le 2 ' be connected to the steering gear of a motor vehicle and the motor shaft 2 with the steering wheel, wherein the rotary drive can exert a steering assist in the desired manner.
  • the variant shown in Fig.30 shows a rotary drive according to the invention, in which the motor shaft is designed in the form of an outer ring 2 or an outer disc 2, which is rotatably supported by external storage means 8.
  • the variant shown in Figure 31 has a built converter 3, which has two interconnected discs 3.1 and 3.2 or consists of these, which have on its outer circumference teeth N K i and N 2 and a ferromagnetic ring 3.3, which with the disc 3.2 is connected.
  • This allows a particularly economical production, since the individual elements 3.1, 3.2 and 3.3 individually, for example by punching, manufactured, tested and connected by means of known joining and joining techniques to the converter 3.
  • the output element has in Fig.31 the shape of an outer ring / disk 2, which is rotatably supported by bearing means 8 about the motor shaft axis ⁇ -.
  • FIG. 32 shows a rotary drive with a longitudinal extent along the z-axis (motor shaft axis) which is large with respect to the xy-dimension.
  • the motor housing 1 has at least one stator ring with the stator poles API,
  • APX but preferably several, indicated in Figure 32 with A, B, C, D.
  • each stator ring has cores A5.X ferromagnetic material, pole shoes A6.X and windings A7.X.
  • the rotary drive shown in FIG. 32 can have a plurality of such stator rings, designated in FIG. 32 with the letters A, B, C, D, each of which has a number
  • Stator poles APX, BPX, CPX, DPX Stator poles APX, BPX, CPX, DPX.
  • the individual stator rings may have a different number of stator poles from each other. In particular, however, the individual stator rings have an equal number of stator poles, so that in each case the windings A7.1, B7.1, C7.1, D7.1, the windings A7.2, B7.2, C7. 2, D7.2, the windings A7.X, B7.X, C7.X,
  • D7.X can be electrically interconnected or connected to each other, or represent a total winding.
  • Stator poles increase the power and torque of the rotary actuator.
  • the internally guided motor shaft 2 can be stored in the motor housing 1 double and passed through the motor housing, which are the output side two ports available.
  • the motor shaft 2 is rotatably supported in the motor housing 1 by means of bearing means 8 and axially secured against emigration.
  • the motor shaft 2 has a disk-shaped region 4 with external teeth N w .
  • the hollow cylindrical converter 3 has the at least one internal teeth N K i and NK2- Also, the motor housing 1, the at least one with the internal teeth N K i of the converter 3 corresponding outer toothing N G on.
  • Converter movement is an eccentric motion is superimposed (tumbling), whereby the motor shaft 2 is set in rotation.
  • the rotary drive has at least one stator ring A and B.
  • the stator poles to the left of the disk-shaped region 4 with API, APX and the stator poles to the right are designated by BP1, BPX.
  • the motor shaft 2 is led out of the motor housing 1 on both sides.
  • FIG. 34 shows the possibility of cascading the stator rings lying on the right and left side of the disk-shaped region 4.
  • the construction according to FIG. 34 has the four stator rings A, B, C, D on the left of the symmetry axis KK 'and the four stator rings E, F, G, H on the right of the symmetry axis.
  • the position and movement of the converter and thus of the motor shaft can be determined by means of inductive, capacitive, optical, impedance measurements, current and voltage measurements or other physical methods.
  • the windings may be e.g. 7.1, 7.X of the stator poles themselves as sensors for the position determination of the converter position and the
  • the above measuring methods are suitable for detecting the load moments acting on the motor shaft 2 or the motor shafts 2, 2 '.
  • the windings e.g. 7.1, 7.X and their inductors this is not necessarily an additional sensor required.
  • a load torque may be a torque.
  • the rotary drive according to the invention in addition to electromagnets, all types of actuators are suitable which can exert forces on the converter without contact via field effects.
  • electrostatic actuators in particular electrostatic Kammaktoren (Comb drives) and in particular made in MEMS technology electrostatic actuators are.
  • the rotary drive according to the invention can be produced in parts or in total as a micromechanical and / or micro-electro-mechanical component.
  • the rotary drive according to the invention is also suitable for mechanically coupled with the converter 3 actuators, in particular piezoelectric, magnetostrictive, magnetic shape memory actuators, shape memory actuators, dielectric actuators, bimetallic actuators, etc.
  • the converter 3 actuators in particular piezoelectric, magnetostrictive, magnetic shape memory actuators, shape memory actuators, dielectric actuators, bimetallic actuators, etc.
  • the rotary drive shown in section in Fig. 35 and along a section K-K 'in Fig. 35 in plan view in Fig. 36 has solid-state actuators 5, 5.X for driving the
  • the main axes of the solid-state actuators shown in Fig. 35 extend along the y-axis.
  • the solid-state actuators 5, 5.X are supported with their one end on the motor housing 1, with its other end on an annular, the converter 3 enclosing drive ring 4 from.
  • the elements 6 may also have the function of spring elements which mechanically bias the solid state actuators and mechanically fix between the motor housing 1 and the drive ring 4.
  • the drive ring 4 is by means of bearing means 9, as such needle roller bearings, ball bearings, plain bearings or other prior art storage means are rotatably mounted with respect to the converter 3, as Fig.36 illustrates.
  • the converter 3 has teeth N K i and N K2 , which can roll off in the toothings N G of the motor housing 1 and N w of the motor shaft 2, and thereby the motor shaft 2 to those already described
  • the motor shaft 2 is rotatably supported by bearing means 8 in the motor housing 1.
  • the motor shaft 2 may be mounted in an end region 11 by means of further storage means 10 in the motor housing 1.
  • the additional storage of the motor shaft 2 in a region 11 with the bearings 10 is irrelevant to the function of the rotary drive.
  • the rotary drive shown in FIG. 35 is thus largely analogous in function and design to those shown in FIG. 1 and FIG. 14, with the difference that instead of electromagnetic actuators, solid-state actuators are used to excite a circular displacement movement of the converter 3.
  • the structure and function of the rotary drive with solid-state actuators shown in plan view in FIG. 36 largely correspond to those of the rotary drive with electromagnetic actuators shown in FIG.
  • the mechanically fixed (positive) connection of the solid state actuators to the mechanics of the rotary drive advantageously as an additional element with respect to the converter 3 rotatably mounted drive ring 4 on. Due to the rotational mounting of the converter 3 in the drive ring 4, the forces and deflections generated by the solid state actuators 5 are transferred to the converter 3, without affecting the rotation and circular displacement movement.
  • the rotary drive shown in Fig.35 and Fig.36 has at least two with their Hauptwirkachsen not parallel to each other and at an angle to the motor shaft axis l-f arranged drive actuators P, PX.
  • the maximum number i of drive actuators is not limited to the top.
  • the preferably in a plane perpendicular to the motor shaft axis ⁇ arranged drive actuators are referred to as stator.
  • the rotary drive according to the invention can be arranged any number along the motor shaft axis L-F
  • the rotary drives illustrated in FIGS. 33, 34, 35 are characterized in particular in that they can have more than one first converter toothing N Ki and more than one housing toothing N G. It is also envisaged that the rotary drives have more than one second converter toothing N K2 and more than one shaft toothing N w . This applies to all rotary actuators according to the invention. As shown in Fig. 37, the main direction of action of each individual must be
  • Drive actuator P however, not necessarily be directed to the motor shaft axis ⁇ - ⁇ .
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 37 has four drive actuators PI, P2, P3 and P4 whose main operating directions lie in a plane perpendicular to the motor shaft axis l-f, the main direction of action of each individual actuator not being directed to the motor shaft axis.
  • the converter 3 is excited to a circular displacement movement in the xy plane about the motor shaft axis ⁇ -.
  • two opposite drive actuators e.g. PI and P3 as well as P2 and P4 electrically driven together, with a phase shift between the two Antriebsaktorcruen.
  • the phase offset between the periodic signal voltages of the two drive actuator pairs PI, P3 and P2, P4 is preferably 90 degrees.
  • the drive actuators P can be moved relative to a central position, e.g. by corresponding bias electric bias, perform both positive and negative excursions, i. both contract and expand.
  • the control of two opposing drive actuators, PI and P3 and P2 and P4 takes place in such a way that the drive ring 4 is displaced in the xy plane. In the arrangement shown in Fig. 37, this can be effected by opposing drive actuators with respect to
  • the rotary drive shown in FIG. 37 has a high operational stability over a wide temperature range.
  • Stator rings is not limited.
  • bending actuators 5.1, 5.2 in particular piezoelectric bending actuators, serve to excite the eccentric converter movement.
  • the converter has two toothings N K i and N K2 , which are located in
  • the converter 3 is rotatably mounted in a drive ring 4 by means of bearing means 9.
  • the bending actuators 5.1, 5.2 are fixed in the motor housing 1 at their foot end. By applying electrical signal voltages to the connecting lines 7.1, 7.2 of the bending actuators 5.1, 5.2 perform this at its opposite end of the signal voltages proportional movements.
  • the bending actuators are oriented in such a way that they execute movements mainly in the xy plane perpendicular to the motor shaft axis ⁇ - ⁇ . In Fig. 38, the direction of movement of the bending actuator ends is symbolically indicated by arrows.
  • the amplitudes of these movements can typically be in the range of about ⁇
  • the bending actuators are rotated in Fig. 38 in the xy plane to each other by an angle of 90 degrees.
  • periodic, preferably sinusoidal, signal voltages to the two bending actuators 5.1 and 5.2 with a preferred phase shift of 90 degrees, these mutually 90 degrees out of phase mechanical deflections, which transmitted via the pressure-stiff but very soft compression struts 6.1 and 6.2 on the drive ring 4 and superpose to a circular displacement movement of the drive ring 4 about the axis of the motor shaft 2.
  • the teeth N K i and N K2 of the converter 3 roll in the toothing N G of the motor housing and N w of the motor shaft 2, whereby the motor shaft 2 in
  • Rotation is offset.
  • the pressure struts 6.1 and 6.2 are suitable for trouble-free superimposition of the individual movements of the at least two bending actuators 5.1, 5.2 and other kinematic structures, such as scenes, joints, etc. which are not detailed here.
  • Rotary actuators of the type shown in FIG. 38 are particularly suitable for planar motors and miniaturized actuators.
  • a miniaturization of the rotary drive can be achieved in particular by (micro) injection molding in plastic or metal or by micromechanical production methods, for example as MEMS, wherein instead of piezoelectric bending actuators, other actuator principles, such as electrostatic Comb drives can be used.
  • Cylindrical electric motors are widely used in the prior art. 39 shows a cylindrical rotary drive of the type according to the invention, with four bending actuators 5 as drive elements for the converter 3.
  • the rotary drive has four drive units PI, P2, P3, P4, analogous to
  • Stator poles of the electromagnetic rotary actuators which are oriented along the motor shaft axis ⁇ - and rotated by 90 degrees to each other.
  • Each drive unit has the elements holder Hl comprising or consisting of the holder segment Hl.l and Haltersegmenet H l.2, Biegeaktor 5 with electrical contact surfaces 9 and electrical connection lines 7 and an end cap Gl comprising the end cap segment G1.2 and the transmission segment Gl.2.
  • the main working directions, as such, the movements of the bending ends are referred to at the converter 3 end facing, lie within the xy plane.
  • the holders Hl, H2, H3, H4 have a two-part construction, as shown in Fig.40.
  • the Biegaktor 5 is taken in a fork-shaped holder segment H l.2, in which he glued example, pressed, soldered or welded.
  • the holder segment Hl.l has a flat thin material or consists thereof, which is rotated with respect to the holder segment Hl.2 90 degrees and connected to this or is made of one piece.
  • the holder segment Hl.l is firmly connected to the motor housing 1. This results in recognizable in Fig.40 cross-shaped structure of the holder H.
  • To produce the converter side large bending forces is as rigid as possible fußddling solved
  • the holders H are designed so that they rigidly connect the bending actuator in the main movement direction with the motor housing, but behave in the direction perpendicular thereto as flexible as possible. This can be achieved by the structure shown in Fig.39 and Fig.40 of the holder in the form of a thin bending plate, which opposes the movement of the two adjacent bending actuators only a small resistance, the bending actuator in its main direction of effect but on the base side stiff connected to the motor housing.
  • the foot-point-side holder Hl can also be designed in the form of pins fastened on opposite sides of the bending actuators.
  • the bending actuators are connected to end caps Gl, G2, G3, G4, which receive the bending actuators with their fork-shaped sections Gl.l, G2.1, G3.1, G4.1.
  • end caps Gl, G2, G3, G4 which receive the bending actuators with their fork-shaped sections Gl.l, G2.1, G3.1, G4.1.
  • the bending actuators are mechanically connected to the drive ring 4.
  • the transmission segments are designed so that they ensure a parallel displacement of the drive ring 4 upon actuation of the drive units PI, P2, P3, P4.
  • the transmission segments may for example have a pin-shaped form.
  • the drive ring 4 is in the
  • the converter 3 rotatably supported by means of storage 11.
  • the converter 3 has the two gears N K i and N K2 which can roll in gears N G of the motor housing and N w of the disk-shaped portion 10 of the motor shaft 2, whereby the motor shaft 2 is set in rotation.
  • the motor shaft 2 is rotatably mounted in the motor housing 1.
  • the motor shaft as shown in Fig.39, can be mounted multiple times.
  • each opposite bending actuators are electrically controlled so that the converter-side ends move synchronously in the same direction.
  • the two pairs of bending reactors thus formed are controlled with respect to one another with a phase offset, in the configuration shown in FIGS. 39 and 40, preferably 90 degrees. As a result, the individual movements of the overlap
  • Biegaktoren to a circular displacement movement of the converter 3, whose teeth N K i and N K2 thereby roll in the teeth N G of the motor housing 1 and N w of the motor shaft 2 and set the motor shaft in rotation.
  • the cylindrical rotary drive with four bending actuators shown in Fig.39 and Fig.40 is only an example. There are no restrictions with regard to the number of drive units or bending actuators and cascading.
  • the drive principle of the invention allows electrically controllable rotary actuators with high ratios in a small space, high torque, high positioning accuracy and high dynamics in a relatively simple structure.
  • Suitable drive actuators for the converter are all forms of known electrical and non-electric actuators.
  • rotary actuators of the type according to the invention means may be provided which support the mechanical guidance of the converter and / or effect a forced operation of the converter, so that the teeth are in each operating state in a secure engagement.
  • this particular magnetic means are.
  • the stator means PI, PX do not already provide themselves a sufficient engagement force of the teeth, further active and passive means, in particular magnetic means, may be present in order to increase the engagement force.
  • the magnet means 13, 14 can be arranged on the circumference (inside and / or outside) of the converter 3 in such a way that they match the engagement forces generated by the stator means PI, PX Support or reinforce gearing.
  • the magnetic means have, for example, a ring or a disk 12 or consist of these, on whose circumference alternately magnetic poles 13 (south poles) and 14 (north poles) are arranged.
  • the converter 3 is at least in these areas of ferromagnetic material or has such.
  • the main direction of action of the magnetic means acting on the converter 3 is radial with respect to the motor shaft axis ⁇ - ⁇ .
  • the converter 3 performs about the axis of the motor shaft ⁇ - ⁇ from a wobbling motion, in which the angular position of the minmalen distance of the converter 3 to the stator means with running rotary drive about the axis of the motor shaft ⁇ - rotates and / or can take any angular position, for example with stationary motor shaft of the rotary drive.
  • permanent magnets are therefore suitable as magnetic means for supporting the engagement force of the teeth, since such magnet means in the range of a small distance, xmin in Fig.41 to a ferromagnetic object, for example, the converter 3 or ferromagnetic regions of the converter 3 greater forces than in 41 produce a range of a higher distance, xmax, and thus increase in the desired manner the engagement force of the teeth.
  • the magnetic means may for example comprise or consist of a disk or a ring with a plurality of radially arranged permanent magnets or radially magnetized material or electromagnets.
  • the rotary actuators of the type according to the invention can have teeth in which the difference in the number of teeth of the first toothing of the converter N K i to the number of teeth of the toothing of the motor housing N G is one and / or the difference in the number of teeth the second toothing of the converter N K2 to the number of teeth of the toothing of the motor shaft N w is one.
  • the rotary actuators of the type according to the invention for the teeth N K i, N K2 , N G and N w cycloidal tooth shapes and / or involute tooth molds are provided.
  • FIG. 42 shows a more detailed illustration of the basic variants of the rotary drive depicted in FIG.
  • the variants shown in FIG. 42 each have a first body 1, a second body 2 and a third body 3.
  • Body 1 and body 2 are arranged coaxially with respect to a common axis of rotation ll 'and rotatably supported.
  • the rotary bearings are not shown in Fig.42.
  • Body 1 has the teeth N G / body 2, the teeth N w .
  • the teeth N G and N W are coaxial with respect to the axis of rotation ⁇ -.
  • Body 3 has two teeth N K i, NK2, wherein the centers of the pitch circles of the gears NKI, N K 2 lie on a rolling axis JJ '.
  • the toothing N K i can be rolled in the toothing N G and the toothing N 2 can be rolled in the toothing N W.
  • the rolling axis JJ ' has an eccentricity e with respect to the axis of rotation ⁇ - ⁇ .
  • this carrier structure is referred to as the housing 1 and the body 2 as the shaft 2.
  • the gear pairing formed by toothing of the first body and first toothing of the third body (converter) forms a first
  • the gear pairing formed by toothing of the second body and second toothing of the third body forms a second converter stage (gear stage).
  • the basic variants shown in FIG. 42 have in particular the following features and properties:
  • the gearing N K i is an internal gearing
  • the gearing N K2 is an external gearing:
  • the rotational speeds of both converter stages add up.
  • the direction of rotation of the shaft 2 is in the same direction as the direction of rotation of the displacement of the converter 3.
  • Fig. 42.2 The toothing N K i is an external toothing, the toothing N 2 is an internal toothing: The rotational speeds of both converter stages add up. The direction of rotation of the shaft 2 is opposite to the direction of rotation of the displacement of the converter. 3
  • Fig.42.3 The gears N K _ and N 2 are both internal gears: The direction of rotation of the first converter stage is in the same direction, that of the second
  • 43 shows a further embodiment of a rotary drive with a power split on two shafts 2, 4.
  • the first body and the second body are rotatably mounted in a support structure 1 (housing).
  • the rotatably mounted first body represents the shaft 4 in FIG. 43.
  • the rotatably mounted second body represents the shaft 2 in FIG. 43.
  • Both shafts are arranged in the housing 1 with respect to an axis of rotation I-.
  • the shaft 4 has the teeth N G.
  • the shaft 2 has the teeth N.
  • the converter 3 has two with respect to a rolling axis JJ 'coaxially arranged gears N K i and N K 2-
  • the rolling axis JJ' has with respect to the axis of rotation ⁇ - an eccentricity e on.
  • the toothing N K i of the converter 3 can be rolled in the toothing N G of the shaft 4 and the toothing N 2 of the converter 3 can be rolled in the toothing N w of the shaft 2.
  • the entire converter 3 is eccentrically rotatable in the gears.
  • the eccentricity of the rolling axis of the converter JJ 'with respect to the axis of rotation ⁇ - of the waves is e. Equation (1) is still applicable, where ⁇ in this case the speed and direction of rotation
  • Wave 2 relative to wave 4 indicates.
  • both shafts are 2.4 output shafts on which external load torques can act
  • the rotary drive shown in Fig. 43 has characteristics of an electrically driven differential, i.
  • the electromechanical power of the rotary drive is distributed to both output shafts. If, for example, the shaft 2 is fixed with respect to the housing 1, the entire drive power is transmitted to the shaft 4. Conversely, when determining the shaft 4, the entire power is transmitted to shaft 2. If load torques act on both shafts, the drive power of the rotary drive is divided between the two shafts.
  • the principle of power split on two shafts is applicable to all covered by this application types and variants of the rotary drive according to the invention, for which purpose the first body and the second body are rotatably mounted and designed as shafts. The different variants are therefore not treated separately.
  • one of the shafts may also be an (externally driven) input shaft and the respective other shaft may be an output shaft (output shaft).
  • the input shaft can be driven directly or indirectly, by means of mechanical transmission means such as a chain, a toothed belt or any other drive, for example an electric motor, an internal combustion engine, by wind power, by hydraulic forces or by water forces and the output shaft to drive a load,
  • mechanical transmission means such as a chain, a toothed belt or any other drive
  • an electric motor for example an electric motor, an internal combustion engine
  • wind power by hydraulic forces or by water forces
  • the output shaft to drive a load
  • the camshaft of a motor vehicle, a compressor or a generator for example, the camshaft of a motor vehicle, a compressor or a generator. If the input shaft rotates with the mechanical rotation frequency co E can be controlled by phase-synchronous activation of the
  • the mechanical power of the input shaft of the rotary drive is in this case transmitted by the positive connection of the input shaft via the converter 3 with the output shaft to the output shaft.
  • the rotary drive may have sensor means, eg Hall sensors, encoders and electrical evaluation and control means (control electronics and motion control software) not shown in FIG. 43, or the position and / or or load information is extracted from the electrical quantities of the actuators.
  • sensor means eg Hall sensors, encoders and electrical evaluation and control means (control electronics and motion control software) not shown in FIG. 43, or the position and / or or load information is extracted from the electrical quantities of the actuators.
  • the output shaft with respect to the input shaft can be achieved.
  • the rotary drive shown in Figure 43 can thus perform the function of a Phasensteliers.
  • phase splitters are used, for example, for the camshaft adjustment in motor vehicle internal combustion engines in order to control intake and exhaust valves as a function of the map.
  • the main drive power of the output shaft of the rotary drive is thereby provided by the input shaft, while the rotary drive provides the power required to maintain the positive connection and to adjust the output shaft with respect to the input shaft.
  • the converter 3 can be rotatably mounted with respect to rotations about the axis JJ 'and eccentrically movable with respect to the axis ll', eg with the aid of an eccentric.
  • the power requirement for the eccentric is low because it is towed.
  • the eccentric can be used to compensate for the imbalance caused by the eccentric movement of the converter.
  • Input shaft and output shaft are interchangeable in function, i. each of the shafts 2,4 in Fig. 43 may serve as an input or output shaft.
  • Fig. 44 shows perspective views of a rotary drive, its functional elements and their arrangement.
  • Fig.44a shows the assembled rotary drive, inter alia, with housing 1, shaft 2 and bearing means 8 for the shaft 2.
  • Fig.44b shows the stator 5 with the coil windings 7 of the electromagnets and a ring 3.3 of the converter 3 of ferromagnetic material.
  • FIG. 44c shows the stator 5 with inserted converter 3 in a front view and in FIG. 44d in a rear view.
  • the converter 3 may be composed of a ferromagnetic ring 3.3, a hollow shaft 3.4 and two gears 3.1 and 3.2.
  • the built-up structure facilitates the manufacture of the converter and materials adapted to the requirements can be used.
  • the elements 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 are mechanically connected to each other.
  • the converter 3 thus formed has the gear 3.2 with the external toothing N K2 , which can roll in the shaft toothing N w , see Fig.44c.
  • Gear 3.1 of the converter 3 has the external toothing N K i, which can roll in the housing toothing N G , see Fig.44d.
  • the arrangement of the individual components of the rotary drive is apparent in particular from the sectional view Fig.44e. Partially visible are the stator 5, the pole shoes 6, the coil windings 7 of the electromagnets, the hollow axle 3.4, the
  • the converter 3 may be guided by an eccentric 9 mounted on the shaft 2.
  • an eccentric 9 mounted on the shaft 2.
  • the eccentric 9 For balancing the eccentric 9 with respect to its axis of rotation on an asymmetric mass distribution, formed by the mass 16 and the recess 15 so that with respect to the axis of rotation of the center of gravity of the eccentric opposite the center of gravity of the converter.
  • With its inner surface 9.1 of the eccentric 9 is rotatably mounted on the shaft 2 and with its outer surface 9.2 in the hollow shaft 3.4 of the converter 3.
  • a rotary drive of an example according to the invention can in particular comprise:
  • the drive principle according to the invention enables electrically controllable rotary drives with high ratios in a small space, high torques, high positioning accuracy and high dynamics with a comparatively simple structure.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehantrieb mit einem ersten Körper, der eine entlang eines ersten kreisförmigen Umfangs um eine erste Rotationsachse umlaufende Zahnung des ersten Körpers aufweist, einem zweiten Körper, der eine entlang eines zweiten kreisförmigen Umfangs um die erste Rotationsachse umlaufende Zahnung des zweiten Körpers aufweist, sowie mit einem Konverter, der eine entlang eines kreisförmigen Umfangs mit einem ersten Abstand um eine zweite Rotationsachse umlaufende erste Zahnung des Konverters und eine zu dieser koaxial mit einem entlang eines kreisförmigen Umfangs mit einem zweiten Abstand umlaufende zweite Zahnung des Konverters aufweist, wobei die zweite Rotationsachse zu der ersten Rotationsachse parallel ist und von dieser beabstandet ist, sowie mit zumindest zwei Aktoren mit zueinander nicht parallelen Wirkrichtungen, mittels derer der Konverter jeweils in eine Richtung verschiebbar ist, wobei die erste Zahnung des Konverters in einem ersten Eingriffsbereich mit der Zahnung des ersten Körpers im Eingriff ist, wobei die zweite Zahnung des Konverters in einem zweiten Eingriffsbereich mit der Zahnung des zweiten Körpers im Eingriff ist, und wobei der Konverter mittels der zumindest zwei Aktoren so in jeweils einer Richtung verschiebbar ist, dass die zweite Rotationsachse entlang einer Kreisbahn um die erste Rotationsachse umläuft.

Description

Drehantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, im Folgenden als Drehantrieb bezeichnet, insbesondere einen einfach steuerbaren, durch elektromagnetische Felder angetriebenen und überlastfesten elektrischen Drehantrieb mit hoher Drehmomentdichte.
Elektromotoren nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der EP1324465B1, der EP0670621B1 und der EP0901710B1 beschrieben, weisen Rotoren auf, die durch elektromagnetische Felder in Rotation versetzt werden können. Die Drehmomente derartiger Elektromotoren sind gering. Hohe Motorleistungen werden durch hohe Rotordrehzahlen erzielt. Deshalb werden Elektromotoren oftmals mit mehrstufigen Getrieben kombiniert, mit der Folge, dass sich der elektromechanische Wirkungsgrad verschlechtert und Bauraum, Gewicht, Getriebespiel und Geräuschemissionen zunehmen. Die hohen Drehzahlen von Elektromotoren und die hohen Massenträgheiten der Rotoren wirken sich zudem ungünstig auf das Dynamikverhalten aus. Mit Aus- nähme von Schrittmotoren benötigen Elektromotoren zusätzliche Sensoren zur Erfassung von Drehzahl, Lage oder Last. Schrittmotoren besitzen jedoch ein begrenztes Auflösungsvermögen und störende Rastmomente. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor mit einer im Vergleich zum Stand der Technik hohen Drehmomentdichte, hohen Dynamik, hohen Stellgenauigkeit und hohen Betriebsstabilität bereitzustellen. Insbesondere soll vorteilhaft die Motorwelle durch Anlegen elektrischer Steuersignale in definierte Positionen gebracht werden können und/oder durch die elektrischen Steuersignale in definierter Weise in vorgebenen Drehrichtungen mit vorgebenen Drehgeschwindigkeiten rotiert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Drehantrieb nach Anspruch 1, das Verfahren zum Betrieb eines Drehantriebs nach Anspruch 19, das Verfahren zur De- tektion von Lastmomenten in einem Drehantrieb nach Anspruch 23 und das
Verfahren zur Positions- und Lageerfassung eines Drehantriebs nach Anspruch 24. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Drehantriebs und der erfindungsgemäßen Verfahren an.
Erfindungsgemäß wird ein Drehantrieb angegeben, der einen ersten Körper und einen zweiten Körper aufweist, wobei der erste Körper eine entlang eines ersten kreisförmigen Umfangs um eine erste Rotationsachse umlaufende Zahnung des ersten Körpers aufweist und der zweite Körper eine entlang ei- nes zweiten kreisförmigen Umfangs um die erste Rotationsachse umlaufende
Zahnung des zweiten Körpers aufweist. Die Zahnungen des ersten Körpers und des zweiten Körpers können also als koaxial angesehen werden. Dabei können die Zahnungen der beiden Körper in einer gemeinsamen oder in unterschiedlichen, vorzugsweise zueinander parallelen Ebenen verlaufen. Die Zahnungen des ersten und zweiten Körpers können durch eine Vielzahl von äquidistant zur ersten Rotationsachse angeordneten Zähnen gebildet sein, wobei gegebene gleiche Punkte jedes Zahns zur ersten Rotationsachse jeweils einen innerhalb eines gegebenen Körpers konstanten Abstand haben. Der Abstand der Zähne des ersten Körpers von der ersten Rotationsachse ist vor- teilhafterweise unterschiedlich zum Abstand der Zähne des zweiten Körpers von der ersten Rotationsachse. Insbesondere kann ein Durchmesser einer Verzahnung jeweils ein Teilkreisdurchmesser sein.
Der erste Körper und der zweite Körper können vorteilhaft Motorwellen oder Trägerstrukturen (Gehäuse) sein. Insbesondere kann vorteilhafterweise als Trägerstruktur ein Gehäuse oder ein Motorgehäuse verstanden werden, in dem der erste Körper und der zweite Körper drehbar gelagert sind oder in dem einer der Körper drehbar gelagert ist und der andere mit der Trägerstruktur verbunden ist oder Teil derselben ist, wobei die Aktoren mit der Trägerstruktur verbunden sein können.
Der erfindungsgemäße Drehantrieb weist außerdem einen Konverter auf, der eine entlang eines kreisförmigen Umfangs mit einem ersten Abstand um eine zweite Rotationsachse umlaufende erste Zahnung des Konverters und eine zu dieser koaxial entlang eines kreisförmigen Umfangs mit einem zweiten Abstand umlaufende zweite Zahnung des Konverters aufweist. Der Konverter kann synonym auch als Wälzkörper oder einfach als dritter Körper bezeichnet werden. Der Konverter kann vorteilhafterweise ein, abgesehen von der Zahnung, zylindrischer oder kreisscheibenförmiger Körper sein.
Erfindungsgemäß ist die zweite Rotationsachse zur ersten Rotationsachse parallel angeordnet und von dieser beabstandet. Vorteilhafterweise liegen die Achsen nebeneinander.
Der erfindungsgemäße Drehantrieb weist zumindest zwei Aktoren auf, die zueinander nicht parallele Wirkrichtungen haben, deren Wirkrichtungen also in einem Winkel zueinander stehen, der ungleich 0° und ungleich 180° ist. Weist jedoch der erfindungsgemäße Drehantrieb mehr als zwei Aktoren auf, so ist es möglich, dass einige dieser Aktoren zueinander in einem Winkel von 0° oder 180° stehen.
Mittels der zumindest zwei Aktoren ist der Konverter jeweils in eine Richtung verschiebbar. Mittels eines gegebenen der Aktoren kann also der Konverter vorteilhaft gerade in genau eine Richtung verschiebbar sein, wenn die Wirkung anderer Aktoren außer acht gelassen wird. In dem Sinne können die Aktoren auch als lineare Aktoren angesehen werden.
Erfindungsgemäß ist die erste Zahnung des Konverters in einem ersten Eingriffsbereich mit der Zahnung des ersten Körpers im Eingriff, die erste Zahnung des Konverters ist also im ersten Eingriffsbereich mit der Zahnung des ersten Körpers verzahnt. Darüber hinaus ist auch die zweite Zahnung des Konverters in einem zweiten Eingriffsbereich mit der Zahnung des zweiten Körpers im Eingriff, also mit dieser Zahnung im zweiten Eingriffsbereich verzahnt. Vorteilhafterweise erstreckt sich der erste Eingriffsbereich und der zweite Eingriffsbereich nur über einen Teil des Umfangs der ersten Zahnung des Konverters und der Zahnung des ersten Körpers bzw. der zweiten Zahnung des Konverters und der Zahnung des zweiten Körpers, also nicht um deren gesamten Umfang.
Mittels der zumindest zwei Aktoren ist erfindungsgemäß der Konverter so in jeweils einer Richtung verschiebbar, dass die zweite Rotationsachse entlang einer Kreisbahn um die erste Rotationsachse umläuft.
Sofern in diesem Dokument von einer Rotationsachse die Rede ist, so ist hierunter zunächst nur eine Rotationsachse im mathematischen Sinne zu verstehen. Der entsprechende Konverter oder Körper kann jedoch um die entsprechende Rotationsachse drehbar gelagert sein und/oder eine auf der Rotationsachse liegende technische Achse aufweisen.
Bevorzugterweise ist der erste Abstand, in dem die erste Zahnung des Konverters um die zweite Rotationsachse umläuft ungleich dem zweiten Abstand, in dem die zweite Zahnung des Konverters um die zweite Rotationsachse umläuft.
Vorteilhafterweise befindet sich im erfindungsgemäßen Drehantrieb stets eine Innenzahnung oder innere Zahnung mit einer Außenzahnung oder einer äußeren Zahnung im Eingriff. So kann die Zahnung des ersten Körpers eine Innenzahnung sein und die erste Zahnung des Konverters eine Außenzahnung oder die Zahnung des ersten Körpers eine Außenzahnung und die erste Zahnung des Konverters eine Innenzahnung. Es ist auch möglich, dass die erste Zahnung des zweiten Körpers eine Innenzahnung ist und die zweite Zahnung des Konverters eine Außenzahnung ist oder die Zahnung des zweiten Körpers eine Außenzahnung ist und die zweite Zahnung des Konverters eine Innenzahnung ist.
Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Drehantrieb eine Trägerstruktur auf, die besonders bevorzugt ein Gehäuse sein kann. Es können vorteil- hafterweise die zumindest zwei Aktoren fest mit der Trägerstruktur bzw. dem
Gehäuse verbunden sein. Alternativ oder auch zusätzlich kann auch entweder der erste oder der zweite Körper fest mit der Trägerstruktur verbunden sein und/oder Teil der Trägerstruktur sein. Weist der erfindungsgemäße Drehantrieb eine Trägerstruktur bzw. ein Gehäuse als Trägerstruktur auf, können auch nur die zumindest zwei Aktoren wie auch eventuelle weitere Aktoren fest mit der Trägerstruktur verbunden sein und der erste Körper wie auch der zweite Körper gegenüber den Aktoren und der Trägerstruktur drehbar sein. In dieser Ausgestaltung kann der erfindungsgemäße Drehantrieb besonders vorteilhaft als Phasensteiler verwendet werden, bei welchem der erste Körper und der zweite Körper mit gleicher Geschwindigkeit um die erste Drehachse drehen, wobei jedoch der erste Körper zur Veränderung der Phase gegenüber dem zweiten Körper vor- oder zurückbewegbar um die erste Drehachse ist, so dass die Dreh-Phase zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper verändert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehantriebs kann mit dem ersten Körper und/oder mit dem zweiten Körper jeweils eine Welle verbunden sein oder es kann der erste und/oder der zweite Körper Teil jeweils einer Welle sein.
Vorteilhafterweise ist die durch die Aktoren ausgeübte Kraft jeweils auf den Aktor zu gerichtet oder von ihm weg. Es können hierbei die Aktoren daher als lineare Aktoren bezeichnet werden, da sie vorteilhaft eine Kraft nur in einer Hauptrichtung ausüben. Dabei wird als Hauptrichtung eine solche Richtung verstanden, in welcher die durch den entsprechenden Aktor ausgeübten Kräfte im Mittel wirken. Selbst wenn sich durch Überlagerung der Wirkungen der verschiedenen Aktoren Kräfte ergeben, die nicht in dieser Weise auf einen der Aktoren gerichtet sind, sei hier unter einem linearen Aktor ein solcher zu verstehen, der bei Abwesenheit anderer Einflüsse eine Kraft in Richtung des Aktors oder vom Aktor weg ausübt.
Der erfindungsgemäße Drehantrieb kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung zumindest einen Exzenter aufweisen, der um die erste Rotationsachse umlaufen kann und der so angeordnet ist, dass er eine Relativbewegung des Konverters in Bezug auf den ersten und/oder zweiten Körper, in zur ersten Rotationsachse radialer Richtung blockiert, durch welche die Zahnung des ersten und/oder des zweiten Körpers mit der entsprechenden Zahnung des Konverters außer Eingriff gebracht würde. Durch einen solchen Exzenter kann ein besonders sicherer Betrieb auch bei hohen Lastmomenten sichergestellt werden.
Vorteilhafterweise weist der Exzenter einen außen umlaufenden Kontaktbe- reich auf, der mit einem innen umlaufenden Kontaktbereich des Konverters zumindest in einem Bereich in Berührung ist, der radial relativ zu ersten Rotationsachse in gleicher Richtung oder in entgegengesetzter Richtung wie der erste und/oder zweite Eingriffsbereich angeordnet ist. Alternativ kann der Exzenter einen innen umlaufenden Kontaktbereich aufweisen, der mit einem außen umlaufenden Kontaktbereich des Konverters zumindest in einem Bereich in Berührung ist, der radial relativ zur ersten Rotationsachse in gleicher Richtung oder in entgegengesetzter Richtung wie der erste und/oder der zweite Eingriffsbereich angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Exzenter eine Scheibe, ein Ring oder ein Zylinder sein, der vorzugsweise kreisförmig ist. Dabei kann der Exzenter um die erste Rotationsachse drehbar gelagert sein. Seine Symmetrieachse kann gegenüber der ersten Rotationsachse radial relativ zur ersten Rotationsachse in Richtung des ersten Eingriffsbereichs oder vom ersten Eingriffsbereich weg und/oder in Richtung des zweiten Eingriffsbereichs oder vom zweiten Eingriffsbereich weg versetzt sein. Der Exzenter kann also mit seiner Symmetrieachse um die erste Achse parallel versetzt drehbar gelagert sein und der Achsversatz kann relativ zur ersten Achse in Richtung des ersten Eingriffsbereichs oder vom ersten Eingriffsbereich weg und/oder in Richtung des zweiten Eingriffsbereichs oder vom zweiten Eingriffsbereich weg gerichtet sein.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Drehantrieb zumindest eine Ausgleichsmasse aufweisen, die so angeordnet ist, dass ihr Schwerpunkt einem Schwerpunkt des Konverters in jeder Lage des Konverters relativ zur ersten Rotationsachse radial gegenüberliegt oder radial in gleicher Richtung liegt wie der Schwerpunkt des Konverters. Liegt der Schwerpunkt in gleicher Richtung wie der Schwerpunkt des Konverters, wird eine Unwucht verstärkt, liegt er in entgegengesetzter Richtung, wird eine Unwucht ausgeglichen.
Insbesondere kann auch ein Schwerpunkt des Exzenters einem Schwerpunkt des Konverters in jeder Lage des Konverters relativ zu ersten Rotationsachse radial gegenüberliegen oder in gleicher Richtung liegen wie der Schwerpunkt des Konverters.
Vorteilhafterweise üben die Aktoren jeweils eine Kraft unmittelbar auf den Konverter aus. Sie erzeugen also vorteilhaft eine Kraft, die auf den Konverter oder eine Achse des Konverters selbst wirkt. Vorteilhaft ist insbesondere auch eine Ausgestaltung, wobei die Aktoren jeweils eine Kraft auf eine auf der zweiten Rotationsachse liegende Achse oder ein auf der zweiten Rotationsachse liegendes Drehlager des Konverters aus- üben, auf welchem der Konverter drehbar gelagert ist. Vorzugsweise können die Aktoren mit der Achse oder dem Drehlager fest verbunden sein. Dabei können sie insbesondere mit jenem Ende des entsprechenden Aktors an der Achse oder dem Drehlager verbunden sein, mit welchem sie nicht beispielsweise an einer Trägerstruktur oder einem Gehäuse verbunden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Aktoren durch elektromagnetische Kräfte wirken. In diesem Falle weist vorzugsweise der Konverter und/oder ein Drehlager des Konverters ein ferromagnetisches Material auf oder besteht aus einem solchen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können zumindest zwei ineinander greifende Zahnungen Zykloidenzahnungen und/oder
Evolventenzahnungen sein. Es können also die Zahnung des ersten Körpers mit der ersten Zahnung des Konverters und/oder die Zahnung des zweiten Körpers mit der zweiten Zahnung des Konverters eine Zykloidenverzahnung und/oder eine Evolventenverzahnung bilden.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines Drehantriebs wie oben schrieben. Dabei werden die Aktoren umlaufend so angesteuert und/oder bestromt, dass sie eine um die erste Rotationsachse umlaufende
Kraft auf den Konverter und/oder ein Drehlager des Konverters ausüben bzw. bewirken. Dabei kann vorteilhaft durch die Aktoren auf den Konverter und/oder das Drehlager jeweils eine anziehende und/oder eine abstoßende Kraft ausgeübt werden.
Verschiedene Aktivierungsmuster der Aktoren sind möglich. So kann beispielsweise zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils genau ein Aktor aktiv sein. Es ist aber auch möglich, dass mehrere Aktoren voll aktiv sind oder dass mehrere Aktoren phasenversetzt aktiv sind.
Die Aktoren können vorteilhaft durch Bestromen aktiviert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, die Aktoren mit einem sinusförmigen Stromverlauf zu bestromen, wobei benachbarte Aktoren mit Strom benachbarter Phasen bestromt werden und wobei eine Phasendifferenz zwi- sehen zwei benachbarten Phasen gleich dem Winkel zwischen zwei benachbarten Aktoren ist, den diese in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse mit der Rotationsachse einschließen. Vorteihafterweise ist eine Anzahl von Aktoren größer oder gleich drei dabei in äquidistanten Winkelabständen um die Rotationsachse angeordnet.
Erfindungsgemäß kann mit dem erfindungsgemäßen Drehantrieb außerdem ein Verfahren zur Detektion von Lastmomenten ausgeführt werden, wobei ein Moment zwischen dem ersten Körper und einer Trägerstruktur und/oder einem zweiten Körper und der Trägerstruktur und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Körper bestimmt wird, indem Amplituden und/oder Phasenbeziehungen zwischen den elektrischen Größen Strom, Spannung und/oder Ladung der Aktoren mittels elektronischer Auswertemittel und/oder durch Auswertung von elektrischen Induktivitäten, elektrischen Kapazitäten und/oder elektrischen Widerständen der Aktoren detektiert wird.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zur Positions- und/oder Lageerfassung eines Drehantriebs wie oben beschrieben, wobei die Position und/oder die Lage des Konverters in Bezug auf eine Trägerstruktur und/oder des ersten Körpers und/oder des zweiten Körpers in Bezug auf die Trägerstruktur und/oder der Körper in Bezug zueinander durch Auswertung der Amplituden und/oder Phasenbeziehungen zwischen den elektrischen Größe Strom, Spannung und/oder Ladung der Aktoren mittels elektronischer Auswertemittel und/oder durch Auswertung von elektrischen Induktivitäten, elektrischen Kapazitäten und/oder elektrischen Widerständen der Aktoren detektiert wird.
Vorteilhafterweise können zur Erfassung von Drehzahl und/oder Position und/oder Kräften zwischen dem ersten Körper und einer Trägerstruktur und/oder einem zweiten Körper und der Trägerstruktur und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Körper Sensoren vorhanden sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Drehantrieb die folgenden Merkmale aufweisen.:
- eine drehbar gelagerte Motorwelle mit einer Verzahnung,
- ein als Konverter bezeichnetes ringförmiges, zylindrisches oder scheibenförmiges Element, mit einer ersten und einer zweiten Verzahnung, wobei der Konverter mit seiner zweiten Verzahnung in der Verzahnung der Motorwelle abwälzbar ist,
- ein Motorgehäuse mit einer Verzahnung, wobei die erste Verzahnung des Konverters in der Verzahnung des Motorgehäuses abwälzbar ist,
- elektrisch steuerbare Aktoren durch die auf den Konverter bezüglich der Motorwellenachse umlaufende Kräfte ausgeübt werden können,
- so dass der Konverter durch die elektrisch steuerbaren Aktuatoren zu einer kreisförmigen Verschiebebewegung in der Ebene senkrecht zur Motorwellenachse derart anregbar ist, dass sich der Konverter mit seiner ersten Verzahnung formschlüssig in der Verzahnung des Motorgehäuses abwälzt und sich der Konverter gleichzeitig mit seiner zweiten Verzahnung formschlüssig in der Verzahnung der Motorwelle abwälzt und die Motorwelle in Rotation versetzt wird.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Drehantrieb, der sich durch eine hohe Drehmomentdichte, eine hohe Positioniergenauigkeit und eine kostengünstige Herstellung auszeichnet. Dieses kann vorteilhaft insbesondere durch die im Folgenden beschriebenen Maßnahmen erreicht werden.
Der Konverter kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit seiner ersten und zweiten Verzahnung im Zusammenwirken mit den Verzahnungen des Motorgehäuses und der Motorwelle ein zweistufiges Getriebe bilden.
Die erste Getriebestufe kann von der Verzahnungspaarung von erster Verzahnung des Konverters und der Verzahnung des Motorgehäuses gebildet werden.
Die zweite Getriebestufe kann durch die Verzahnungspaarung von zweiter Verzahnung des Konverters und der Verzahnung der Motorwelle gebildet werden.
Jede Getriebstufe kann ein eigenes Übersetzungsverhältnis besitzen, welches durch die Zähnezahldifferenz der sich ineinander formschlüssig abwälzenden Zahnpaarungen gegeben ist.
Vorzugsweise weisen Motorwelle, Konverter und Motorgehäuse kreisförmige Verzahnungen auf.
Die Verzahnungen von Motorwelle und Motorgehäuse sind zueinander vorzugsweise konzentrisch, auf einer Achse, angeordnet. Als konzentrisch zuei- nander angeordnete Verzahnungen wird vorteilhafterweise verstanden, dass die Verzahnungen bezüglich einer Achse koaxial angeordnet sind und die Teilkreismittelpunkte der Verzahnungen auf dieser Achse liegen.
Der Konverter kann vorteilhaft durch elektrisch steuerbare Aktoren zu Bewegungen bevorzugt in der senkrecht zur Motorwellenachse liegenden Ebene angeregt werden. Als elektrisch steuerbare Aktoren werden bevorzugt Aktoren verstanden, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln und die anziehende oder abstoßende und/oder anziehende und abstoßende Kräfte auf Körper ausüben können.
Insbesondere sind die Aktoren vorzugsweise linear wirkende Aktoren und nicht rotative Aktoren wie z.B. Exzenter oder Elektromotoren.
Insbesondere können vorteilhaft auf den Konverter durch elektromagnetische Aktoren, vorzugsweise in der Ebene senkrecht zur Motorwellenachse wirkende und um die Motorwellenachse umlaufende magnetische Kräfte ausgeübt werden. Als elektromagnetische Aktoren eignen sich alle Bauformen heute bekannter Elektromagnete. Als Aktoren können auch elektrostatische Aktoren verwendet werden. Ebenso können Festkörperaktoren als Aktoren zur Verschiebung des Konverters Anwendung finden. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Aktoren bezüglich der Motorwellenachse radial angeordnete und elektrisch ansteuerbare Elektromagnete sein.
Die Elektromagnete können beispielsweise jeweils einen Kern ferromagneti- schen Materials aufweisen, der von einer Spule aus Windungen eines elektrisch leitenden isolierten Drahtes umwickelt ist. Die Kerne der Elektromagnete können vorteilhaft als Polschuhe ausgebildet sein. Die Anordnung sämtlicher Elektromagnete mit den Kernen und Polschuhen kann als Stator, die einzelnen Elektromagnete als elektrisch steuerbare Statormittel bezeichnet werden. Der Stator mit den elektrisch steuerbaren Statormitteln kann in einer Ausführungsform der Erfindung fest mit einem Motorgehäuse verbunden sein.
Insbesondere können vorteilhaft als elektrisch steuerbare Statormittel auch Festkörperaktoren oder elektrostatische Aktoren eingesetzt werden, z.B. piezoelektrische Aktoren, elektrostriktive Aktoren, magnetostriktive Aktoren, Magnetic Shape Memory MSM-Aktoren, Bimetallaktoren, dielektrische Aktoren, elektrostatische Comb-Aktoren. In diesem Fall kann die Anordnung dieser, der kreisförmigen Verschiebung des Konverters dienenden Aktoren, als Stator und die Aktoren als elektrisch schaltbare Statormittel bezeichnet werden.
Der erfindungsgemäße Drehantrieb kann vorteilhafterweise in mehreren Bauarten dargestellt werden, von denen einige im folgenden Beschrieben werden :
• Drehantrieb mit innenliegendem Stator, der von dem Konverter umschlossen wird
• Drehantrieb mit außenliegendem Stator, in dessen Innerem der Konverter angeordnet ist
• Drehantrieb mit einem Konverter, der von einem innenliegendem und einem aussenliegenden Stator umschlossen wird
• Drehantrieb mit mehreren Statoren, entsprechend der Kombination obiger drei Anordnungen
Insbesondere kann der Konverter vorteilhafterweise ringförmig, zylindrisch, kreisförmig oder scheibenförmig sein.
Sind die Statormittel elektrostatische Aktoren mit zwei beabstandeten Elektrodenanordnungen oder daraus bestehend, zwischen denen durch Anlegen eine veränderbaren elektrischen Potenzialdifferenz steuerbare Kräfte erzeugt werden können, so kann jeweils eine der Elektrodenanordnung mit dem Konverter und/oder dem Drehlager des Konverters und die andere mit dem Motorgehäuse verbunden sein. Der Konverter und/oder das Drehlager des Konverters kann in diesem Fall ein beliebiges Material aufweisen oder daraus bestehen, z.B. Silizium, Kunststoff, Metall.
Sind die Statormittel sonstige nicht elektromagnetische Aktoren, z.B.
Piezoaktoren, so sind diese vorteilhafterweise mit ihrem einen Ende in der Wirkrichtung des jeweiligen Aktors möglichst steif und in der Richtung senkrecht zur Wirkrichtung des jeweiligen Aktors möglichst weich mit dem Konverter und/oder dem Drehlager des Konverters verbunden und mit ihrem anderen Ende mit dem Motorgehäuse verbunden, so dass sich die Wirkungen mehrerer an dem Konverter und/oder dem Drehlager des Konverters angebrachter Aktoren möglichst störungsfrei überlagern kann. Hierbei kann der Konverter und/oder das Drehlager des Konvreters ebenfalls ein beliebiges Material aufweisen oder daraus bestehen, z.B. Silizium, Kunststoff, Metall. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktion des erfindungsgemäßen Drehantriebs wird aus Gründen der Klarheit der Darstellung zunächst auf elektromagnetische Statormittel, d.h. Elektromagnete, Bezug genommen. Hierbei weist der Konverter zumindest in Teilbereichen ein ferromagnetisches Mate- rial auf oder besteht daraus in diesen Teilbereichen, auf welches die
Statormittel (Elektromagnete) elektromagnetische Kräfte ausüben können.
Bei innenliegendem Stator können die Polschuhe des Stators von dem weichmagnetischem Konverter in geringem Abstand umschlossen werden. Unter weichmagnetischen Materialien werden hier ferromagnetische Materialien verstanden. Der Abstand ist vorzugsweise möglichst klein gewählt, so dass die magnetischen Kräfte auf den Konverter maximal werden, jedoch ein mechanischer Kontakt zwischen den Polen des Stators und dem Konverter ausgeschlossen ist. Es ist nicht erforderlich, dass der gesamte Konverter aus weich- magnetischem Material besteht. Für die Funktion des Drehantriebes ist es ausreichend, wenn der Konverter in den den Polschuhen gegenüberliegenden Bereichen zumindest teilweise weichmagnetisches Material aufweist oder in diesen Teilbereichen daraus besteht. In einer weiteren Ausführungsform kann der Konverter auf seiner den Polschuhen zugewandten Fläche Permanent- magnete aufweisen.
Der Aufbau des Drehantriebs mit außenliegendem Stator kann analog aufgebaut sein, nur dass der Konverter innenliegend ist und von den Polschuhen des Stators in geringem Abstand umschlossen ist.
Zur weiteren Leistungssteigerung kann der Konverter vorteilhaft von einem innenliegenden und einem außenliegenden Stator umschlossen sein, zwischen denen ein ringförmiger Spalt besteht, in dem der ring- oder glockenförmige Konverter angeordnet ist.
Ebenso ist es möglich, dass der Drehantrieb mehrere Statoren aufweist, die Kräfte auf den Konverter übertragen können, wobei die Statoren sowohl innenliegend und/oder auch außenliegend sein können. Insbesondere sind vorzugsweise die Polschuhe des Stators konzentrisch bezüglich der Verzahnungen von Motorwelle und Motorgehäuse angeordnet. Die Mittelpunkte von Motorwellenverzahnung, Motorgehäuseverzahnung und Stator befinden sich vorzugsweise auf einer Achse. Sowohl die Verzahnungen, als auch der Stator liegen vorteilhafterweise jeweils in Ebenen, die senkrecht zu dieser Achse orientiert sind. Die Längserstreckung dieser Elemente entlang der Achse ist nicht limitiert.
Im Unterschied zu allen bekannten Bauformen von Elektromotoren können vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Antrieb durch umlaufende phasenversetzte Bestromung der Elektromagnete, bzw. Magnetpole der Statoren, überwiegend radial wirkende magnetische Kräfte auf den Konverter ausgeübt werden.
Die umlaufenden und insbesondere radial auf den Konverter wirkenden Magnetkräfte können vorteilhaft zu einem formschlüssigen Eingriff und Abwälzen der Verzahnungen des Konverters in der Verzahnung des Motorwellengehäuses und zugleich der Verzahnung der Motorwelle und damit zu einer Rotation der Motorwelle führen.
Hierzu sind die Paarungen Motorwellenverzahnung/zweite Verzahnung des Konverters und Motorgehäuseverzahnung/erste Verzahnung des Konverters bevorzugt so ausgeführt, dass diese dieselbe Exzentrizität besitzen. Geringe Unterschiede in der Exzentrizität beinträchtigen die Funktion des Drehantriebes jedoch nicht. Insbesondere kann als Exzentrizität einer Verzahnungspaarung der Achsversatz des Teilkreismittelpunktes der einen Verzahnung zum Teilkreismittelpunkt der anderen Verzahnung verstanden werden.
In axialer Richtung, d.h. in Richtung der Motorwellenachse, kann die Verschiebung des Konverters vorteilhaft durch Anschläge, Pass/Federscheiben oder andere Elemente oder Vorrichtungen begrenzt sein.
In radialer Richtung ist vorzugseise die maximale Verschiebung des Konverters durch die Durchmesserdifferenzen von Motorwellenverzahnung zur zweiten Verzahnung des Konverters und von der Motorgehäuseverzahung zur ersten Verzahnung des Konverters begrenzt. Insbesondere weisen diese beiden Verzahnungspaarungen vorteilhafterweise eine möglichst gleiche Exzentrizität auf.
Mittels weiter nicht dargestellter mechanischer Mittel kann vorteilhaft zusätzlich eine Parallelführung des Konverters in der Ebene senkrecht zur Motorwellenachse unterstützt werden, ohne dessen Verschiebung und Rotation zu behindern. Hierzu kann der Konverter mit seinen Begrenzungsflächen beispielsweise geeignet in das Motorgehäuse und die weiteren Motorkomponenten einpasst, oder mit zusätzlichen Führungsflächen, z.B. Seitenscheiben oder Lagerungsmitteln wie Kugellagern, Nadellagern, Gleitlagern versehen sein.
Zum Betrieb des Drehantriebes können vorteilhafterweise die Verzahnungen des Konverters in Eingriff mit der Motorwellenverzahnung und der
Motorgehäuseverzahnung gebracht werden. Hierzu können die Magnetpole des Stators so bestromt werden, dass ei ne radiale Summenkraft von den Magnetpolen auf den Konverter ausgeübt wird. Hierdurch kann eine Anfangsstellung der Motorwelle definiert werden und die Motorwelle zunächst in ihrer Drehwinkelstellung gehalten werden.
Ausgehend von diesem Phasenwinkel kann das elektrische
Bestromungsmuster der Magnetpole bezüglich der Motorwellenachse I - Γ nun umlaufend rotiert werden. Für den Drehantrieb eignen sich unterschiedlichste Bestromungsmuster. Beispielsweise kann jeweils nur ein Magnetpol bestromt sein und die Bestromung von Magnetpol zu Magnetpol weitergeschaltet werden. Hierdurch ergibt sich eine mehr schrittartige Rotation der Motorwelle. Eine gleichförmigere Rotation der Motorwelle lässt sich beispielsweise durch eine umlaufende phasenversetzte Bestromung jeweils mehrerer Magnetpole erreichen, wobei die Signalform der elektrischen Ströme der Magnetpole bevorzugt sinusförmig ist. Die umlaufende Signalform der Bestromung der einzelnen Magnetpole, um eine umlaufende Radialkraft auf den Konverter auszuüben, kann jedoch unterschiedlichster Art sein. Z.B. können die Magnetpole auch mit dreieckförmigen, rampenförmigen, trapezförmigen, sägezahnartigen oder anderen Signalformen mit unterschiedlichen Phasenversätzen zwischen den einzelnen Magnetpolen umlaufend bestromt werden. Insbesondere eignet sich auch das Reluktanzprinzip für den erfindungsgemäßen Drehantrieb.
Der erfindungsgemäße Drehantrieb kann eine Vielzahl von Magnetpolen aufweisen. Es kann dann beispielhaft die folgende Funktionalität realisiert sein. Die Magnetpole seien zur Darstellung umlaufend von PI bis PX nummeriert. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit und nur zum Zwecke der Veranschaulichung werde angenommen, dass der Drehantrieb eine Anzahl von PX Magnetpolen aufweist und zunächst nur der Magnetpol PI voll bestromt ist, während alle anderen Magnetpole unbestromt sind. Im Weiteren werde angenommen, dass der Konverter weichmagnetisches Material aufweist oder daraus besteht. Die Bestromung von Magnetpol PI bewirkt eine vom Magnetpol PI auf den Konverter radial gerichtete Anzugskraft, wodurch die Verzahnungen des Konverters in vollständigen Eingriff mit den Verzahnungen von Mo- torwelle und Motorgehäuse geraten. Durch Bestromung des benachbarten Magnetpols P2 und Entstromung von Magnetpol PI wirkt auf den Konverter nun eine auf den Magnetpol P2 gerichtete Anzugskraft, wodurch sich der Konverter mit seiner ersten Verzahnung in der Motorgehäusverzahnung so- weit abwälzt, bis der Abstand der Konverteroberfläche zum Magnetpol P2 minimal ist und sich ein neues Kräftegleichgewicht eingestellt hat. Durch wiederholtes sequentielles Fortschalten der Bestromung von Magnetpol PI bis zu Magnetpol PX kann sich der Konverter mit seiner ersten Verzahnung folglich in der Motorgehäuseverzahnung abwälzen und wird dadurch in Rotation ver- setzt. Als Folge der unterschiedlichen Durchmesser von der ersten Verzahnung des Konverters und der Motorgehäuseverzahnung und der dadurch bedingten Exzentrizität, ist der Eigenrotation des Konverters dabei eine kreisförmige Verschiebebewegung (= Taumelbewegung) des Konverters überlagert. Aufgrund der Taumelbewegung des Konverters wälzt sich daher gleich- zeitig die Verzahnung der drehbar gelagerten Motorwelle in der zweiten Verzahnung des Konverters ab, wodurch die Motorwelle in Bezug auf den Konverter in Rotation versetzt wird. Zusätzlich überträgt sich die Eigenrotation des Konverters mit dem Verhältnis Zähnezahl der Motorwellenaußenverzah- nung zu Zähnezahl der zweiten Innenverzahnung des Konverters auf die Mo- torwelle. Die resultierende Rotation der Motorwelle gegenüber dem Motorgehäuse ergibt sich aus der Addition dieser Anteile. Während also die erste Getriebstufe des Konverters die radial umlaufenden Magnetkräfte in eine Taumelbewegung des Konverters mit überlagerter Drehbewegung des Konverters umwandelt, wandelt die zweite Getriebstufe des Konverters die Tau- melbewegung wieder in eine reine Rotation der Motorwelle zurück, der die
Drehbewegung der zweiten Getriebstufe zusätzlich überlagert ist.
Der erfindungsgemäße Drehantrieb kann somit vorteilhafterweise radial umlaufende Wirkkräfte, insbesondere elektromagnetische Zug- und Druckkräfte, in Rotation umwandeln. Durch die Möglichkeiten unterschiedlicher Verzahnungsauslegungen und deren Kombination ist eine sehr große Spreizung der Getriebeübersetzung, von extrem hochübersetzt bis niedrig übersetzt, möglich. Der erfindungsgemäße Drehantrieb benötigt nur wenige Komponenten und baut äusserst kompakt. Insbesondere benötigt er nicht zwangsweise eine mechanische Lagerung für den Konverter, z.B. in Form eines Exzenterpleuels, eine solche kann optional jedoch vorgesehen sein. Der Konverter und die Abwälzkinematik der Verzahnungen wandeln Verschiebebewegungen somit besonders effizient in Rotation und Drehmoment um. In Verbindung mit zyk- loidischen Verzahnungen ist eine hohe Überlastfähigkeit gegeben, der Dreh- antrieb kann jedoch auch Evolventenverzahnungen oder andere Verzahnungsformen aufweisen. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße Drehantrieb zum gesteuerten Betrieb, da zwischen der mechanischen Winkelstellung der Motorwelle und der elektrischen Phase eine eindeutige Zuordnung be- steht.
Folgende weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehantriebes sind ebenfalls möglich. Der Konverter kann sich auf den Polschuhen berührend abwälzen. Der Kraft- schluss kann hierbei sowohl reib- als auch formschlüssig sein. Hierzu können die Polschuhe sowie die Bereiche zwischen den Polschuhen eine geschlossene oder teilweise Verzahnung (Verzahnung des ersten Körpers) besitzen, in der sich die erste Verzahnung des Konverters abwälzt.
Der sich in seinen Verzahnungen exzentrisch abwälzende Konverter kann so angeordnet sein, dass er sich den Polschuhen im Motorbetrieb nur bis auf einen minimalen Abstand nähert, ohne diese zu berühren. Dieser Abstand kann durch die Verzahnungen und/oder durch einen Exzenter sichergestellt werden.
Ebenso kann der Drehantrieb mehrere Statoren und/oder Konverter aufweisen, die ineinander verschachtelt und/oder längs einer Achse angeordnet sind, wobei die Statoren sowohl innenliegend und/oder außenliegend sein können. Auch kann der Konverter mehr als eine erste Verzahnung und/oder mehr als eine zweite Verzahnung aufweisen, die sich in korrespondierenden Verzahnungen von Welle und Gehäuse abwälzen.
Für die Funktion des Drehantriebes ist es ausreichend, wenn der Konverter in den den Polschuhen angrenzenden Bereichen zumindest teilweise ferromag- netisches Material aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann der Konverter Permanentmagnete aufweisen, so dass auf diesen von den Aktoren ziehende und/oder drückende Kräfte ausübbar sind. Insbesondere können die Polschuhe des Stators koaxial bezüglich der Verzahnungen von Welle(n) und Gehäuse(n) angeordnet sein. Die Mittelpunkte der Teilkreise von Wellenverzahnung(en) und Gehäuseverzahnung(en) können sich vorteilhaft auf einer Achse des Stators befinden, die bezogen auf die Wellein) eine Drehachse darstellt. Insbesondere liegen die Verzahnungen und der Stator mit den Magnetpolen in Ebenen, die senkrecht zur Drehachse orientiert sind. Die Längserstreckung dieser Elemente entlang der Drehachse ist nicht limitiert.
Im Unterschied zu bekannten Elektromotoren besitzt der erfindungsgemäße Drehantrieb anstelle eines Rotors einen Wälzkörper oder Konverter. Vorteilhaft werden weder durch die Magnetfelder der bestromten Elektromagnete des Stators noch durch Festkörperaktoren unmittelbar Drehmomente auf den Konverter bezüglich Rotationen um die Symmetrieachse seiner koaxialen Verzahnungen, d.h. seiner Wälzachse, ausgeübt. Vielmehr wird vorteilhafterweise der Konverter durch die annähernd linear wirkenden Aktoren in einer senkrecht zur Drehachse liegenden Ebene verschoben.
Erfindungsgemäß weist der Konverter Zahnungen, oder synonym Verzahnungen, auf, deren Eingriffsbereiche sich bei umlaufender Bestromung der Akoren verlagern, so dass sich der Konverter in zugeordneten Verzahnungen von Wellen und/oder Gehäusen abwälzt und dabei exzentrische Bewegungen ausführt. Der Abstand des Konverters zu den Polschuhen ist bei der exzentrischen Bewegung des Konverters somit veränderlich. Bei Elektromotoren üblicher Bauart ist der Rotor konzentrisch beabstandet zu den Polschuhen gelagert und führt eine reine Rotations- und keine exzentrische Bewegung aus. Demzufolge ist der Abstand des Rotors zu den Polschuhen bei herkömmlichen Elektromotoren konstant.
Die Drehmomententstehung bei dem erfindungsgemäßen Drehantrieb basiert auf der exzentrischen Verschiebung des Konverters bei Einwirkung äußerer Lastmomente bezüglich dem lastfreien Zustand, wenn einzelne oder mehrere Magnetpole oder Aktoren bestromt werden, wodurch rückstellende Kraftkomponenten auf den Konverter entstehen, die als Drehmomente zwischen dem ersten Körper (Gehäuse oder Welle) und dem zweiten Körper (Gehäuse oder Welle) wirksam werden.
Die Verzahnungen von der mindestens einen Welle, dem Gehäuse und dem Konverter sind vorteilhafterweise so ausgeführt, dass diese ineinander kämmend abwälzbar sind.
Eine mechanische Lagerung des Konverters, z.B. in Form eines Exzenters, kann vorhanden sein, ist aber nicht funktionsnotwendig. Der Konverter kann zumindest teilweise ringförmig, zylindrisch, kreisförmig oder scheibenförmig sein und in seiner Längserstreckung unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Vorteilhafterweise kann der Konverter mehrere funktionsoptimierte Bereiche aufweisen und/oder besteht aus solchen.
Für den Drehantrieb eignen sich vorteilhaft auch mit ferromagnetischen Partikeln gefüllte Stoffe, insbesondere Kunststoffe, die sich beispielsweise durch Spritzgießen leicht und kostengünstig verarbeiten lassen. Der Konverter kann, zumindest teilweise, Permanentmagneten aufweisen und/oder sonstige ferromagnetische oder nicht ferromagnetische Materialien aufweisen oder aus solchen bestehen.
Als Antriebsaktoren für den Konverter eignen sich alle Arten elektrischer und nichtelektrischer Aktoren insbesondere Linearaktoren.
Insbesondere kann der Drehantrieb auch mit einer Kombination verschiedener Aktoren dargestellt werden. Beispielsweise kann ein Drehantrieb elektromagnetische Aktoren und piezoelektrische Aktoren aufweisen. Vorteilhaft eignen sich für den Drehantrieb auch selbstführende Verzahnungen, die unter Last nicht oder nur erschwert außer Eingriff geraten.
Vorteilhaft können die Verzahnungen Evolventenverzahnungen oder
Zykloidenverzahnungen sein. Vorteilhaft können die erfindungsgemäßen Drehantriebe auch nichtferro- magnetische Materialien aufweisen. Hieraus ergibt sich eine besondere Eignung für deren Betrieb in Magnetfeldern. Drehantriebe mit anderen als elektromagnetischen Aktoren weisen zudem nur geringe elektromagnetische Streufelder auf (EMV).
Alle Bauformen elektromagnetischer Drehantriebsvarianten sind auch mittels Festkörperaktoren oder anderer Aktoren darstellbar.
Sind Aktoren, insbesondere Festkörperaktoren, mit dem Antriebsring verbunden, wobei der Konverter in dem Antriebsring drehbar gelagert ist, so können zusätzliche elektromagnetische Aktoren vorhanden sein, die auf den Antriebsring und/oder den Konverter ebenfalls Kräfte ausüben.
Auch können die Aktoren mit einem Antriebsring mechanisch gekoppelt sein oder auf diesen Kräfte ausüben, in dem sich der Konverter bei zyklisch kreisförmiger Bewegung des Antriebsringes exzentrisch rotierend reib- oder formschlüssig abwälzt.
Vorzugsweise sind Festkörperaktoren in ihrer Hauptwirkrichtung steif zwi- sehen dem Antriebsring und dem Gehäuse befestigt, senkrecht dazu jedoch hinreichend nachgiebig, so dass sich die Auslenkungen und Kräfte mehrerer auf den Antriebsring wirkender Aktoren störungsarm überlagern können. Zur mechanischen Entkoppelung verschiedener Wirkrichtungen sind aus dem Stand der Technik Kinematiken bekannt, die zwischen den Aktoren und dem Gehäuse und/oder den Aktoren und dem Drehlager des Konverters und/oder den Aktoren und dem Antriebsring angebracht sein können. Beispiele für solche Kinematiken sind Streben, die bezüglich einer Achse drucksteif, senkrecht dazu jedoch schwerweich sind sowie Parallelstrukturen, Kulissen und
Stabkinematiken.
Ist der Konverter 3 im Antriebsring 4 drehbar gelagert, so werden ausschließlich Verschiebebewegungen des Antriebsringes 4 auf den Konverter 3 übertragen, nicht jedoch Drehbewegungen des Antriebsringes 4 um die Drehachse Ι- . Die Anzahl der Aktoren eines Statorringes und die Anzahl der Statorringe ist nicht begrenzt.
Bei Verwendung anderer als elektromagnetischer Aktoren kann der Konverter und/oder der Antriebsring auch nicht ferromagnetisches Material aufweisen oder aus einem solchen bestehen, z.B. Silizium, Kunststoff, Metall, Legierun- gen, Verbundmaterialien.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der erfindungsgemäße Drehantrieb anhand einiger Figuren näher beschrieben und die Funktion im Einzelnen erklärt. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei gleichen oder entsprechen- den Merkmalen. Die in den Beispielen gezeigten Merkmale können auch unabhängig von dem konkreten Beispiel realisiert sein.
Figur 1 zeigt als Schnittzeichnung in Aufsicht einen Drehantrieb mit innenliegendem Stator, einer Motorwelle mit einer Außen- Verzahnung, einem Motorgehäuse mit einer Außenverzahnung, die gegenüber der Außenverzahnung der Motorwelle einen größeren Durchmesser aufweist und einen ringförmigen Konverter mit zwei zu den Außenverzahnungen von Mo- torwelle und Motorgehäuse korresponierenden Innenverzahnungen
Figur 2 zeigt einen Schnitt des in Fig.l dargestellten Drehantriebs entlang der Linie K - K' in Figur 1 in Aufsicht mit innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 3 zeigt vier verschiedene Grundbauformen des erfindungsgemäßen Drehantriebs, die durch unterschiedliche Anordnung der drei Basiselemente Motorwelle, Motorgehäuse und Konverter, dargestellt werden können
Figur 3.1 zeigt einen Drehantrieb mit einer Innenverzahnung der Mo- torwelle und einer Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie einem ringförmigen Konverter mit zwei Verzahnungen
Figur 3.2 zeigt einen Drehantrieb mit einer Außenverzahnung der Motorwelle und einer Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie einem ringförmigen Konverter mit zwei Verzahnungen Figur 3.3 zeigt einen Drehantrieb mit einer Außenverzahnung der Motorwelle und einer Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie einem ringförmigen Konverter mit zwei Verzahnungen
Figur 3.4 zeigt einen Drehantrieb mit einer Innenverzahnung der Motorwelle und einer Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie einem ringförmigen Konverter mit zwei Verzahnungen
Figur 4 zeigt einen Drehantrieb, bei dem die Motorwelle zusätzlich stirnseitig gelagert ist, eine Motorwelle mit Außenverzahnung und eine im Durchmesser größere Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie innenliegendem Stator und ring- förmigem Konverter
Figur 5 zeigt einen Drehantrieb, bei dem die Motorwelle aus dem
Motorgehäuse beidseitig herausgeführt ist, eine Motorwelle mit Außenverzahnung und eine im Durchmesser größere Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie innenliegen- dem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 6 zeigt einen Drehantrieb, mit Außenverzahnungen von Motorwelle und Motorgehäuse gleichen Durchmessers sowie innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 7 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Außenverzahnung der Motorwelle und einer im Durchmesser kleineren Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 8 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Außenverzahnung der
Motorwelle und einer im Durchmesser größeren Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 9 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Innenverzahnung der Motorwelle und einer im Durchmesser kleineren Außenverzah- nung des Motorgehäuses sowie innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 10 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Innenverzahnung der Motorwelle und einer im Durchmesser kleineren Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 11 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Innenverzahnung der Motorwelle und einer im Durchmesser größeren Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 12 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Außenverzahnung der
Motorwelle und einer im Durchmesser wesentlich größeren Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie innenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 13 zeigt einen Drehantrieb, mit Außenverzahnungen von Mo- torwelle und Motorgehäuse gleichen Durchmessers sowie außenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 14 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Außenverzahnung der
Motorwelle und einer im Durchmesser größeren Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie außenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 15 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Außenverzahnung der
Motorwelle und einer im Durchmesser kleineren Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie außenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 16 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Außenverzahnung der
Motorwelle und einer im Durchmesser wesentlich kleineren Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie außenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 17 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Innenverzahnung der Mo- torwelle und einer im Durchmesser wesentlich größeren Außenverzahnung des Motorgehäuses sowie außenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 18 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Innenverzahnung der Mo- torwelle und einer im Durchmesser wesentlich größeren Innenverzahnung des Motorgehäuses sowie außenliegendem Stator und ringförmigem Konverter
Figur 19 zeigt einen Drehantrieb, mit einer Innenverzahnung der Motorwelle und einer im Durchmesser wesentlich kleineren In- nenverzahnung des Motorgehäuses sowie ringförmigem
Konverter mit außenliegenden und innenliegenden Statoren
Figur 20 zeigt einen Drehantrieb mit zwei von dem ringförmigen Konverter gekoppelt angetriebenen Motorwellen, wobei die erste Motorwelle eine Innenverzahnung und die zweite Mo- torwelle eine im Durchmesser kleinere Außenverzahnung aufweist sowie außenliegendem Stator
Figur 21 zeigt einen Drehantrieb mit einem scheibenförmigem Massenausgleichselement und einer Außenverzahnung der Motorwelle und einer im Durchmesser größeren Außenverzah- nung des Motorgehäuses sowie ringförmigem Konverter mit innenliegendem Stator
Figur 22 zeigt einen Drehantrieb der erfindungsgemäßen Art, bei dem das Massenausgleichselement mittels separater Hilfsstatorwicklungen angetrieben wird
Figur 23 zeigt verschiedene Auslegungsmöglichkeiten des scheibenförmigen Massenausgleichselementes zur Kompensation von Motorunwuchten
Figur 23.1 zeigt einen Drehantrieb in Aufsicht mit einer ersten Ausführungsform eines scheibenförmigen Massenausgleichsele- mentes
Figur 23.2 zeigt einen Drehantrieb in Aufsicht mit einer zweiten Ausführungsform eines scheibenförmigen Massenausgleichselementes
Figur 23.3 zeigt einen Drehantrieb in Aufsicht mit einer dritten Ausfüh- rungsform eines scheibenförmigen Massenausgleichselementes
Figur 24 zeigt verschiedene Varianten eines nicht rotationssymmetrischen Massenausgleichselementes zur Kompensation von Motorunwuchten Figur 24.1 zeigt in Aufsicht eine massive Ausführungsform eines nicht rotationssymmetrischen Massenausgleichselementes
Figur 24.2 zeigt in Aufsicht eine Ausführungsform mit Ausnehmungen eines nicht rotationssymmetrischen Massenausgleichsele- mentes
Figur 24.3 zeigt in Aufsicht eine Ausführungsform eines nicht rotationssymmetrischen Massenausgleichselementes mit Zusatzgewicht oder ferromagnetischem Material
Figur 25 zeigt einen Drehantrieb bei dem der Konverter mittels eines
Exzenters gelagert ist
Figur 26 zeigt zwei Ausführungsvarianten von Exzentern zur Kompensation von Motorunwuchten
Figur 26.1 zeigt für einen Drehantrieb nach Fig.25, einen Exzenter mit
Ausnehmungen
Figur 26.2 zeigt für einen Drehantrieb nach Fig.25, einen Exzenter mit
Zusatzgewichten
Figur 27 zeigt eine flache Bauform des Drehantriebs mit innenliegendem Stator und U-förmigem Konverter
Figur 28 zeigt eine flache Bauform des Drehantriebs mit außenlie- gendem Stator und U-förmigem Konverter
Figur 29 zeigt eine flache Bauform des Drehantriebs mit beidseitig herausgeführter Motorwelle und innenliegendem Stator
Figur 30 zeigt eine flache Bauform des Drehantriebs mit innenliegendem Stator bei dem das Abtriebselement ein außenliegender Ring ist
Figur 31 zeigt einen Drehantrieb nach Fig.30, bei dem der Konverter mehrere Scheiben- und/oder ringförmige Elemente aufweist
Figur 32 zeigt eine zylindrische Bauform des Drehantriebs mit mehreren innenliegenden Statoren, einem hohlzylindrischen Kon- verter und beidseitig herausgeführter Motorwelle
Figur 33 zeigt eine zylindrische Bauform des Drehantriebs mit zwei symmetrisch zur Motorwellenverzahnung angeordneten innenliegenden Statoren, einem hohlzylindrischen Konverter und beidseitig herausgeführter Motorwelle Figur 34 zeigt einen Drehantrieb nach Fig.33 mit einer höheren Anzahl symmetrisch zur Motorwellenverzahnung angeordneter innenliegender Statoren
Figur 35 zeigt einen Drehantrieb mit Festkörperaktoren als Antriebselemente des Konverters Figur 36 zeigt entlang des Schnittes K-K' in Fig.35 eine Aufsicht des
Drehantriebs mit Festkörperaktoren
Figur 37 zeigt einen Drehantrieb mit vier Festkörperaktoren, deren jeweilige Hauptwirkrichtung nicht auf die Achse der Motor- welle gerichtet ist
Figur 38 zeigt einen Drehantrieb mit zwei zueinander in einem 90
Grad Winkel angeordneten Biegeaktoren
Figur 39 zeigt einen zylindrischen Drehantrieb mit vier in Richtung der Motorwellenachse orientierter Biegeaktoren
Figur 40 zeigt eine Schnittdarstellung des Drehantriebs im Bereich der Biegeaktorhalter des in Fig.39 gezeigten Ausführungsbeispiels
Figur 41 zeigt Magnetmittel zur Verbesserung der Kraftübertragung
Figur 42 Basisvarianten des Drehantriebs jeweils in planarer und per- spektivischer Schnittansicht
Figur 43 Drehantrieb mit zwei Wellen und Leistungsverzweigung
Figur 44 Drehantrieb mit gebautem Konverter und weiteren Motorkomponenten in perspektivischen Ansichten
Als erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehantriebs zeigt Figur 1 eine Schnittdarstellung in Aufsicht. Fig.2. zeigt den Drehantrieb aus Fig.l in Aufsicht entlang einer Schnittebene K-K1 in Fig.l. Der Drehantrieb weist als ersten Körper ein Motorgehäuse 1 auf, in welchem eine Motorwelle 2 als zweiter Körper mit Hilfe von Lagern 8 bezüglich einer z-Rotationsachse I- f drehbar gelagert ist. Gegen axiale Verschiebungen längs der Rotationsachse Ι-Γ, ist die Motorwelle 2 entweder durch die Lager 8 oder durch nicht dargestellte Elemente, wie Passscheiben, Sprengringe, Tellerfedern o.ä. gesichert. Des Weiteren weist der Drehantrieb Magnetpole PI, PX auf. Die Magnetpole P und die Elemente eines jeden Magnetpoles 5, 6, 7 sind mit dem Laufparameter X indexiert, wobei X eine ganze Zahl im Bereich 1 < X < i, mit i > 2 und i = ganze Zahl darstellt. Die Zahl i gibt somit die maximale Anzahl der Magnetpole eines Drehantriebs der erfindungsgemäßen Art an. Beispielsweise weist der in Fig.2 gezeigte Drehantrieb mit i = 8 insgesamt acht Magnetpole PI, P2, P3, P4, P5, P6, P7 und P8 auf. Jeder der Magnetpole weist einen Bereich fer- romagnetischen Materials 5.1, 5.X auf, welches von einer Wicklung 7.1, 7.X elektrisch leitenden isolierten Drahtes umschlossen ist, durch die durch Anlegen einer elektrischen Spannung ein Stromfluß und ein im Wesentlichen radial zur Rotationsachse l-l' nach Außen wirkendes Magnetfeld erzeugt werden kann. Die Magnetpole PI, PX bilden im Zusammenwirken mit dem ferromag- netischen Material des Konverters 3 elektromagnetische Aktoren. Alternativ können auch die Magnetpole selbst als Aktoren angesehen werden, die auf den Konverter wirken. Dies gilt für die Beispiele in allen Figuren sofern nicht anders gesagt. Vorzugsweise sind die Magnetpole, wie in Fig.2 dargestellt, in äquidistanten Winkelabständen in einer zur Motorwellenachse l-f senkrechten Ebene angeordnet. Desweiteren weist jeder der Magnetpole PI, PX an seinem Außenumfang einen der magnetischen Flußführung dienenden Polschuh 6.1, 6.X auf. Die weichmagnetischen Materialien der Magnetpole sind in einem inneren Zentralbereich 4 miteinander verbunden. Der in etwa sternförmige Körper des ferromagnetischen Materials der Magnetpole PI, PX mit den Wicklungspaketen 7.1, 7.X wird hier als Stator bezeichnet. Der Stator ist mit dem Motorgehäuse 1 im Zentralbereich 4 fest verbunden. An ihrem mo- torseitigen Ende besitzt die Motorwelle 2 eine Außenverzahnung Nw. Deswei- teren besitzt das Motorgehäuse 1 an seinem der Stirnseite der Motorwelle 2 gegenüberliegenden Bereich eine bezüglich der Motorwellenachse Ι-Γ konzentrische zapfenförmige Erhebung mit einer Außenverzahnung NG. Die Außenverzahnungen der Motorwelle Nw und des Motorgehäuses NG sind von einem ringförmigen als Konverter 3 bezeichnetem Element, mit zumindest im Bereich der Polschuhe 6.1, 6.X weichmagnetischem Material umschlossen.
Der Konverter 3 weist an seinen beiden Enden mit den Außenverzahnungen von Motorwelle Nw und Motorgehäuse NG korrespondierende Innenverzahnungen NK2 und NKI auf, die sich in den Außenverzahnungen von Motorwelle 2 und Motorgehäuse 1 abwälzen können. Um dieses zu gewährleisten, um- schließen die Verzahnungsbereiche des Konverters 3 diejenigen von Motorwelle 2 und Motorgehäuse 1 mit einem Übermaß. Die Innenverzahnung NK2 des Konverters 3 weist mindestens einen Zahn mehr auf, als die Außenverzahnung Nw der Motorwelle 2. Ebenso weist die Innenverzahnung Ki des Konverters 3 mindestens einen Zahn mehr auf, als die Außenverzahnung NG des Motorgehäuses 1. Die Verzahnungen sind so ausgeführt, dass sich für beide Verzahnungspaarungen NK2/NW und NKi/NG, eine in Bezug auf die Motorwellenachse l-f möglichst identische Exzentrizität e, in Fig.l dargestellt durch die Achse J-J1, ergibt. Der maximale Verschiebeweg des Konverters 3 entspricht damit der doppelten Exzentrizität e. Die in Fig.l mit J-J' bezeichnete Mittelachse der Innenflächen des Konverters 3 kann gegenüber der Motorwellenachse l-f um maximal den Betrag ± e verschoben werden. Der Durchmesser der Verzahnungen von Motorwelle 2 und Motorgehäuse 1 kann beliebig, insbesondere unterschiedlich, gewählt werden. Um die Motorwelle 2 in Rotation zu versetzen, werden die Magnetpole PI, PX umlaufend bestromt. Durch die magnetischen Feldkräfte wird der Konverter 3 jeweils in Richtung der bestromten Magnetpole gezogen, wodurch die Verzahnungen des Konverters 3 vollständig in Eingriff mit der Motorgehäusverzahnung N6 und der Motorwellenverzahnung Nw geraten. In Phase mit der umlaufende elektrischen Bestromung der Frequenz ωβι der Magnetpole PI, PX, ändert sich die Richtung des radial gerichteten magnetischen Kraftvektors auf den Konverter 3, wodurch sich der Konverter 3 mit seiner Innenverzahnung NKi in der Außenverzahnung NG des Motorgehäuses 1 abwälzt. Hierdurch wir der Konverter 3 zum einen in Rotation versetzt, zum anderen führt er eine überlagerte kreisförmi- ge Verschiebebewegung (= Taumelbewegung) bezüglich der Motorwellenachse Ι-Γ aus, die zum gleichzeitigen Abwälzen der Außenverzahnung Nw der Motorwelle 2 in der Innenverzahnung NK2 des Konverters 3 führt. Die resultierende Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der Motorwelle 2 in Bezug auf das Motorgehäuse 1 ergibt sich aus der Superposition dieser Effekte, womit je nach Verzahnungsauslegung und Kombination der Verzahnungsausführungen
(Innen/Innen, Innen/Außen, Außen/Innen, Außen/Außen) sehr hoch, mittel oder niedrig untersetzte Antriebe mit in Bezug auf den Umlaufsinn der elektrischen Ansteuerfrequenz ωβι positivem oder negativem Drehsinn dargestellt werden können.
Aufbau und Funktion des Drehantriebes sind anhand von Fig.2 weiter verdeutlicht. Fig.2 zeigt den in Fig. l dargestellten Drehantrieb in Aufsicht entlang eines Schnittes entlang der Linie K-K' in Fig.l. In dem in Fig.2 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der Drehantrieb acht Magnetpole PI ... P8. Allgemein wird ein Magnetpol mit PX bezeichnet. Die Verzahnungen NKi und NK2 des Konverters 3 befinden sich mit den Verzahnungen Nw der Motorwelle 2 und
NG des Motorgehäuses 1 in Fig.2 in der oberen Position in einem Eingriffsbereich im Eingriff und in der unteren Position außer Eingriff. Verdeutlicht ist dieses in Fig.2 durch die Ausschnittsvergrößerungen Dl und Dl'. Die acht Wicklungen 7.1 ... 7.8 besitzen jeweils elektrische Anschlußleitungen 9.X, die mit einer nicht dargestellten Motorsteuerungselektronik verbunden sind.
Durch umlaufende Bestromung der Wicklungen 7.1 ... 7.8 kann der Konverter 3 durch magnetische Kräfte innerhalb der xy-Ebene verschoben werden, wobei sich die Verzahnungen von N i und NK2 des Konverters 3 in den Verzahnungen Nw der Motorwelle 2 und NG des Motorgehäuses 1 abwälzen, wo- durch die Motorwelle 2 in Rotation versetzt wird.
Der erfindungsgemäße Drehantrieb weist in dem Beispiel gemäß Fig.3 als wesentliche Elemente die Verzahnungen aufweisenden Komponenten Motorwelle 2, Motorgehäuse 1 und Konverter 3 sowie Antriebsaktoren für den Konver- ter 3 auf. Die Achse der Motorwelle 2 und der Mittelpunkt bzw. die Mittelachse der Motorgehäuseverzahnung NG liegen auf einer gemeinsamen Achse \-\', sind also zueinander konzentrisch. Die Motorwelle 2 ist bezüglich der Achse I- durch in Fig.3 nicht dargestellte Lagerungsmittel bezüglich dem Motorge- häuse 1 drehbar gelagert. Der Konverter 3 kann durch, aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig.3 nicht dargestellte, Aktoren, vorzugsweise elektromagnetische Aktoren mit Stator und Magnetpolen, elektrostatische Aktoren, Festkörperaktoren (piezoelektrische, elektrostriktive, magnetostriktive, dielektrische, MSM usw.), thermische Aktoren, pneumatische- und hydraulische Aktoren, aerodynamische Aktoren (Windkraftanlage), Wasserkraftaktoren sowie Verbrennungsaktoren (z.B. Kolben von 2- und 4-Takt Otto- und Dieselmotoren), exzentrisch um die gemeinsame Achse Ι- von Motorwelle 2 und Motorgehäuseverzahnung NG verschoben werden, wobei sich die Mittelachse J-J' des Konverters 3 auf einer Kreisbahn mit der Exzentrizität e um die ge- meinsame Achse l-f von Motorwelle 2 und Motorgehäuseverzahnung NG bewegt. Die Verzahnungen sind so ausgeführt, dass sie sich bei Verschiebung des Konverters 3 um die Achse Ι-Γ ineinander abwälzen können. Nach
DIN 9107 wird als Exzentrizität e in allen Figuren und Beschreibungen der halbe maximale Verschiebeweg e = (Xmax - Xmin)/2 bezeichnet. Der Konverter 3 kann optional mittels eines, in Fig.3 nicht dargestellten, auf der Achse Ι-Γ angeordneten Exzenters drehbar und radial verschieblich geführt sein. Die in Fig.3 schematisch dargestellten Varianten des erfindungsgemäßen Drehantriebs differenzieren sich, abhängig davon, ob die Verzahnungen des Konverters 3 Innen- oder Außenverzahnungen sind, folgendermaßen:
Fig.3.1: Die erste Verzahnung des Konverters NKi ist eine Innenverzahnung, die zweite Verzahnung des Konverters NK2 ist eine Außenverzahnung: Die Drehgeschwindigkeiten beider Getriebestufen addieren sich. Der Drehsinn der Motorwelle ist gleichsinnig zum Umlaufsinn der Konverterschiebung.
Fig.3.2: Die erste Verzahnung des Konverters NKi ist eine Außenverzahnung, die zweite Verzahnung des Konverters NK2 ist eine Innenverzahnung: Die Drehgeschwindigkeiten beider Getriebestufen addieren sich. Der Drehsinn der Motorwelle ist entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Konverterverschiebung.
Fig.3.3: Beide Verzahnungen des Konverters NKi und NK2 sind Innenverzahnungen : Der Drehsinn der ersten Getriebestufe ist gleichsinnig, der der zweiten Getriebestufe gegensinnig zum Umlaufsinn des elektrischen
Bestromungsmusters. Die Drehgeschwindigkeiten beider Getriebestufen sind entgegengerichtet. Der resultierende Drehsinn der Motorwelle hängt vom Verhältnis der Getriebeübersetzung der ersten zur zweiten Getriebestufe ab und kann sowohl gleichsinnig als auch entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Konverterverschiebung sein.
Fig.3.4: Beide Verzahnungen des Konverters NKi und N 2 sind Außenverzahnungen: Der Drehsinn der ersten Getriebestufe ist gegensinnig, der der zweiten Getriebestufe gleichsinnig zum Umlaufsinn des elektrischen
Bestromungsmusters. Die Drehgeschwindigkeiten beider Getriebestufen sind entgegengerichtet. Der resultierende Drehsinn der Motorwelle hängt vom Verhältnis der Getriebeübersetzung der ersten zur zweiten Getriebestufe ab und kann sowohl gleichsinnig als auch entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Konverterverschiebung sein.
Mit
NG - Zähnezahl der Motorgehäuseverzahnung
Nw - Zähnezahl der Motorwellenverzahnung
KI - Zähnezahl der ersten Verzahnung des Konverters
NK2 - Zähnezahl der zweiten Verzahnung des Konverters
coei - elektrische Ansteuerfrequenz (Umlauffrequenz) gilt allgemein folgender Zusammenhang für Drehsinn und Drehfrequenz Ω der Motorwelle 2 in Bezug auf das Motorgehäuse 1:
Ω = [ 1 - ((NK2 · NE)/(NW · KI))] · ö>ei <
Im Unterschied zu Fig.l zeigt Fig.4 eine Ausführungsvariante, bei der die Motorwelle 2 an ihrem stirnseitigen Ende 9 zusätzlich entweder in dem mit dem Motorgehäuse 1 verbundenen Stator 4 oder in dem Motorgehäuse 1 selbst drehbar gelagert ist. Durch die doppelte Lagerung können auf die Motorwelle 2 wirkende Radialkräfte besser aufgenommen und Verkippungen der Motorwelle 2 minimiert werden, was insgesamt das einwandfreie Ablaufen der Verzahnungen unterstützt. Hierzu kann der Stator 4 eine Ausnehmung 11 besitzen, in der ein stirnseitiger Zapfen 10 der Motorwelle 2 mittels eines Lagers 9 drehbar gelagert ist. Als Lager 9 können alle bekannten Lagervarianten wie Kugellager, Nadellager, Gleitlager oder sonstige Verwendung finden.
Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Motorwelle 2 aus dem Mo- torgehäuse 1 beidseitig herausgeführt und auf die bereits in Fig.4 beschriebene Art zusätzlich drehbar gelagert ist.
Fig.6 zeigt einen Sonderfall des Drehantriebs, bei dem die Verzahnungen identische Durchmesser aufweisen. Eine Rotation der Motorwelle erfordert nach Gl.(l) in diesem speziellen Fall, dass die Verzahnungspaarungen N«i mit NG und N<2 mit Nw so ausgeführt sind, dass die Übersetzungen der beiden Verzahnungspaarungen nicht identisch sind. Dies läßt sich beispielsweise durch unterschiedliche Zähnezahldifferenzen und/oder unterschiedliche
Zahngeometrien erreichen.
Fig.7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Verzahnungen N i und NK2 des Konverters 3 beide Innenverzahnungen sind, wobei der Durchmesser der Verzahnung NK2 größer als derjenige der Verzahnung NKi ist. Insbesondere wenn die Verzahnungen einen gleichen Zahnmodul und eine identische Exzentrizität e aufweisen, ergibt sich hierdurch eine Rotation der Motorwelle 2 mit einer Drehrichtung im Umlaufsinn der elektrischen Anregefrequenz coei der Statorpole PI, PX.
Fig.8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Außenverzahnung NKi und einer Innenverzahnung NK2 des Konverters 3, was zu einer Rotation der Motorwelle 2 entgegen dem Umlaufsinn der elektrischen Anregefrequenz coei der
Statorpole PI, PX führt.
Fig.9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Innenverzahnung Ki und einer Außenverzahnung NK2 des Konverters 3, was zu einer Rotation der Motorwelle 2 im Umlaufsinn der elektrischen Anregefrequenz coei der Statorpole PI, PX führt. Fig.10 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die Verzahnungen NKi und NK2 des Konverters 3 beide Außenverzahnungen sind, wobei der Durchmesser der Verzahnung NK2 größer als derjenige der Verzahnung NKi ist. Insbesondere bei gleicher Exzentrizität und gleichem Zahnmodul der Verzahnungen ergibt sich hierdurch eine Rotation der Motorwelle 2 entgegen dem Umlaufsinn der elektrischen Anregefrequenz ωβι der Statorpole PI, PX.
Fig.ll zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem im Vergleich zu Fig.10 der Durchmesser NKi größer ist als der Durchmesser NK2. Hierdurch ergibt sich eine Rotation der Motorwelle 3 im Umlaufsinn der elektrischen Anregefrequenz ωθι der Statorpole PI, PX.
Zur Verdeutlichung der Auslegungsmöglichkeiten zeigt Fig.12 eine Variante, bei der der Durchmesser der Innenverzahnung NK2 erheblich geringer ist, als der Durchmesser der Aussenverzahnung NKi.
Gemäß Gl.(l) kann die Gesamtübersetzung Ω/ωθι durch Wahl der
Zähnezahlen von NKi, NK2, NG, Nw in weiten Grenzen eingestellt werden. Wenn möglich wird man die Verzahnungen so auslegen, dass die Exzentrizität für die beiden Verzahnungspaarungen NKi mit NG und NK2 mit Nw identisch ist. Für die Funktion des Drehantriebs erforderlich ist jedoch nur ein Zahneingriff der Verzahnungen. Die Exzentrizitäten können demzufolge durchaus voneinander abweichen, solange ein formschlüssger Zahneingriff gewährleistet ist.
Fig.13 zeigt eine Variante des Drehantriebes mit außenliegendem Stator, bzw. Statorpolen PI, PX. Die Polschuhe 6.1, 6.X wirken hierbei von Außen auf den ferromagnetischen Konverter 3. Fig.13 zeigt einen dem in Fig.6 gezeigten Ausführungsbeispiel analogen Sonderfall, bei dem die Verzahnungen identische Durchmesser aufweisen. Eine Rotation der Motorwelle 2 erfordert nach Gl.(l) in diesem speziellen Fall, dass die Verzahnungspaarungen NKi mit NG und NK2 mit Nw so ausgeführt sind, dass die Übersetzungen der beiden Verzahnungspaarungen nicht identisch sind. Dies läßt sich beispielsweise durch unterschiedliche Zähnezahldifferenzen und/oder unterschiedliche Zahngeometrien erreichen.
Fig.14 zeigt eine weitere Variante des Drehantriebes mit außenliegendem Stator, bzw. Statorpolen PI, PX, bei dem die Verzahnungen N«i und NK2 des Konverters 3 beide Innenverzahnungen sind, wobei der Teilkreisdurchmesser der Verzahnung NKi größer als derjenige der Verzahnung NK2 ist.
Fig.15 zeigt ein zu Fig.14 komplementäres Ausführungsbeispiel, bei dem die Verzahnungen NKi und NK2 des Konverters 3 beide Innenverzahnungen sind, jedoch der Durchmesser der Verzahnung NKi kleiner als derjenige der Verzahnung NK2 ist.
Fig.16 zeigt eine Variante des Drehantriebes mit außenliegendem Stator, bzw. Statorpolen PI, PX, bei dem die Innenverzahnung NK2 des Konverters 3 einen wesentlich größeren Durchmesser besitzt, als die Außenverzahnung N 1. Fig.17 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Drehantriebes mit außenliegendem Stator, bzw. Statorpolen PI, PX, bei dem die Außenverzahnung NK2 des Konverters 3 einen wesentlich kleineren Durchmesser besitzt, als die Aussenver- zahnung NKi.
Fig.18 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Drehantriebes mit außenliegendem Stator, bzw. Statorpolen PI, PX, bei dem beide Verzahnungen des Konverters 3 Außenverzahnungen sind, wobei die Verzahnung NKX im Vergleich zur Verzahnung NK2 einen größeren Durchmesser aufweist.
Fig.19 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Drehantriebs, für nochmals höhere Drehmomente, bei dem der Konverter 3 von außenliegenden Statorpolen API, APX und innenliegenden Statorpolen BP1, BPX angetrieben wird.
Fig.20 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Drehantriebes, mit einer Leistungsverzweigung auf zwei Motorwellen 2, 4. Sind beide Motorwellen 2,4 Ausgangsmotorwellen, an denen äußere Lastmomente angreifen, so entspricht die Funktion weitgehend der eines elektrisch angetriebenen Differenzials, d.h. die elektromechanische Leistung des Drehantriebs verteilt sich entsprechend der auf die Motorwelle 2 und die Motorwelle 4 wirkenden externen Lastmomente auf die beiden Ausgangsmotorwellen. Wird beispielsweise die Motorwelle 2 in Bezug auf das Motorgehäuse 1 festgelegt, wird die gesamte Antriebsleistung auf die Motorwelle 4 übertragen. Umgekehrt überträgt sich bei Festlegung der Motorwelle 4, die gesamte Leistung auf die Motorwelle 2. Wirken auf beide Motorwellen gleichgroße Lastmomente, so teilt sich die Antriebsleistung des Drehantriebes auf beide Motorwellen auf. Sind die äußeren Lastmomente auf die Motorwelle 2 und die Motorwelle 4 ungleich, erfolgt die Leistungsverzweigung proportional dem Verhältnis der äußeren Lastmomente. Das Prinzip der Leistungsverzweigung auf zwei Motorwellen ist auf alle durch dieses Dokument abgedeckten Bauformen und Varianten des erfindungsgemäßen Drehantriebs anwendbar. Die verschiedenen Varianten werden deshalb nicht im Einzelnen dargestellt.
Bei dem in Fig.20 dargestellte Drehantrieb kann aber auch eine der Motorwellen eine (angetriebene) Eingangsmotorwelle und die jeweils andere Motorwelle eine Ausgangsmotorwelle (Abtrieb) sein. Hierbei kann die Eingangsmotorwelle direkt oder indirekt, mittels mechanischer Übertragungsmittel wie z.B. einer Kette, einem Zahnriemen, einer Welle, durch einen beliebigen anderen Antrieb angetrieben sein, beispielsweise einen Elektromotor, einen Verbrennungsmotor, durch Windkraft, durch hydraulische Kräfte oder durch Wasserkräfte und die Ausgangsmotorwelle eine Last antreiben, z.B. die Nockenwelle eines Kraftfahrzeuges. Dreht sich die Eingangsmotorwelle mit der mechanischen Drehfrequenz ωΕ kann durch phasensynchrone Ansteuerung der Statormittel (z.B. Elektromagnete wie in Fig.20) PI, PX aufweisend oder bestehend aus Spule 7.X, Kern 5.X und Polschuh 6.X mit der elektrischen Umlauffrequenz cöei = coE eine phasenstarre Kopplung der Eingangsmotorwelle mit der Ausgangsmotorwelle erreicht werden, bei der sich die Ausgangsmotorwelle phasenstarr mit derselben Drehfrequenz ωΕ bewegt wie die Eingangsmotorwelle. Die Leistung der Eingangsmotorwelle des Drehantriebs wird hierbei durch die formschlüssige Verbindung der Eingangsmotorwelle über den Konverter 3 mit der Ausgangsmotorwelle nahezu verlustfrei auf die Ausgangsmotorwelle übertragen. Zur Erfassung der Eingangsmotorwellendrehzahl und/oder der Ausgangsmotorwellendrehzahl verfügt der Drehantrieb über in Fig.20 nicht dargestellte Sensormittel, z.B. Hallsensoren, Encoder und elektrische Auswerte- und Ansteuerungsmittel (Ansteuerungselektronik und MC- Software). Durch Erhöhung oder Erniedrigung von oei kann darüberhinaus zwischen Eingangs- und Ausgangsmotorwelle eine positive oder negative Differenzdrehzahl eingestellt werden. Durch Frequenz- und/oder Phasenmodulation von a>ei kann die Differenzdrehzahl zeitlich variabel gestaltet sein. Beispielsweise kann durch periodische Phasenmodulation von ωβι eine bezüglich der absoluten Phase von coE periodische Vor- und/oder Rückstellung der Ausgangsmotorwelle bezüglich der Eingangsmotorwelle erreicht werden. Der in Fig.20 gezeigte Drehantrieb kann damit die Funktion eines Phasensteliers ausüben. Derartige Phasensteller finden beispielsweise zur Nockenwellenverstellung bei Kfz-Verbrennungsmotoren Anwendung, um Ein- und Auslasszeiten der Ein- und Auslassventile kennfeldabhängig zu steuern. Insbesondere wird die Hauptantriebsleistung der Ausgangsmotorwelle des Drehantriebs dabei von der Eingangsmotorwelle zur Verfügung gestellt, während der Drehantrieb lediglich die zum Verstellen der Ausgangsmotorwelle in Bezug auf die Eingangsmotorwelle benötigte Leistung bereitzustellen braucht. Eingangsmotorwelle- und Ausgangsmotorwelle sind in ihrer Funktion vertauschbar, d.h. jeder der Motorwellen 2, 4 in Fig.20 kann als Eingangs- oder Ausgangsmotorwelle dienen.
Der exzentrisch um die Motorachse Ι- bewegte Konverter 3 stellt eine Unwucht dar. Derartige Unwuchten erzeugen bekanntermaßen störende Motorvibrationen und Geräusche und sind zu vermeiden. Hierzu gibt das Ausführungsbeispiel in Fig.21 eine Lösung an, bei der die durch den Konverter 3 be- dingte Unwucht durch eine um die Achse der Motorwelle Ι-Γ phasensynchron umlaufende Ausgleichsmasse 9 kompensiert wird. Insbesondere kann eine ferromagnetische Ausgleichsmasse 9 im magnetischen Kraftnebenschluss vom Konverter 3 in Verbindung mit dem Stator 4 und den Statorpolen PI, PX ange- trieben werden. Wie in Fig.21 dargestellt, wird der Konverter 3 bei
Bestromung des Statorpoles PI durch diesen magnetisch angezogen, wodurch sich der Massenschwerpunkt des Konverters 3 in Fig.21 entlang der y-Achse nach Unten bewegt. Gleichzeitig wird die im Inneren des Konverters 3 angebrachte scheibenförmige ferromagnetische Ausgleichsmasse 9 durch vom Konverter 3 übertragene magnetische Kräfte entlang der y-Achse in eine obere Position gezogen. Abstände und Exzentrizität der Ausgleichsmasse 9 sind so bemessen, dass der Abstand der Ausgleichsmasse 9 zum Konverter 3 hierbei möglichst klein wird, ohne dass sich diese Elemente berühren. Durch die entgegengerichteten Bewegungen der Massenschwerpunkte des Konverters 3 und der Ausgleichsmasse 9 kann bei geeigneter Dimensionierung eine vollständige Kompensation der Motorunwucht erreicht werden, bei der der gemeinsame Massenschwerpunkt von Konverter 3 und Ausgleichsmmasse 9 in jedem Betriebszustand auf der Achse der Motorwelle Ι-Γ zu liegen kommt. Da sich die Ausgleichsmasse 9 phasenstarr mit dem exzentrisch umlaufenden Konverter 3 bewegt, ist der Drehantrieb in allen Betriebsphasen vollständig ausgewuchtet. Mittels der Elemente Sicherungsscheibe 10, Kugellager 12, und Federscheibe 11 wird die Ausgleichsmasse 9 verschieblich und spielfrei auf Anlage mit dem Statorkern 4 gehalten. Durch die mit dem Konverter phasensynchrone Verschiebung der Ausgleichsmasse 9 rollt diese mit ihrem Innenbe- reich auf dem konzentrisch zur Motorwellenachse angeordneten Zapfen 14 des Stators ab und wird dadurch selbst in Rotation versetzt. Grundsätzlich bedarf es daher keiner weiteren Kugellagerung des Ausgleichsmasse 9 auf dem Zapfen 14, eine solche ist jedoch optional möglich. Die Eigenrotation der Ausgleichsmasse hat auf die Funktion des Drehantriebes keinen Einfluß und stört weiter nicht. Die Eingriffsverhältnisse der Verzahnungen in der in Fig.21 gezeigten Position des Konverters 3 sind durch die in der Perspektive um 90 Grad gedrehten Ausschnittsvergrößerungen Dl und Dl' sowie D2 und D2' schematisch dargestellt. Fig.22 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Unwuchtkompensation, bei dem die Ausgleichsmasse 9 durch einen zusätzlichen Hilfsstator bestehend aus oder aufweisend die Statorpole Hl, HX mit den Wicklungen 10.1, 10.X phasensynchron zum Konverter 3 elektromagnetisch angetrieben wird. Die Bestromung der Hilfsstatorpole Hl, HX erfolgt wiederum so, dass der gemein- same Massenschwerpunkt von Ausgleichsmasse 9 und Konverter 3 in allen Betriebsphasen auf der Motorwellenachse Ι-Γ liegt. Da die Ausgleichsmasse 9 bis auf die Überwindung der Eigenträgheit keine Arbeit verrichtet, ist der Energiebedarf für die Hilfsstatorwicklungen Hl, HX gering. Die Wicklungen 10.1, 10. X des Hilfsstators können deshalb kompakt mit dünnem Draht ausgeführt und optional mit den Hauptstatorwicklungen 7.1, 7.X elektrisch verschaltet sein. Die Eingriffsverhältnisse der Verzahnungen in der in Fig.22 gezeigten Position des Konverters 3 sind durch die in der Perspektive um 90 Grad gedrehten Ausschnittsvergrößerungen Dl und Dl' sowie D2 und D2' schematisch dargestellt.
Die Dimensionierung der Ausgleichsmasse 9 in Bezug auf den Konverter 3 zur vollständigen Unwuchtkompensation kann sowohl über die Dicke als auch über die Form der scheibenförmigen Ausgleichsmasse 9 erfolgen. Fig.23.1 zeigt hierzu als Beispiel eine Ausgleichsscheibe 9 deren Dicke und Dichte geeignet gewählt sind. Ebenso kann die Gegenunwucht über die Form der Ausgleichsmasse beeinflußt werden. Beispielhaft hierfür zeigt Fig.23.2 eine Ausgleichsmasse 9 in Form eines breitrandigen und in Fig.23.3 in Form eines dünnrandigen Ringes. Die Scheiben- oder ringförmigen Ausgleichsmassen 9 rollen mit ihrer Innenfläche auf der Außenseite des um die Achse der Motorwelle Ι-Γ symmetrischen Zapfens 14 des Stators bzw. Motorgehäuses ab. Je nach Durchmesserdifferenz von Innenbohrung der Ausgleichsscheibe und Außendurchmesser des Statorzapfens 14 rotieren die Ausgleichsmassen hierbei mehr oder weniger stark in sich selbst, was jedoch auf die Funktion keinen Einfluß hat.
Im Unterschied zu den in Fig.23 gezeigten Ausgleichsmassen mit einer rotationssymmetrischen Form, zeigt Fig.24 um die Motorwellenachse umlaufende nicht rotationssymmetrische Ausgleichsgewichte 9. Fig.24.1 zeigt ein ferro- magnetisches Ausgleichsgewicht in Form eines homogenen Körpers geeigneter Dicke und Dichte, der bezüglich der Motorwellenachse l-f mittels des Lagers 8 drehbar gelagert ist. Das ferromagnetische Ausgleichsgwicht 9 wird durch die von dem exzentrisch bewegten Konverter 3 übertragenen magnetischen Kräfte mit diesem phasensynchron bewegt, da es sich immer in die Po- sition begibt, in der der Abstand zwischen dem Konverter 3 und dem Ausgleichsgewicht 9 minimal ist. Das Ausgleichsgewicht 9 rotiert hierbei mit der Umlauffrequenz der elektrischen Anregefrequenz coe|.
Eine Abstimmung der Augleichsgewichtsmasse kann durch nachträglich angebrachte Ausnehmungen oder Bohrungen 15 erfolgen, so wie dies in Fig.24.2 schematisch gezeigt ist oder durch Zusatzgewichte 16, wie in Fig. 24.3 gezeigt.
Anstelle und/oder zusätzlich zu den vom Konverter 3 ausgehenden magnetischen Feldlinien und der dadurch auf das Ausgleichsgewicht 9 wirkenden Magnetkräfte, kann das Ausgleichsgewicht 9 einen Permanentmagneten besitzen, wodurch es sich immer in die Position des geringsten Abstands zum Konverter 3 einstellt und ebenfalls phasenstarr mit der elektrischen
Anregefrequenz ωβι bewegt. Diese Ausführungsform ist analog zu der in Fig.24.3 dargestellten, wobei das mit der Ziffer 16 bezeichnete Element nun- mehr einen Permanentmagneten darstellt.
Fig.25 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehantriebs, bei dem der Konverter 3 durch einen Exzenter 9 drehbar und verschiebbar geführt ist. Hierzu ist der Exzenter 9 mit einer Bohrung 9.1 auf einem Bolzen 14 des Motorgehäuses 1 exzentrisch drehbar gelagert. Zugleich ist der Exzenter 9 mit seiner zylindrischen Außenfläche 9.2 spielfrei und drehbar in eine Innenbohrung des Konverters 3 eingepasst. Die Exzentrizität und die Abmessungen des Exzenters 9 sind so auf die Exzentrizität e des Konverters 3 in Bezug auf die Motorwellenverzahnung Nw und die Motorgehäuseverzahnung NG und die Verzahnungen NG, Nw, NKi und NK2 abgestimmt, dass die Verzahnungen ineinander greifen und abwälzen können. Werden auf den Konverter 3 durch die Statorpole PI, PX elektromagentische Kräfte ausgeübt, kann sich der Konverter 3 damit sowohl exzentrisch bewegen, als auch rotieren. Im Motorbetrieb rotiert der Exzenter 9 mit der elektrischen Anregefrequenz coei um die Achse I- f der Motorwelle 2. Zur reibungsfreien Lagerung des Exzenters 9 auf dem Bolzen 14 des Motorgehäuses 1 einerseits und in dem Konverter 3 andererseits können dem Stand der Technik entsprechende Lagerungsmittel, z.B. Gleitlager, Kugellager, Nadellager oder sonstige verwendet werden, wobei die Lagerung möglichst spielfrei auszuführen ist. Die in Fig.25 dargestellte Ausfüh- rungsvariante zeigt eine Gleitlagerung des Exzenters 9. Insbesondere lässt sich durch geeignete Dimensionierung des Exzenters 9 eine Zwangsführung des Konverters 3 erreichen, die sicherstellt, dass die Verzahnungspaarungen Nw mit N«2 und NG mit N i immer im Eingriff sind.
Ein weiterer Vorteil der in Fig.25 gezeigten Variante besteht darin, dass der phasenstarr mit der elektrischen Anregefrequenz um die Motorwellenachse I- rotierende Exzenter 9 zur Kompensation der durch den exzentrisch verschobenen und rotierenden Konverter 3 bedingten Motorunwucht dienen kann. Mit Bezug auf Fig.25 zeigt Fig.26.1 eine Ausführung des Exzenters 9, bei der dieser hierzu auf seiner einen Halbfläche Ausnehmungen und/oder Bohrun- gen 15 aufweist. Die Ausnehmungen 15 befinden sich dabei in dem Bereich des Exzenters 9, wo dieser die größere Breite aufweist, so dass der Massenschwerpunkt des Exzenters in Fig.26.1 nach oben in Richtung der positiven y- Achse verschoben wird. Der Massenschwerpunkt des Konverters 3 ist in der in Fig.25 gezeigten Stellung nach unten, entlang der negativen y-Achse verschoben. Durch geeignete Bemessung und Anordnung der Ausnehmungen 15 des Exzenters 9 kann erreicht werden, dass der gemeinsame Massenschwerpunkt von Konverter 3 und Exzenter 9 immer auf der Motorwellenachse Ι- liegt, womit der Motor vollständig massenausgeglichen ist und vibrationsfrei läuft. Anstelle der Ausnehmungen 15 des Exzenters 9, wie in Fig.26.1 gezeigt, kann der Exzenter 9 in seinem Bereich geringerer Breite auch Zusatzmassen 16 aufweisen. Hierfür gibt Fig.26.2 ein Beispiel. Bei diesen kann es sich auch um Materialbereiche höherer Dichte handeln. Durch diese Maßnahme wird der Massenschwerpunkt des Exzenters 9 ebenfalls in der gewünschten Weise verschoben. Die in Fig.26.1 und Fig.26.2 dargestellten Maßnahmen sind auch miteinander kombinierbar.
Fig.27 zeigt eine besonders flach bauende Ausführungsvariante des Drehantriebs mit innenliegendem Stator, bei der der Konverter 3 in Form eines U- förmigen Ringprofils ausgebildet ist.
Fig.28 zeigt eine besonders flach bauende Ausführungsvariante des Drehantriebs mit außenliegendem Stator, bei der der Konverter 3 in Form eines U- förmigen Ringprofils ausgebildet ist.
Mit Ausnahme der Drehantriebe, bei denen der Konverter 3 durch Exzentermittel 9 gelagert ist, kann bei allen anderen Ausführungsvarianten des Drehantriebs ein Verkippen des Konverters 3 dadurch verhindert werden, dass dieser durch entsprechende Flächen des Motorgehäuses 1, der Motorwellen 2 oder der sonstigen Komponenten des Drehantriebs parallelgeführt wird. Zur Parallelführung des Konverters 3 eignen sich sowohl Gleitlagerungen, als auch Kugellager, Nadellager oder sonstige Lagerungen (z.B. magnetische, hydrostatische, hydrodynamische).
Fig.29 zeigt eine flachbauende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehantriebs, bei dem die Motorwelle 2, 2' durch das Motorgehäuse 1, 4 hindurchgeführt ist, so dass die zwei gekoppelten Abtriebswellen Motorwelle 2 und Motorwelle 2' zum Antreiben von Lasten oder zur Unterstützung einer Rotationsbewegung zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann die Motorwel- le 2' mit dem Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges verbunden sein und die Mo- torwelle 2 mit dem Lenkrad, wobei der Drehantrieb eine die Lenkung in gewünschter Weise unterstützende Wirkung ausüben kann. Im Unterschied hierzu zeigt die in Fig.30 dargestellte Variante einen erfindungsgemäßen Drehantrieb, bei dem die Motorwelle in Form eines außenliegenden Ringes 2 oder einer außenliegenden Scheibe 2 ausgeführt ist, die durch durch externe Lagerungsmittel 8 drehbar gelagert ist. Die in Fig.31 gezeigte Variante weist einen gebauten Konverter 3 auf, der zwei miteinander verbundene Scheiben 3.1 und 3.2 aufweist oder aus diesen besteht, die an ihrem Außenumfang Verzahnungen NKi und N 2 aufweisen und einem ferromagnetischen Ring 3.3, welcher mit der Scheibe 3.2 verbunden ist. Dies ermöglicht eine besonders wirtschaftliche Produktion, da die einzelnen Elemente 3.1, 3.2 und 3.3 einzeln, z.B. durch Stanzen, hergestellt, getestet und mittels bekannter Verbindungs- und Fügetechniken zu dem Konverter 3 verbunden werden können. Das Abtriebelement weist in Fig.31 die Form eines außenliegenden Ringes/Scheibe 2 auf, die durch Lagerungsmittel 8 um die Motorwellenachse Ι- rotierbar gelagert ist.
Das erfindungsgemäße Prinzip eignet sich zur Herstellung von Drehantrieben unterschiedlichster Bauformen und Aspektverhältnisse. Beipielhaft hierfür zeigt Fig.32 einen Drehantrieb mit einer in Bezug auf die xy-Ausdehnung großen Längserstreckung entlang der z-Achse (Motorwellenachse). Das Motorge- häuse 1 weist hierzu mindestens einen Statorring mit den Statorpolen API,
APX, vorzugsweise jedoch mehrere, in Fig.32 mit A, B, C, D indizierte
Statorringe auf. Jeder Statorring weist Kerne A5.X ferromagnetischen Materials, Polschuhe A6.X und Wicklungen A7.X auf. Insbesondere kann der in Fig.32 dargestellte Drehantrieb mehrere solcher Statorringe, in Fig.32 mit den Buch- staben A, B, C, D bezeichnet, aufweisen, von denen jeder eine Anzahl
Statorpole APX, BPX, CPX, DPX aufweist. Die einzelnen Statorringe können eine voneinander unterschiedliche Anzahl von Statorpolen aufweisen. Insbesondere weisen die einzelnen Statorringe jedoch eine gleiche Anzahl von Statorpolen auf, so dass in Fig.32 jeweils die Wicklungen A7.1, B7.1, C7.1, D7.1, die Wicklungen A7.2, B7.2, C7.2, D7.2, die Wicklungen A7.X, B7.X, C7.X,
D7.X miteinander elektrisch verschaltet oder verbunden werden können, oder insgesamt eine Wicklung darstellen. Die Vielzahl von Statorringen und
Statorpolen dient zur Erhöhung der Leistung und des Drehmomentes des Drehantriebs. Die innengeführte Motorwelle 2 kann im Motorgehäuse 1 doppelt gelagert und durch das Motorgehäuse hindurchgeführt sein, womit abtriebsseitig zwei Anschlüsse zur Verfügung stehen. Die Motorwelle 2 ist im Motorgehäuse 1 mittels Lagerungsmitteln 8 drehbar gelagert und axial gegen Auswandern gesichert. An ihrem einen gehäuseseitigen Ende weist die Motorwelle 2 einen scheibenförmigen Bereich 4 mit einer Außenverzahnung Nw auf. Der hohlzylindrische Konverter 3 besitzt die mindestens einen Innenverzahnungen NKi und NK2- Ebenso weist das Motorgehäuse 1 die mindestens eine mit der Innenverzahnung NKi des Konverters 3 korrespondierende Außenverzahnung NG auf. Durch umlaufende Bestromung der Wicklungen A7.1, A7.2, A7.3 .... sowie B7.1, B7.2, B7.3 ... bis D7.1, D7.2, D7.3 ... wird der Konverter 3 durch Magnetkräfte umlaufend verschoben und die Verzahnungen wälzen sich ineinander ab. Hierdurch wird der Konverter 3 in Rotation versetzt, wobei der
Konverterbewegung eine exzentrische Bewegung überlagert ist (Taumeln), wodurch die Motorwelle 2 in Rotation versetzt wird.
Fig.33 zeigt einen bezüglich der Achse K-K1 spiegelsymmetrischen Drehantrieb der in Fig.32 vorgestellten Art, bei dem sich der scheibenförmige Bereich 4 mit der Außenverzahnung Nw in der Motormitte befindet und der hohlzlindrische Konverter 3 an seinen beiden Enden zwei Außenverzahnungen N i aufweist, die durch elektromagnetische Verschiebung des Konverters 3 mit Innenverzahnungen NG des Motorgehäuses 1 in Eingriff gebracht werden können und ineinander abwälzbar sind. Durch den symmetrischen Aufbau werden Kippmomente auf den Konverter 3 minimiert. Jeweils rechts und links des scheibenförmigen Bereichs 4 weist der Drehantrieb mindestens einen Statorring A und B auf. In Fig.33 sind die links vom scheibenförmigen Bereich 4 liegenden Statorpole mit API, APX und die rechts davon liegenden Statorpole mit BP1, BPX bezeichnet. Die Motorwelle 2 ist beidseitig aus dem Motorgehäuse 1 herausgeführt.
In Erweiterung der in Fig.33 dargestellten Variante, zeigt Fig.34 die Möglichkeit zur Kaskadierung der rechts- und linksseitig vom scheibenförmigen Bereich 4 liegenden Statorringe. Der Aufbau gemäß Fig.34 besitzt links der Symmetrieachse K-K' die vier Statorringe A, B, C, D und rechts der Symmetrieachse die vier Statorringe E, F, G, H. Prinzipiell gibt es bezüglich der Anzahl der Statorringe und der Motorlänge keine Einschränkungen und es können auf diese Weise sehr dünne, lange und leistungsstarke Drehantriebe dargestellt werden. Die erfindungsgemäßen Drehantriebe eignen sich für rein gesteuerten Betrieb (Feed-Forward Control), da elektrische und mechanische Phase (= Motorwellenstellung) eindeutig korreliert sind.
Die Stellung und Bewegung des Konverters und damit der Motorwelle kann mittels induktiver, kapazitiver, optischer, Impedanzmessungen, Strom- und Spannungsmessungen oder anderer physikalischer Verfahren ermittelt werden. Insbesondere können die Wicklungen z.B. 7.1, 7.X der Statorpole selbst als Sensoren für die Lageermittlung der Konverterposition und der
Konverterbewegung und damit der Motorwellenposition und der Motorwellendrehung mittels obiger physikalischer Messverfahren dienen.
Darüberhinaus sind obige Messmethoden dazu geeignet, die an der Motorwelle 2 oder den Motorwellen 2, 2' angreifenden Lastmomente zu erfassen. Unter Ausnutzung der Wicklungen z.B. 7.1, 7.X und deren Induktivitäten ist hierzu nicht notwendigerweise eine zusätzliche Sensorik erforderlich.
Zur Erfassung der Konverterbewegung/position und/oder der Drehzahlen und/oder der Winkelpositionen und/oder von Drehmomenten des ersten Körpers in Bezug auf die Trägerstruktur und/oder des zweiten Körpers in Bezug auf die Trägerstruktur und/oder zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper können darüberhinaus externe Sensoren, wie z.B. Hallsenso- ren, vorgesehen sein, welche die Position des Konverters relativ zum Motorgehäuse erfassen. Handelt es sich bei den Aktoren um andere als Elektromag- nete, insbesondere um piezoelektrische Aktoren, so können aus deren Strom-, Spannungs- und Ladungssignalen ebenfalls sensorische Informationen extrahiert und zur Steuerung und Regelung des Drehantriebs verwendet werden. Insbesondere kann ein Lastmoment ein Drehmoment sein.
Als Antriebselemente für den erfindungsgemäßen Drehantrieb eigen sich einerseits neben Elektromagneten alle Arten von Aktoren, die über Feldwirkun- gen berührungslos Kräfte auf den Konverter ausüben können. Insbesondere eignen sich auch elektrostatische Aktoren, insbesondere elektrostatische Kammaktoren (Comb Antriebe) und insbesondere in MEMS-Technologie hergestellte elektrostatische Aktoren. Darüberhinaus kann der erfindungsgemäße Drehantrieb in Teilen oder ingesamt als mikromechanisches und/oder mikro- elektromechanisches Bauteil hergestellt werden.
Darüberhinaus eignet sich der erfindungsgemäße Drehantrieb auch für mit dem Konverter 3 mechanisch gekoppelte Aktoren, insbesondere piezoelektrische, magnetostriktive, Magnetic Shape Memory Aktoren, Formgedächtnis- aktoren, dielektrische Aktoren, Thermobimetallaktoren usw. Hierzu folgen weitere Ausführungsbeispiele mit Erklärungen des Aufbaus und der Funktion:
Der im Schnitt in Fig.35 und entlang eines Schnittes K-K' in Fig.35 in Aufsicht in Fig.36 gezeigte Drehantrieb weist Festkörperaktoren 5, 5.X zum Antrieb des
Konverters 3 auf. Als Festköperaktoren 5, 5.X eignen sich insbesondere piezoelektrische Vielschichtaktoren (piezoelektrische Multilayerstacks), die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kontaktstifte 7 des
Festörperaktors abhängig von der Polarität und der Amplitude der elektri- sehen Spannung elongieren und/oder kontrahieren. Die Hauptwirkachsen der in Fig.35 dargestellten Festkörperaktoren erstrecken sich entlang der y-Achse. Die Festkörperaktoren 5, 5.X stützen sich mit ihrem einen Ende an dem Motorgehäuse 1, mit ihrem anderen Ende an einem ringförmigen, den Konverter 3 umschließenden Antriebsring 4 ab. Mittels der die Festkörperaktoren 5.X umschließenden Elemente 6 kann der Festkörperaktor gegen Umweltweinflüsse, insbesondere Feuchtigkeit geschützt sein. Die Elemente 6 können auch die Funktion von Federelementen besitzen, die die Festörperaktoren mechanisch vorspannen und mechanisch zwischen dem Motorgehäuse 1 und dem Antriebsring 4 fixieren.
Der Antriebsring 4 ist mittels Lagerungsmitteln 9, als solche eignen sich Nadellager, Kugellager, Gleitlager oder andere dem Stand der Technik entsprechende Lagerungsmittel, drehbar bezüglich des Konverters 3 gelagert, wie Fig.36 veranschaulicht. Der Konverter 3 weist Verzahnungen NKi und NK2 auf, die sich in den Verzahnungen NG des Motorgehäuses 1 und Nw der Motorwelle 2 ab- wälzen können und dadurch die Motorwelle 2 auf die bereits beschriebene
Art und Weise in steuerbare Rotation versetzen. Die Motorwelle 2 ist mittels Lagerungsmitteln 8 drehbar im Motorgehäuse 1 gelagert. Zusätzlich kann die Motorwelle 2 in einem stirnseitigen Bereich 11 mittels weiterer Lagerungsmittel 10 im Motorgehäuse 1 gelagert sein. Hierdurch wird eine besonders hohe radiale Steifigkeit der Mötorwelle ereicht, was bei den hohen Kräften piezoelektrischer Aktoren vorteilhaft ist. Die zusätzliche Lagerung der Motorwelle 2 in einem Bereich 11 mit den Lagern 10 ist für die Funktion des Drehantriebs jedoch unerheblich. Der in Fig.35 abgebildete Drehantrieb ist damit in Funktion und Aufbau den in Fig.l und Fig.14 gezeigten weitgehend analog, mit dem Unterschied, dass anstelle elektromagnetischer Aktoren nun Festkörperaktoren zur Anregung einer kreisförmigen Verschiebebewegung des Konverters 3 verwendet werden. In gleicher Weise entsprechen Aufbau und Funktion des in Fig.36 in Aufsicht gezeigten Drehantriebs mit Festkörperaktoren weitgehend der des in Fig. 2 dargestellten Drehantriebs mit elektromagnetischen Aktoren. Im Unterschied zu den Drehantrieben, bei denen die Kräfte auf den Konverter mittels elektromagnetischer Felder (kraftschlüssig) übertragen werden, weist die mechanisch feste (formschlüssige) Anbindung der Festkörperaktoren an die Mechanik des Drehantriebs jedoch vorteilhaft als zusätzliches Element einen bezüglich des Konverters 3 drehbar gelagerten Antriebsring 4 auf. Durch die Drehlagerung des Konverters 3 in dem Antriebsring 4, werden die von den Festkörperaktoren 5 erzeugten Kräfte und Auslenkungen auf den Konverter 3 übertragen, ohne dessen Rotation und kreisförmige Verschiebebewegung zu beeinträchtigen. Durch umlaufende elektrische Erregung der Festkörperakt- oren wird so eine umlaufende kreisförmige Verschiebebewegung des Konverters 3 bewirkt, wobei sich die Verzahnungen auf die bereits ausführlich beschriebene Art und Weise ineinander abwälzen und die Motorwelle in Rotation versetzen. Eine geringe Scherbelastung der Festkörperaktoren beeinträchtigt weder die Funktion des Drehantriebs noch die Lebensdauer der Festkör- peraktoren. Gegebenenfalls läßt sich die Scherbelastung der Festkörperaktoren durch zusätzliche kinematische Elemente, wie Festkörpergelenke, Kulissen, Parallelkinematiken, Exzenter etc. weiter reduzieren oder gänzlich vermeiden.
Der in Fig.35 und Fig.36 gezeigte Drehantrieb weist mindestens zwei mit ihren Hauptwirkachsen nicht parallel zueinander und in einem Winkel zur Motorwellenachse l-f angeordnete Antriebsaktoren P, PX auf. Die maximal Anzahl i von Antriebsaktoren ist nach oben nicht beschränkt. Die vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Motorwellenachse Ι- angeordneten Antriebsaktoren werden als Statorring bezeichnet. Der erfindungsgemäße Drehantrieb kann einen beliebige Anzahl längs der Motorwellenachse l-f angeordneter
Statorringe aufweisen. Besonders vorteilhaft in Bezug auf die Drehgleichförmigkeit und die Ansteuerbarkeit ist eine symmetrische Anordnung mehrerer Antriebsaktoren in äquidistanten Abständen um die Motorwellenachse l-f. Bei dem in Fig.35 und Fig.36 gezeigten Drehantrieb ist die Hauptwirkrichtung eines jeden einzelnen Antriebsaktors P näherungsweise auf die Motorwellenachse l-f gerichtet.
Die in Fig.33, Fig.34, Fig.35 dargestellten Drehantriebe zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie mehr als eine erste Konverterverzahnung NKi und mehr als eine Gehäuseverzahnung NG aufweisen können. Es ist auch vorgesehen, dass die Drehantriebe mehr als eine zweite Konverterverzahnung NK2 und mehr als eine Wellenverzahnung Nw aufweisen. Dieses gilt für alle erfindungsgemäßen Drehantriebe. Wie Fig.37 zeigt, muss die Hauptwirkrichtung eines jeden einzelnen
Antriebsaktors P jedoch nicht notwendigerweise auf die Motorwellenachse Ι-Γ gerichtet sein. Das in Fig.37 dargestellte Ausführungsbeispiel weist vier Antriebsaktoren PI, P2, P3 und P4 auf, deren Hauptwirkrichtungen in einer Ebe- ne senkrecht zur Motorwellenachse l-f liegen, wobei die Hauptwirkrichtung eines jeden einzelen Aktors nicht auf die Motorwellenachse Ι- gerichtet ist. Für den rotatorischen Betrieb der Motorwelle 2 wird der Konverter 3 zu einer kreisförmigen Verschiebebewegung in der xy-Ebene um die Motorwellenachse Ι- angeregt. Hierzu werden jeweils zwei gegenüberliegende Antriebsakt- oren, z.B. PI und P3 sowie P2 und P4 gemeinsam elektrisch angesteuert, mit einem Phasenversatz zwischen den beiden Antriebsaktorpaaren. Bei der Anordnung gemäß Fig.37 beträgt der Phasenversatz zwischen den periodischen Signalspannungen der beiden Antriebsaktorpaare PI, P3 und P2, P4 vorzugsweise 90 Grad. Die Antriebsaktoren P können bezüglich einer Mittellage, z.B. durch entsprechende elektrische Bias-Vorspannung, sowohl positive wie auch negative Auslenkungen ausführen, d.h. sowohl kontrahieren als auch expandieren. Die Ansteuerung zweier gegenüberliegender Antriebsaktoren, PI und P3 sowie P2 und P4, erfolgt so, dass der Antriebsring 4 in der xy-Ebene verschoben wird. Bei der in Fig.37 gezeigten Anordnung kann dieses dadurch bewirkt werden, dass gegenüberliegende Antriebsaktoren mit bezüglich der
Biasspannung entgegengerichteten Spannungen beaufschlagt werden.
Durch die Drehlagerung des Konverters 3 im Antriebsring 4 werden folglich nur Verschiebebewegungen des Antriebsringes 4 auf den Konverter 3 übertragen, nicht jedoch Rotationsbewegungen des Antriebsringes 4 um die Mo- torwellenachse l-f. Thermische Längenänderungen der Antriebsaktoren können sich damit nicht auf den Konverter übertragen und die Funktion des Drehantriebs beeinträchtigen. Hierdurch weist der in Fig.37 gezeigte Drehantrieb über einen großen Temperaturbereich eine hohe Betriebsstabilität auf. Die Anzahl der Antriebsaktoren eines Statorringes und die Anzahl der
Statorringe ist nicht begrenzt.
Bei der in Fig.38 gezeigten Aufsicht eines Drehantriebs dienen Biegeaktoren 5.1, 5.2, insbesondere piezoelektrische Biegeaktoren, zur Anregung der exzentrischen Konverterbewegung.
Der Konverter besitzt gemäß Fig.3 zwei Verzahnungen NKi und NK2, die sich in
Verzahnungen NG des Motorgehäuses und Nw der Motorwelle abwälzen und die Motorwelle 2 in Rotation versetzen können. Aus Gründen der
Übsichtlichkeit sind in Fig.38 nur die beiden Verzahnungen NK2 und Nw angedeutet, da das andere Verzahnungspaar NKi mit NG geometrisch in einer ande- ren Ebene liegt. Der Konverter 3 ist in einem Antriebsring 4 mittels Lagerungsmitteln 9 drehbar gelagert. Die Biegeaktoren 5.1, 5.2 sind an ihrem fuß- seitigen Ende in dem Motorgehäuse 1 fixiert. Durch Anlegen elektrischer Signalspannungen an die Anschlußleitungen 7.1, 7.2 der Biegeaktoren 5.1, 5.2 führen diese an ihrem gegenüberliegenden Ende den Signalspannungen proportionale Bewegungen aus. Die Biegeaktoren sind so orientiert, dass sie Bewegungen hauptsächlich in der senkrecht zur Motorwellenachse Ι-Γ liegenden xy-Ebene ausführen. In Fig.38 ist die Bewegungsrichtung der Biegeaktorenden symbolhaft durch Pfeile verdeutlicht. Bei piezoelektrischen Biegeaktoren kön- nen die Amplituden dieser Bewegungen typischerweise im Bereich von ca. ±
500 μιτι liegen. Die Biegeaktoren sind in Fig.38 in der xy-Ebene zueinander um einen Winkel von 90 Grad gedreht. Durch Anlegen periodischer, vorzugsweise sinusförmiger, Signalspannungen an die beiden Biegeaktoren 5.1 und 5.2 mit einem vorzugsweisen Phasenversatz von 90 Grad, führen diese zueinander um 90 Grad phasenversetzte mechanische Auslenkungen aus, die über die drucksteifen jedoch schwerweichen Druckstreben 6.1 und 6.2 auf den Antriebsring 4 übertragen und sich zu einer kreisförmigen Verschiebebewegung des Antriebsringes 4 um die Achse der Motorwelle 2 überlagern. Hierdurch wälzen sich die Verzahnungen NKi und NK2 des Konverters 3 in der Verzahnung NG des Motorgehäuses und Nw der Motorwelle 2 ab, wodurch die Motorwelle 2 in
Rotation versetzt wird. Anstelle der Druckstreben 6.1 und 6.2 eignen sich zur störungsfreien Überlagerung der Einzelbewegungen der mindestens zwei Biegeaktoren 5.1, 5.2 auch andere kinematische Strukturen, wie Kulissen, Gelenke usw. die hier nicht im Einzelnen ausgeführt werden. Drehantriebe der in Fig.38 gezeigten Art eignen sich insbesondere für planare Motoren und miniaturisierte Stellantriebe. Eine Miniaturisierung des Drehantriebs läßt sich insbesondere durch (Mikro)Spritzgießen in Kunststoff oder Metall oder durch mikromechanische Herstellungsverfahren, beispielsweise als MEMS erreichen, wobei anstelle piezoelektrischer Biegeaktoren auch andere Aktorprinzipien, wie elektrostatische Comb-Antriebe, verwendet werden können.
Entsprechend dem Stand der Technik sind zylindrische Elektromotoren weit verbreitet. Fig.39 zeigt einen zylindrischen Drehantrieb der erfindungsgemäßen Art, mit vier Biegeaktoren 5 als Antriebselemente für den Konverter 3. Der Drehantrieb weist vier Antriebseinheiten PI, P2, P3, P4, analog den
Statorpolen der elektromagnetischen Drehantriebe auf, die längs der Motorwellenachse Ι- orientiert und zueinander um jeweils 90 Grad gedreht sind. Jede Antriebseinheit weist die Elemente Halter Hl aufweisend oder bestehend aus dem Haltersegment Hl.l und dem Haltersegmenet H l.2, Biegeaktor 5 mit elektrischen Kontaktflächen 9 sowie elektrischen Anschlussleitungen 7 und eine Endkappe Gl aufweisend das Endkappensegment G1.2 und dem Übertragungssegment Gl.2 auf. Die Hauptwirkrichtungen, als solche werden die Bewegungen der Biegeenden an dem dem Konverter 3 zugewandten Ende bezeichnet, liegen innerhalb der xy-Ebene. Um die Wirkrichtungen der einzelnen Biegaktoren ungestört zu überlagern, besitzen die Halter Hl, H2, H3, H4 einen zweiteiligen Aufbau, wie in Fig.40 dargestellt. Der Biegaktor 5 ist in einem gabelförmigen Haltersegment H l.2 gefasst, in welches er z.B. eingeklebt, eingepresst, verlötet oder verschweisst ist. Das Haltersegment Hl.l weist ein flächiges dünnes Material auf oder besteht daraus, welches bezüglich des Haltersegmentes Hl.2 um 90 Grad gedreht und mit diesem verbunden ist oder aus einem Stück hergestellt ist. Mit dem anderen Ende ist das Haltersegment Hl.l fest mit dem Motorgehäuse 1 verbunden. Hierdurch ergibt sich die in Fig.40 zu erkennende kreuzförmige Strukur der Halter H. Zur Erzeugung konverterseitig großer Biegerkräfte ist eine möglichst steife fußpunktseitige
Befestigung des Biegeaktors am Motorgehäuse 1 anzustreben. Diese würde jedoch die Bewegung der benachbarten um 90 Grad gedrehten Biegeaktoren behindern. Aus diesem Grund sind die Halter H so ausgeführt, dass sie den Biegeaktor in dessen Hauptbewegungsrichtung steif mit dem Motorgehäuse verbinden, sich in der dazu senkrechten Richtung aber möglichst biegeweich verhalten. Diese läßt sich durch die in Fig.39 und Fig.40 dargestellte Struktur des Halters in Form eines dünnen Biegebleches erreichen, welches der Bewegung der beiden benachbarten Biegeaktoren einen nur geringen Widerstand entgegensetzt, den Biegeaktor in seiner Hauptwirkungrichtung fußpunktseitig aber steif mit dem Motorgehäuse verbindet. Anstelle der Biegebleche können die fußpunktseitigen Halter Hl auch in Form von auf den Breitseiten der Biegeaktoren gegenüberliegend befestigten Stiften ausgeführt werden.
An ihrem konverterseitigen Ende sind die Biegeaktoren mit Endkappen Gl, G2, G3, G4 verbunden, die mit ihren gabelförmigen Abschnitten Gl.l, G2.1, G3.1, G4.1 die Biegeaktoren aufnehmen. Über die Übertragungssegmente
G 1.2, G2.2, G3.2, G4.2 sind die Biegeaktoren mechanisch mit dem Antriebsring 4 verbunden. Die Übertragungssegmente sind so ausgeführt, dass sie eine Parallelverschiebung des Antriebsringes 4 bei Ansteuerung der Antriebseinheiten PI, P2, P3, P4 sicherstellen. Hierzu können die Übertragungssgmente beispielsweise eine stiftförmige Form haben. Der Antriebsring 4 ist in dem
Konverter 3 mittels Lagerungsmitteln 11 drehbar gelagert. Der Konverter 3 besitzt die zwei Verzahnungen NKi und NK2 die sich in Verzahnungen NG des Motorgehäuses und Nw des scheibenförmigen Bereichs 10 der Motorwelle 2 abwälzen können, wodurch die Motorwelle 2 in Rotation versetzt wird. Mit- tels Lagerungsmitteln 8 ist die Motorwelle 2 in dem Motorgehäuse 1 drehbar gelagert. Zur besseren Aufnahme der durch den Konverter 3 auf die Motorwelle 2 ausgeübten Radialkräfte, kann die Motorwelle, so wie in Fig.39 dargestellt, mehrfach gelagert sein. Zum Betrieb des Drehantriebes werden jeweils gegenüberliegende Biegeaktoren so elektrisch angesteuert, dass sich die konverterseitigen Enden synchron in dieselbe Richtung bewegen. Die beiden so gebildeten Biegeaktorpaare werden zueinander mit einem Phasenversatz, bei der in Fig.39 und Fig.40 dargestellten Konfiguration vorzugsweise 90 Grad, angesteuert. Hierdurch überlagern sich die Einzelbewegungen der
Biegaktoren zu einer kreisförmigen Verschiebebewegung des Konverters 3, dessen Verzahnungen NKi und NK2 sich dadurch in den Verzahnungen NG des Motorgehäuses 1 und Nw der Motorwelle 2 abwälzen und die Motorwelle in Rotation versetzen. Der in Fig.39 und Fig.40 dargestellte zylindrische Drehantrieb mit vier Biegeaktoren ist nur beispielhaft. Hinsichtlich der Anzahl der Antriebseinheiten bzw. der Biegeaktoren und einer Kaskadierung bestehen keine Beschränkungen.
Da alle Bauformen elektromagnetischer Drehantriebsvarianten auch mittels Festkörperaktoren oder anderer Aktoren darstellbar sind, wird auf eine Aus- führung im Einzelnen verzichtet.
Das erfindungsgemäße Antriebsprinzip ermöglicht elektrisch steuerbare Drehantriebe mit hohen Übersetzungen auf kleinem Raum, hohen Drehmomenten, einer hohen Positioniergenauigkeit und einer hohen Dynamik bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau.
Als Antriebsaktoren für den Konverter eignen sich alle Formen bekannter elektrischer und nichtelektrischer Aktoren.
Für alle Drehantriebe der erfindungsgemäßen Art können Mittel vorgesehen sein, welche die mechanische Führung des Konverters unterstützen und/oder eine Zwangsführung des Konverters bewirken, so dass sich die Verzahnungen in jedem Betriebszustand in einem sichern Eingriff befinden. Neben mechanischen Mitteln, wie z.B. Exzentern oder Kulissen, eignen sich hierfür insbesondere magnetische Mittel. Soweit die Statormittel PI, PX nicht bereits selbst eine hinreichende Eingriffskraft der Verzahnungen bereitstellen, können weitere aktive sowie passive Mittel, insbesondere Magnetmittel vorhanden sein, um die Eingriffskraft zu verstärken. Wie Fig.41 zeigt, können die Magnetmittel 13, 14 am Umfang (Innen und/oder Außen) des Konverters 3 so angeordnet sein, dass sie die durch die Statormittel PI, PX erzeugten Eingriffskräfte der Verzahnungen unterstützen bzw. verstärken. Die Magnetmittel weisen beispielsweise einen Ring oder eine Scheibe 12 auf oder bestehen aus diesen, an deren Umfang alternierd Magnetpole 13 (Südpole) und 14 (Nordpole) angeordnet sind. Der Konverter 3 besteht zumindest in diesen Bereichen aus fer- romagnetischem Material oder weist ein solches auf. Insbesondere ist die Hauptwirkrichtung der auf den Konverter 3 wirkenden Magnetmittel radial in Bezug auf die Motorwellenachse Ι-Γ. Der Konverter 3 führt um die Achse der Motorwelle Ι-Γ eine Taumelbewegung aus, bei welcher die Winkelposition des minmalen Abstands des Konverters 3 zu den Statormitteln bei laufendem Drehantrieb um die Achse der Motorwelle Ι- umläuft und/oder jede Winkelposition einnehmen kann, z.B. auch bei stehender Motorwelle des Drehantriebs. Insbesondere eignen sich deshalb Permanentmagneten als magnetische Mittel zur Unterstützung der Eingriffskraft der Verzahnungen, da derartige Magnetmittel im Bereich eines geringen Abstandes, xmin in Fig.41 zu einem ferromagnetischen Objekt, beispielsweise dem Konverter 3 oder ferro- magnetischen Bereichen des Konverters 3 größere Kräfte als im Bereich eines höheren Abstands, xmax in Fig.41, erzeugen und damit in der gewünschten Weise die Eingriffskraft der Verzahnungen erhöhen. Die Magnetmittel können beispielsweise eine Scheibe oder einen Ring mit einer Vielzahl radial angeordneter Permanentmagnete oder radial magnetisierten Materials oder Elektro- magnete aufweisen oder aus solchen bestehen.
Insbesondere können die Drehantriebe der erfindungsgemäßen Art Verzahnungen aufweisen, bei denen die Differenz in der Anzahl der Zähne der ersten Verzahnung des Konverters NKi zu der Anzahl der Zähne der Verzahnung des Motorgehäuses NG eins beträgt und/oder die Differenz in der Anzahl der Zähne der zweiten Verzahnung des Konverters NK2 zur Anzahl der Zähne der Verzahnung der Motorwelle Nw eins beträgt.
Inbesondere können die Drehantriebe der erfindungsgemäßen Art für die Verzahnungen NKi, NK2, NG und Nw zykloidische Zahnformen und/oder Evolventenzahnformen aufweisen.
Fig.42 zeigt in detaillierterer Darstellung die in Fig.3 abgebildeten Grundvarianten des Drehantriebs.
Die in Fig.42 dargestellten Varianten weisen jeweils einen ersten Körper 1, einen zweiten Körper 2 und einem dritten Körper 3 auf. Körper 1 und Körper 2 sind bezüglich einer gemeinsamen Drehachse l-l' koaxial angeordnet und drehbar gelagert. Die Drehlagerungen sind in Fig.42 nicht dargestellt. Körper 1 weist die Verzahnung NG/ Körper 2 die Verzahnung Nw auf. Die Verzahnungen NG und NW sind bezüglich der Drehachse Ι- koaxial. Körper 3 weist zwei Verzahnungen NKi, NK2 auf, wobei die Mittelpunkte der Teilkreise der Verzahnungen NKI, NK2 auf einer Wälzachse J-J' liegen. Die Verzahnung NKi ist in der Verzahnung NG abwälzbar und die Verzahnung N 2 ist in der Verzahnung NW abwälzbar. Die Wälzachse J-J' weist bezüglich der Drehachse Ι-Γ eine Exzentrizität e auf.
Die Aktoren, die auf den Körper 3 in der Ebene senkrecht zur Drehachse Ι- wirkende Kräfte ausüben können, sind in Fig.42 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Aus dem gleichen Grund nicht dargestellt in Fig.42 sind Exzenter, die zur drehverschieblichen Zwangsführung des Körpers 3 vorhanden sein können, über die aber kein Energieeintrag in das System erfolgt.
Durch Aktoren können in der Ebene senkrecht zur Drehachse l-l' wirkende Kräfte auf den Körper 3 ausgeübt werden, die diesen exzentrisch um die Drehachse Ι- verschieben, wobei sich die Achse J-J' des Körpers 3 auf einer Kreisbahn mit der Exzentrizität e um die Drehachse Ι- bewegt. Hierbei wälzt sich die Verzahnung NKi in der Verzahnung NG und die Verzahnung NK2 in der Verzahnung NW ab, wodurch der Körper 1 in Bezug auf den Körper 2 um die Drehachse Ι-Γ in Rotation versetzt wird. Die Leistung des Drehantriebs verzweigt sich auf Körper 1 und Körper 2.
Wird einer der Körper 1 oder 2 drehfest gehalten, z.B. indem dieser mit einer Trägerstruktur (Gehäuse) verbunden wird, so wird die Leistung des Drehantriebs vollständig an den anderen Körper abgegeben, der zur (Motor) Welle wird.
Wird der Körper 1 als drehfest angenommen indem dieser mit einer Trägerstruktur verbunden wird, so wird diese Trägerstruktur als Gehäuse 1 und der Körper 2 als Welle 2 bezeichnet.
Die Verzahnungspaarung gebildet aus Verzahnung des ersten Körpers und erster Verzahnung des dritten Körpers (Konverter) bildet eine erste
Umsetzerstufe (Getriebestufe).
Die Verzahnungspaarung gebildet aus Verzahnung des zweiten Körpers und zweiter Verzahnung des dritten Körpers (Konverter) bildet eine zweite Umsetzerstufe (Getriebestufe). Die in Fig.42 gezeigten Grundvarianten weisen insbesondere folgende Merkmale und Eigenschaften auf:
Fig.42.1.: Die Verzahnung NKi ist eine Innenverzahnung, die Verzahnung NK2 ist eine Außenverzahnung: Die Drehgeschwindigkeiten beider Umsetzerstufen addieren sich. Der Drehsinn der Welle 2 ist gleichsinnig zum Umlaufsinn der Verschiebung des Konverters 3.
Fig.42.2: Die Verzahnung NKi ist eine Außenverzahnung, die Verzahnung N 2 ist eine Innenverzahnung: Die Drehgeschwindigkeiten beider Umsetzerstufen addieren sich. Der Drehsinn der Welle 2 ist entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Verschiebung des Konverters 3.
Fig.42.3: Die Verzahnungen NK_ und N 2 sind beide Innenverzahnungen: Der Drehsinn der ersten Umsetzerstufe ist gleichsinnig, der der zweiten
Umsetzerstufe gegensinnig zum Umlaufsinn des elektrischen
Bestromungsmusters. Die Drehgeschwindigkeiten beider Umsetzerstufen sind entgegengerichtet. Der resultierende Drehsinn der Welle 2 hängt vom Verhältnis der Übersetzung der ersten zur zweiten Umsetzerstufe ab und kann sowohl gleichsinnig als auch entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Verschiebung des Konverters 3 sein.
Fig.42.4: Beide Verzahnungen NKi und NK2 sind Außenverzahnungen: Der Drehsinn der ersten Umsetzerstufe ist gegensinnig, der der zweiten
Umsetzerstufe gleichsinnig zum Umlaufsinn des elektrischen
Bestromungsmusters. Die Drehgeschwindigkeiten beider Umsetzerstufen sind entgegengerichtet. Der resultierende Drehsinn der Welle 2 hängt vom Verhältnis der Übersetzung der ersten zur zweiten Umsetzerstufe ab und kann sowohl gleichsinnig als auch entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Verschiebung des Konverters 3 sein.
Fig.43 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehantriebes mit einer Leistungsverzweigung auf zwei Wellen 2, 4.
Hierbei sind der erste Körper und der zweite Körper drehbar in einer Trägerstruktur 1 (Gehäuse) gelagert. Der drehbar gelagerte erste Körper stellt in Fig.43 die Welle 4 dar. Der drehbar gelagerte zweite Körper stellt in Fig.43 die Welle 2 dar. Beide Wellen sind in dem Gehäuse 1 bezüglich einer Drehachse I- Γ mittels Lagerungsmitteln 8 koaxial gelagert. Die Welle 4 besitzt die Verzahnung NG. Die Welle 2 besitzt die Verzahnung N . Der Konverter 3 besitzt zwei bezüglich einer Wälzachse J-J' koaxial angeordnete Verzahnungen NKi und NK2- Die Wälzachse J-J' weist bezüglich der Drehachse Ι- eine Exzentrizität e auf. Die Verzahnung NKi des Konverters 3 ist in der Verzahnung NG der Welle 4 abwälzbar und die Verzahnung N 2 des Konverters 3 ist in der Verzahnung Nw der Welle 2 abwälzbar. Somit ist der gesamte Konverter 3 in den Verzahnungen exzentrisch rotierend abwälzbar. Die Exzentrizität der Wälzachse des Konverters J-J' bezüglich der Drehachse Ι- der Wellen beträgt e. Gl.(l) ist weiter- hin anwendbar, wobei Ω in diesem Fall die Drehzahl und Drehrichtung von
Welle 2 relativ zu Welle 4 angibt.
Sind beide Wellen 2,4 Ausgangswellen, an denen äußere Lastmomente angreifen können, so weist der in Fig.43 gezeigte Drehantrieb Eigenschaften eines elektrisch angetriebenen Differenzials auf, d.h. die elektromechanische Leistung des Drehantriebs verteilt sich auf beide Ausgangswellen. Wird beispielsweise die Welle 2 in Bezug auf das Gehäuse 1 festgelegt, wird die gesamte Antriebsleistung auf die Welle 4 übertragen. Umgekehrt überträgt sich bei Festlegung der Welle 4, die gesamte Leistung auf Welle 2. Wirken auf beide Wellen Lastmomente, so teilt sich die Antriebsleistung des Drehantriebes auf beide Wellen auf. Das Prinzip der Leistungsverzweigung auf zwei Wellen ist auf alle durch diese Anmeldung abgedeckten Bauformen und Varianten des erfindungsgemäßen Drehantriebs anwendbar, wozu der erste Körper und der zweite Körper drehbar gelagert und als Wellen ausgeführt werden. Die ver- schiedenen Varianten werden deshalb nicht gesondert behandelt.
Bei dem in Fig.43 dargestellten Drehantrieb kann aber auch eine der Wellen eine (extern angetriebene) Eingangswelle und die jeweils andere Welle eine Ausgangswelle (Abtriebswelle) sein. Hierzu kann die Eingangswelle direkt oder indirekt, mittels mechanischer Übertragungsmittel wie z.B. einer Kette, einem Zahnriemen oder von einem beliebigen anderen Antrieb angetrieben sein, beispielsweise einem Elektromotor, einem Verbrennungsmotor, durch Windkraft, durch hydraulische Kräfte oder durch Wasserkräfte und die Ausgangswelle eine Last antreiben, z.B. die Nockenwelle eines Kraftfahrzeuges, einen Kompressor oder einen Generator. Dreht sich die Eingangswelle mit der me- chanischen Drehfrequenz coE kann durch phasensynchrone Ansteuerung der
Aktoren, wie den in Fig.43 dargestellten Elektromagneten mit den Magnetpolen PI, PX, aufweisend oder bestehend aus Spule 7.X, Kern 5.X und Polschuh 6.X, mit der elektrischen Umlauffrequenz coei = ωΕ eine phasenstarre Kopplung der Eingangswelle mit der Ausgangswelle erreicht werden, bei der sich die Ausgangswelle mit derselben Drehfrequenz bewegt wie die Eingangswelle. Die mechanische Leistung der Eingangswelle des Drehantriebs wird hierbei durch die formschlüssige Verbindung der Eingangswelle über den Konverter 3 mit der Ausgangswelle auf die Ausgangswelle übertragen. Zur Erfassung der Eingangswellendrehzahl und/oder der Ausgangswellendrehzahl kann der Drehantrieb über in Fig.43 nicht dargestellte Sensormittel, z.B. Hallsensoren, Encoder und elektrische Auswerte- und Ansteuerungsmittel (Ansteuerungs- elektronik und Software zur Bewegungssteuerung) verfügen, oder die Positi- ons- und/oder Lastinformationen werden aus den elektrischen Größen der Aktoren extrahiert. Durch Erhöhung oder Erniedrigung von coei in Bezug auf die mechanische Drehfrequenz ωΕ können zwischen Eingangs- und Ausgangswelle positive oder negative Differenzdrehzahlen eingestellt werden. Durch Frequenz- und/oder Phasenmodulation von ωει kann die Differenzdrehzahl zeitlich variabel gestaltet sein. Beispielsweise kann durch periodische Frequenz und/oder Phasenmodulation von ωβι eine bezüglich der mechanischen Phase von coE periodische Vor- und/oder Rückversteilung der Ausgangswelle bezüglich der Eingangswelle erreicht werden. Der in Fig.43 gezeigte Drehantrieb kann damit die Funktion eines Phasensteliers ausüben. Derartige Phasensteiler finden beispielsweise zur IMockenwellenverstellung bei Kfz-Verbren- nungsmotoren Anwendung, um Ein- und Auslassventile kennfeldabhängig zu steuern. Insbesondere wird die Hauptantriebsleistung der Ausgangswelle des Drehantriebs dabei von der Eingangswelle zur Verfügung gestellt, während der Drehantrieb die zur Aufrechterhaltung des Formschlusses und zum Verstellen der Ausgangswelle in Bezug auf die Eingangswelle benötigte Leistung bereitstellt. Zur Unterstützung des formschlüssigen Kraftflusses zwischen den Wellen 2,4 und dem Konverter 3, kann der Konverter 3 bezüglich Drehungen um die Achse J-J' drehbar und bezüglich der Achse l-l' exzentrisch bewegbar gelagert sein, z.B. mit Hilfe eines Exzenters. Der Leistungsbedarf für den Exzenter ist gering, da dieser geschleppt wird. Zusätzlich kann der Exzenter durch eine geeignete Massenverteilung zur Kompensation der durch die exzentrische Bewegung des Konverters verursachten Unwucht dienen.
Eingangswelle- und Ausgangswelle sind in ihrer Funktion vertauschbar, d.h. jede der Wellen 2,4 in Fig.43 kann als Eingangs- oder Ausgangswelle dienen.
Fig.44 zeigt perspektivische Ansichten eines Drehantriebs, seiner Funktionselemente sowie deren Anordnung. Fig.44a zeigt den assemblierten Drehantrieb u.a. mit Gehäuse 1, Welle 2 und Lagerungsmitteln 8 für die Welle 2. Fig.44b zeigt den Stator 5 mit den Spulenwicklungen 7 der Elektromagnete sowie einen Ring 3.3 des Konverters 3 aus ferromagnetischem Material.
Fig.44c zeigt den Stator 5 mit eingesetztem Konverter 3 in einer Vorderansicht sowie in Fig.44d in einer Rückansicht. Wie in Fig.44f dargestellt, kann der Konverter 3 aus einem ferromagnetischen Ring 3.3, einer Hohlachse 3.4 sowie zwei Zahnrädern 3.1 und 3.2 aufgebaut sein. Der gebaute Aufbau erleichtert die Herstellung des Konverters und es können an die Anforderungen ange- passte Materialien eingesetzt werden.
Hierzu werden die Elemente 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 miteinander mechanisch verbunden. Der so gebildete Konverter 3 weist das Zahnrad 3.2 mit der Außen- Verzahnung NK2 auf, die sich in der Wellenverzahnung Nw abwälzen kann, siehe Fig.44c. Zahnrad 3.1 des Konverters 3 weist die Außenverzahnung NKi auf, die sich in der Gehäuseverzahnung NG abwälzen kann, siehe Fig.44d. Die Anordnung der einzelnen Komponenten des Drehantriebs geht inbesondere aus der Schnittansicht Fig.44e hervor. Teilweise sichtbar sind der Stator 5, die Pol- schuhe 6, die Spulenwicklungen 7 der Elektromagnete, die Hohlachse 3.4, der
Ring 3.3 des Konverters aus ferromagnetischem Material, die Welle 2, und die Zahnräder 3.1, 3.2. Wie in Fig.44g gezeigt, kann der Konverter 3 durch einen auf der Welle 2 gelagerten Exzenter 9 geführt sein. Zum Unwuchtausgleich weist der Exzenter 9 bezüglich seiner Drehachse eine asymmetrische Massen- Verteilung auf, gebildet durch die Masse 16 und die Ausnehmung 15, so dass bezüglich der Drehachse der Schwerpunkt des Exzenters dem Schwerpunkt des Konverters gegenüberliegt. Mit seiner Innenfläche 9.1 ist der Exzenter 9 auf der Welle 2 und mit seiner Außenfläche 9.2 in der Hohlachse 3.4 des Konverters 3 drehbar gelagert.
Ein Drehantrieb eines erfindungsgemäßen Beispiels kann insbesondere aufweisen :
- mindestens eine Motorwelle mit mindestens einer Verzahnung
- ein Motorgehäuse mit mindestens einer Verzahnung oder ein Motorgehäuse ohne Verzahnung mit einer zweiten Motorwelle mit mindestens einer Verzahnung
- ein bezüglich der Motorwellenachse in radialer Richtung bewegliches Element mit mindestens zwei zueinander konzentrisch angeordneter Verzahnu gen die in den Verzahnungen des Motorgehäuses und der Motorwelle abwälzbar sind - eine Anordnung des beweglichen Elementes zwischen Motorwelle und Motorgehäuse die eine exzentrische Rotationsbewegung ermöglicht
- schaltbare Statormittel zur Erzeugung mechanischer Kräfte auf das bewegliche Element - Mittel zur Ansteuerung der schaltbaren Statormittel
- Mittel zur Erfassung der elektrischen Größen der schaltbaren Statormittel
- Mittel zur Positionserfassung des beweglichen Elementes
Das erfindungsgemäße Antriebsprinzip ermöglicht elektrisch steuerbare Drehantriebe mit hohen Übersetzungen auf kleinem Raum, hohen Drehmo- menten, einer hohen Positioniergenauigkeit und einer hohen Dynamik bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau.

Claims

Patentansprüche
Drehantrieb
mit einem ersten Körper, der eine entlang eines ersten kreisförmigen Umfangs um eine erste Rotationsachse umlaufende Zahnung des ersten Körpers aufweist,
einem zweiten Körper, der eine entlang eines zweiten kreisförmigen Umfangs um die erste Rotationsachse umlaufende Zahnung des zweiten Körpers aufweist,
sowie mit einem Konverter, der eine entlang eines kreisförmigen Umfangs mit einem ersten Abstand um eine zweite Rotationsachse umlaufende erste Zahnung des Konverters und eine zu dieser koaxial mit einem entlang eines kreisförmigen Umfangs mit einem zweiten Abstand umlaufende zweite Zahnung des Konverters aufweist,
wobei die zweite Rotationsachse zu der ersten Rotationsachse parallel ist und von dieser beabstandet ist,
sowie mit zumindest zwei Aktoren mit zueinander nicht parallelen Wirkrichtungen, mittels derer der Konverter jeweils in eine Richtung verschiebbar ist,
wobei die erste Zahnung des Konverters in einem ersten Eingriffsbereich mit der Zahnung des ersten Körpers im Eingriff ist,
wobei die zweite Zahnung des Konverters in einem zweiten Eingriffsbereich mit der Zahnung des zweiten Körpers im Eingriff ist, und wobei der Konverter mittels der zumindest zwei Aktoren so in jeweils einer Richtung verschiebbar ist, dass die zweite Rotationsachse entlang einer Kreisbahn um die erste Rotationsachse umläuft.
Drehantrieb nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei der erste Abstand ungleich dem zweiten Abstand ist.
Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Zahnung des ersten Körpers eine Innenzahnung und die erste Zahnung des Konverters eine Außenzahnung ist oder die Zahnung des ersten Körpers eine Außenzahnung und die erste Zahnung des Konverters eine Innenzahnung ist und/oder die Zahnung des zweiten Körpers eine Innenzahnung ist und die zweite Zahnung des Konverters eine Außenzahnung ist oder die Zahnung des zweiten Körpers eine Au- ßenzahnung ist und die zweite Zahnung des Konverters eine Innenzahnung ist.
Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
mit einer Trägerstruktur, vorzugsweise einem Gehäuse als Trägerstruktur,
wobei die zumindest zwei Aktoren fest mit der Trägerstruktur verbunden sind und/oder entweder der erste oder der zweite Körper fest mit der Trägerstruktur verbunden ist und/oder Teil der Trägerstruktur ist.
Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
mit einer Trägerstruktur, vorzugsweise einem Gehäuse als Trägerstruktur, wobei die zumindest zwei Aktoren fest mit der Trägerstruktur verbunden sind,
und der erste Körper und der zweite Köper gegenüber den Aktoren drehbar ist, wobei vorzugsweise der Drehantrieb ein Phasensteiler ist.
Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei mit dem ersten Körper und/oder dem zweiten Körper jeweils eine Welle verbunden ist oder der erste und/oder der zweite Körper Teil jeweils einer Welle ist.
Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei durch die Wirkung jedes der Aktoren der Konverter jeweils nur in jene Richtung bewegbar ist, in welcher der entsprechende Aktor wirkt, vorzugsweise in Richtung des entsprechenden Aktors und/oder von dem entsprechenden Aktor weg.
Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
mit zumindest einem Exzenter, der um die erste Rotationsachse umlaufen kann, und der so angeordnet ist, dass er eine Bewegung des Konverters und/oder eines Drehlagers des Konverters in zur ersten Rotationsachse radialer Richtung, durch welche die Zahnung des ersten und/oder der zweiten Körpers mit der entsprechenden Zahnung des Konverters außer Eingriff gebracht würde, blockiert.
Drehantrieb nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei der Exzenter einen außen umlaufenden Kontaktbereich aufweist, der mit einem innen umlaufenden Kontaktbereich des Konverters zumindest in einem Bereich in Berührung ist, der radial relativ zur ersten Rotationsachse in gleicher Richtung oder in entgegengesetzter Richtung wie der erste und/oder der zweite Eingriffsbereich angeordnet ist,
oder wobei der Exzenter einen innen umlaufenden Kontaktbereich aufweist, die mit einem außen umlaufenden Kontaktbereich des Konverters zumindest in einem Bereich in Berührung ist, der radial relativ zur ersten Rotationsachse in gleicher Richtung oder in entgegengesetz ter Richtung wie der erste und/oder der zweite Eingriffsbereich angeordnet ist.
Drehantrieb nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Exzenter eine, vorzugsweise kreisförmige, Scheibe, Ring oder Zylinder ist, der oder die um die erste Rotationsachse drehbar ge lagert ist, und deren Symmetrieachse gegenüber der ersten Rotationsachse radial relativ zur ersten Rotationsachse in Richtung des ersten Eingriffsbereichs oder vom ersten Eingriffsbereich weg und/oder in Richtung des zweiten Eingriffsbereichs oder vom zweiten Eingriffsbereich weg versetzt ist.
Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
mit zumindest einer Ausgleichsmasse, die so angeordnet ist, dass ihr Schwerpunkt einem Schwerpunkt des Konverters in jeder Lage des Konverters relativ zur ersten Rotationsachse radial gegenüberliegt oder radial in gleicher Richtung liegt wie der Schwerpunkt des Konverters.
Drehantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
wobei ein Schwerpunkt des Exzenters einem Schwerpunkt des Konverters in jeder Lage des Konverters relativ zur ersten Rotationsachse ra- dial gegenüberliegt oder in gleicher Richtung liegt wir der Schwerpunkt des Konverters.
13. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Aktoren jeweils eine Kraft unmittelbar auf den Konverter ausüben.
14. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
wobei die Aktoren jeweils eine Kraft auf eine auf der zweiten Rotationsachse liegende Achse oder ein auf der zweiten Rotationsachse liegendes Drehlager des Konverters, auf welchem der Konverter drehbar gelagert ist, ausüben und vorzugsweise mit der Achse oder dem Drehlager fest verbunden sind.
15. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei mit den Aktoren jeweils eine lineare Kraft in genau einer Richtung bewirkbar ist.
16. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Aktoren elektrisch steuerbare Festkörperaktoren, piezoelektrische Aktoren, magnetostriktive Aktoren, dielektrische Aktoren, Elektroaktive Polymeraktoren (EAP), magnetoelastische Aktoren, elektromagnetische Aktoren, elektrodynamische Aktoren, Elektromag- nete, elektrostatische Aktoren, elektrostatische Kamm-Aktoren, Festkörperaktoren, Bimetallaktoren, und/oder Aktoren mit zumindest einer Spule und zumindest einem Kern sind.
17. Drehantrieb, wobei der Konverter ein ferromagnetisches Material aufweist oder zumindest teilweise aus einem solchen besteht.
18. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei ineinandergreifende der Zahnungen eine
Zykloidenzahnpaarung und/oder eine Evolventenzahnpaarung bilden.
19. Verfahren zum Betrieb eines Drehantriebes nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Aktoren so umlaufend so angesteuert und/oder bestromt werden, dass sie eine um die erste Rotationsachse umlaufende Kraft auf den Konverter und/oder ein Drehlager des Konverters bewirken.
20. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei durch die Aktoren auf den Konverter und/oder das Drehlager jeweils eine anziehende und/oder abstoßenden Kraft ausgeübt wird.
21. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
wobei zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils genau ein Aktor aktiv ist und/oder mehrere Aktoren voll aktiv sind und/oder mehrere Aktoren phasenversetzt aktiv sind. 22. Verfahren zum Betrieb eines Drehantriebes nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils genau ein Aktor bestromt wird oder wobei die Aktoren mit sinusförmigen Stromverläufen bestromt werden, wobei vorzugsweise der Drehantrieb zumindest drei bezüglich der Ebene senkrecht zur Rotationsachse und bezüglich der Rotationsachse symmetrisch angeordnete Aktoren aufweist, wobei bevorzugt benachbarte Aktoren mit Strom benachbarter Phasen bestromt werden und wobei eine Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten Phasen 360° geteilt durch die Anzahl der Aktoren beträgt.
23. Verfahren zur Detektion von Lastmomenten in einem Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
wobei ein Lastmoment zwischen dem ersten Körper und einer Trägerstruktur und/oder dem zweiten Körper und der Trägerstruktur und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Körper bestimmt wird, indem Amplituden und/oder Phasenbeziehungen zwischen den elektrischen Größen Strom, Spannung und/oder Ladung der Aktoren mittels elektronischer Auswertemittel und/oder durch Auswertung von elektrischen Induktivitäten, elektrischen Kapazitäten und/oder elektrischen Widerständen der Aktoren detektiert wird. 24. Verfahren zur Drehzahlerfassung und/oder Positions- und/oder Lageerfassung eines Drehantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Drehzahl und/oder die Position und/oder die Lage des Konverters in Bezug auf eine Trägerstruktur und/oder des ersten Körpers und/oder des zweiten Körpers in Bezug auf die Trägerstruktur und/oder der Körper in Bezug zueinander durch Auswertung der Amplituden und/oder Phasenbeziehungen zwischen den elektrischen Größen Strom, Spannung und/oder Ladung der Aktoren mittels elektronischer Auswertemittel und/oder durch Auswertung von elektrischen Induktivitäten, elektrischen Kapazitäten und/oder elektrischen Widerständen der Aktoren detektiert wird.
Verfahren zur Drehzahl- und/oder Positions- und/oder Lastmomenterfassung eines Drehantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 18, mit Sensoren zur Erfassung von Drehzahl und/oder Position und/oder Lage und/oder Lastmoment des Konverters in Bezug auf eine Trägerstruktur und/oder des ersten Körpers und/oder des zweiten Körpers in Bezug auf die Trägerstruktur und/oder der Körper in Bezug zueinander.
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