DE102005054912B4

DE102005054912B4 - Linearstellantrieb

Info

Publication number: DE102005054912B4
Application number: DE200510054912
Authority: DE
Inventors: Vladimir Vladimirovich Popov; Andreas Stadler; Helmut Schneider
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: DE102005054912A1

Abstract

Linearstellantrieb mit
einem Rotor (10), der wenigstens einen Rotormagneten (12) aufweist,
einem Stator (14), der Polbleche und Statorspulen (18) aufweist,
einer Gewindemutter (30), die mit dem Rotor (10) drehfest verbunden ist,
einer Stellstange (32) mit einem Außengewinde (34), das in der Gewindemutter (30) geführt ist, wobei eine Drehbewegung des Rotors (10) in eine Linearbewegung der Stellstange (32) übersetzt wird,
wobei
die Statorspulen (18) koaxial zu dem Rotormagneten (12) in axialer Richtung neben diesem angeordnet sind, und
zwei Kugellager (28) zur Lagerung des Rotors (10) relativ zu dem Stator (14) radial innerhalb des Rotormagneten (12), zwischen dem Rotormagneten (12) und der Stellstange (32) angeordnet sind, so daß die axiale Länge des Antriebs sich im wesentlichen aus der axialen Baulänge des Rotormagneten (12) und axialen Baulänge der Statorspulen (18) ergibt, und wobei
die Außenringe der Kugellager (28) mit dem Rotormagneten (12) und die Innenringe...

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearstellantrieb mit einem Rotor, der wenigstens einen Rotormagneten aufweist, einem Stator, der Polbleche und Statorspulen aufweist, einer Gewindemutter, die mit dem Rotor drehfest verbunden ist, und einer Stellstange mit einem Außengewinde, das in der Gewindemutter geführt ist, wobei eine Drehbewegung des Rotors in eine Linearbewegung der Stellstange übersetzt wird. Ein derartiger Linearstellantrieb ist aus der EP 1 363 382 A1 bekannt. Bei dem bekannten Stellmotor ist der Rotor mittels eines in seiner Mitte angeordneten, einzigen Lagers gelagert. Die Nabe des Rotors ist als Hülse mit Innengewinde ausgeführt. Der Gewindeteil der Stellstange greift in das Gewinde der Rotorhülse ein. Die Stellstange ist gegen Verdrehen gesichert und kann somit je nach Drehrichtung des Rotors in der einen oder anderen Richtung verschoben werden. Die Statorspulen liegen radial außerhalb des Rotors, umgeben von den Polblechen. Dadurch wird ein relativ kompakter Aufbau erzielt. Um einen hinreichenden Stellweg der Stellstange ohne Verkippen zu gewährleisten, wird die Stellstange nicht nur im Bereich des Lagers, sondern zusätzlich in einige Entfernung vom Zentrum des Motors in einem Gehäusefortsatz abgestützt. Dadurch vergrößert sich die Baulänge des Motors in axialer Richtung.
CH 586 583 A offenbart einen Linearstellantrieb, der mit zwei axial zueinander angeordneten Motoren ausgerüstet ist. Jeder Motor weist einen Rotor und einen Stator auf. Mit jedem Rotor ist eine Gewindemutter drehfest verbunden, die mit dem Außengewinde einer Stellstange in Eingriff steht. Die Statorspulen sind jeweils koaxial zu den Rotorscheiben und in axialer Richtung neben diesen angeordnet. Diese Schrift zeigt ferner, daß jeder Rotor mit zwei Kugellagern relativ zum jeweiligen Stator gelagert ist.
Die Erfindung betrifft allgemeiner Linearstellantriebe, die als Klauen-Schrittmotor oder andere Art von Elektromotor ausgeführt sind und eine Drehbewegung des Rotors in eine Linearbewegung der Stellstange übersetzen. Die Umsetzung erfolgt über eine Mutter oder Gewindehülse, die mit dem Rotor dreht. Die Mutter greift in ein Außengewinde, das auf der Stellstange aufgebracht ist. Die Stellstange ist über einen Führungsstift gegen Verdrehen gesichert. Der Führungsstift wiederum kann sich in einer Führungsnut in axialer Richtung bewegen. Dreht nun der Rotor mit der Mutter, so wird die Stellstange in axialer Richtung entlang der Führungsnut bewegt.
Bei den bekannten Linearstellantrieben ist die axiale Länge des Rotormagneten ungefähr gleich der axialen Länge der Spulen, welche den Rotormagneten koaxial umgeben und ihm gegenüber liegen. Die axiale Länge des Anstriebs muß dabei ausreichend sein, um eine kippsichere Abstützung der Stellstange zu gewährleisten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Linearstellantrieb anzugeben, der möglichst kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Linearstellantrieb mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist der Linearstellantrieb der eingangs genannten Art so aufgebaut, daß die Statorspulen koaxial zu dem Rotormagneten in axialer Richtung neben diesem angeordnet sind. Durch die Anordnung der Spulen neben dem Rotormagneten läßt sich der Außendurchmesser des Linearstellantriebs deutlich reduzieren. Zwar vergrößert sich die axiale Länge des Antriebs im Vergleich zu beispielsweise der EP 1 363 382 A1 . Diese axiale Verlängerung des Antriebs kann jedoch vorteilhaft zur kippsicheren Abstützung der Stellstange genutzt werden, ohne daß ein Gehäusefortsatz notwendig wäre, der selbst keine nutzbaren Teile des Antriebs enthält, sofern der lineare Verstellweg kleiner als die halbe Länge des Motors ist. Die Anordnung der Spulen neben dem Rotormagneten hat den vorteilhaften Nebeneffekt, daß in axialer Richtung die Länge des Magneten und die Länge der Summe der Spulen unterschiedlich sein kann.
Erfindungsgemäß sind zwei Kugellager zur Lagerung des Rotors relativ zu dem Stator radial innerhalb des Rotormagneten angeordnet, so daß sich die axiale Länge des Antriebs im wesentlichen aus der axialen Baulänge des Rotormagneten und der axialen Baulänge der Spulen ergibt. Dadurch kann neben einer Reduzierung des Durchmessers des Antriebs auch die axiale Baulänge des Antriebs minimiert werden.
Erfindungsgemäß sind die Außenringe der Kugellager mit dem Rotormagneten und ihre Innenringe mit dem Stator gekoppelt, wobei die Gewindemutter zwischen den Kugellagern angeordnet ist. Die Gewindemutter wird vorzugsweise durch eine Metallscheibe gebildet, die ähnlich aufgebaut sein kann wie eine im Stand der Technik an und für sich bekannte Blechmutter. Solche Blechmuttern sind im Stand der Technik zur Festlegung zweier Bauteile relativ zueinander bekannt, wurden bisher jedoch noch nicht eingesetzt, um eine gezielte Relativdrehung einer Gewindestange zur Blechmutter zu erzeugen.
Die Verwendung einer Metallscheibe als Gewindemutter hat den Vorteil, daß die Gewindemutter besonders einfach herstellbar ist und ein Minimum an axialem Bauraum für ihren Einbau benötigt. Da bei dem erfindungsgemäßen Antrieb die Statorspulen in axialer Richtung neben dem Rotormagneten angeordnet ist, sollte vermieden werden, daß die axiale Baulänge des Antriebs durch die Gewindemutter weiter vergrößert wird. Eine Gewindemutter in Form einer Blechscheibe ist deshalb besonders vorteilhaft. Ferner hat die erfindungsgemäße Gewindemutter im Vergleich zu herkömmlichen mehrgängigen Gewinden den Vorteil, daß sie einfacher hergestellt werden kann, weil ein aufwendiger Gewinde-Schneidvorgang vermieden werden kann.
Die Gewindemutter hat vorzugsweise einen Gewindegang kleiner gleich 360°. Sie kann beispielsweise durch einen Stanz-Präge-Vorgang aus Blech hergestellt werden.
Vorzugsweise besteht das Innengewinde der Gewindemutter und/oder das Außengewinde der Stellstange aus Metall und ist mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen. Dadurch kann vermieden werden, daß der Lineargewindetrieb gefettet werden muß.
Die reibungsvermindernde Beschichtung kann beispielsweise eine DLC(Diamond like Carbon)-Schicht oder eine Schicht aus einem Trägermaterial, wie Epoxid, aufweisen, in das Gleitpartikel, wie PTFE oder Graphit, eingelagert sind. Die Schicht kann auch über ein chemisches oder physikalisches Beschichtungsverfahren wie Galvanik, CVD (chemical vapor deposition) oder PVD (physical vapor deposition) aufgebracht werden. Solche Verfahren können zum Beispiel zum Nitrieren, Verchromen, Vernickeln, Vernickeln mit eingelagerten PTFE Partikeln oder zum Aufbringen ähnlicher Oberflächen veredelnder Schichten verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Linearstellantrieb als ein Klauenschrittmotor ausgebildet, wobei die Polbleche Klauen aufweisen, die mit den Statorspulen gekoppelt sind und die den Rotormagneten umgreifen.
Die Stellstange ist in der bevorzugten Ausführung durch die Gewindemutter sowie durch ein Gehäuseteil oder einen Flansch des Linearstellantriebs abgestützt. Es ist jedoch nicht notwendig, daß dieser Gehäuseteil oder Flansch in axialer Richtung über die eigentliche axiale Baulänge des Antriebs hinaus verlängert ist.
Der Linearstellantrieb gemäß der Erfindung kann beispielsweise in Automotiv-Anwendungen, in denen das Stellelement zum Einstellen eines Frontscheinwerfers mit Leuchtweitenregulierung oder Kurvenlicht oder anderer an einem Kraftfahrzeug befindlicher Teile verwendet wird, eingesetzt werden.
Die Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Linearstellantrieb gemäß der Erfindung;
2 eine perspektivische Außensicht des Linearstellantriebs der 1;
3 eine perspektivische Darstellung der Gewindemutter, die in dem Linearstellantrieb der 1 verwendet wird; und
4 eine perspektivische Darstellung der Gewindemutter der 3, die auf eine Stellstange aufgebracht ist.
Der in 1 gezeigte Linearstellantrieb ist als Klauenschrittmotor ausgebildet. Er umfaßt einen Rotor 10 mit einem Permanentmagneten 12 sowie einen Stator 14 mit Polblechen 16, welche als Polklauen ausgebildet sind, und Statorspulen 18. Die Statorspulen 18 sind in eine Spulenisolation 20 eingebettet und mit Spulenanschlüssen 22 verbunden. Ein erster und ein zweiter Flansch 24, 26 bilden feststehende Teile eines Gehäuses und sind mit dem Stator 14 verbunden. Zur Lagerung des Rotors 10 sind zwei Kugellager 28 vorgesehen, deren Außenringe mit dem Rotormagneten 12 verbunden sind und deren Innenringe in den Flansch 24 bzw. 26 abgestützt sind. Zwischen den beiden Kugellagern 28 ist eine Gewindemutter 30 in Form einer Blechscheibe angeordnet, die mit Bezug auf die 3 und 4 genauer beschrieben ist. Die Gewindemutter ist zwischen den Außenringen der Kugellager 28 gehalten und mit dem Rotor 10 festverbunden. Eine Stellstange 32, oder Gewindespindel, mit einem Außengewinde 34 ist mit der Gewindemutter 30 in Eingriff, so daß eine Drehbewegung der Gewindemutter 30 in eine Translationsbewegung der Stellstange 32 übersetzt wird. Als Verdrehsicherung ist in dem Flansch 26 eine Führungsnut 36 ausgebildet, in der ein Führungsstift 38 der Stellstange 32 geführt ist.
Wie in 1 dargestellt, sind bei dem erfindungsgemäßen Motor die Statorspulen 18 axial neben dem Permanentmagneten 12 des Rotors angeordnet. Dadurch kann der Motordurchmesser im Vergleich zu bekannten Motoren verringert werden. Da die Kugellager 28 radial innerhalb des Permanentmagneten 12 liegen, tragen sie nicht zusätzlich zur axialen Baulänge des Motors bei. Auch durch die Verwendung einer Blechscheibe als Gewindemutter 30 kann die axiale Baulänge des Motors trotz der Anordnung der Statorspulen 18 neben dem Permanentmagneten 12 kurzgehalten werden. Die axiale Länge des Motors ist ausreichend, um die Stellstange 32 in dem Flansch 26 abzustützen, ohne daß ein zusätzlicher axialer Fortsatz notwendig wäre, um ein Verkippen der Stellstange 32 zu verhindern.
Die Polbleche 16 sind mit den Spulen 18 gekoppelt und umgreifen den Permanentmagneten 12, um so eine wirksame Magnetflußübertragung von den Statorspulen 18 auf den Permanentmagneten 12 zu bewirken.
Wie auch aus 2 zu erkennen ist, in der gleiche Teile wie in 1 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind, kann mit der Erfindung ein besonders kompakter Linearstellantrieb aufgebaut werden, der minimale Abmessungen in radialer und axialer Richtung hat und gleichwohl eine stabile, kippsichere Führung der Stellstange 32 erlaubt.
3 zeigt ein Beispiel für die Gewindemutter 30, die aus einer Blechscheibe hergestellt ist. Die Gewindemutter 30 weist ein eingängiges Gewinde kleiner gleich 360° auf. Sie kann in Richtung der Achse der Gewindebohrung in einem Stanz-Präge-Vorgang aus einem Blech hergestellt werden. In der gezeigten Ausführung weist die Mutter 30 einen Verstärkungsring 42 an ihrem Außenumfang auf. Dieser Verstärkungsring kann ebenfalls während des Stanz-Präge-Vorgangs hergestellt oder zusätzlich auf dem Umfang der Gewindemutter 30 aufgebracht werden.
4 zeigt, wie die Gewindemutter 30 auf der Stellstange 32 sitzt und in das Außengewinde 34 der Stellstange eingreift. In der bevorzugten Ausführung bestehen die Stellstange 32 und die Gewindemutter 30 aus Metall oder Kunststoff und das Innengewinde 40 und/oder das Außengewinde 34 sind mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen, um den Gewindetrieb nicht fetten zu müssen. Beispiele für solche Beschichtungen sind eine DLC(Diamond like Carbon)-Schicht oder ein Anti-Friction-Coating auf der Gewindemutter 30 oder der Stellstange 32 oder auf beiden Teilen. Das Anti-Friction-Coating besteht aus einem Trägermaterial, z. B. Epoxid, in das Gleitpartikel eingelagert sind. Beispiele für Gleitpartikel sind PTFE oder Graphit. Die Gewindemutter 30, die in dem erfindungsgemäßen Linearstellantrieb eingesetzt wird, hat den Vorteil, daß sie auf einfache Weise hergestellt werden kann und in axialer Richtung wenig Platz benötigt. Dadurch eignet sie sich ideal für den erfindungsgemäßen Stellantrieb.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Ausführung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

10: Rotor
12: Permanentmagnet
14: Stator
16: Polbleche
18: Statorspulen
20: Spulenisolation
22: Spulenanschlüsse
24, 26: Flansche
28: Kugellager
30: Gewindemutter
32: Stellstange
34: Außengewinde
36: Führungsnut
38: Führungsstift
40: Gewinde
42: Verstärkungsring

Claims

Linearstellantrieb mit einem Rotor (10), der wenigstens einen Rotormagneten (12) aufweist, einem Stator (14), der Polbleche und Statorspulen (18) aufweist, einer Gewindemutter (30), die mit dem Rotor (10) drehfest verbunden ist, einer Stellstange (32) mit einem Außengewinde (34), das in der Gewindemutter (30) geführt ist, wobei eine Drehbewegung des Rotors (10) in eine Linearbewegung der Stellstange (32) übersetzt wird, wobei die Statorspulen (18) koaxial zu dem Rotormagneten (12) in axialer Richtung neben diesem angeordnet sind, und zwei Kugellager (28) zur Lagerung des Rotors (10) relativ zu dem Stator (14) radial innerhalb des Rotormagneten (12), zwischen dem Rotormagneten (12) und der Stellstange (32) angeordnet sind, so daß die axiale Länge des Antriebs sich im wesentlichen aus der axialen Baulänge des Rotormagneten (12) und axialen Baulänge der Statorspulen (18) ergibt, und wobei die Außenringe der Kugellager (28) mit dem Rotormagneten (12) und die Innenringe der Kugellager (28) mit dem Stator (14) gekoppelt sind und die Gewindemutter (30) zwischen den Kugellagern (28) angeordnet ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polbleche (16) Polklauen aufweisen, die mit den Statorspulen (18) gekoppelt sind und die den Rotormagneten (12) umgreifen.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellstange (32) durch die Gewindemutter (30) und einen Gehäuseteil oder Flansch (26) des Linearstellantriebs abgestützt ist.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindemutter (30) durch eine Metallscheibe gebildet ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindemutter (30) einen Gewindegang ≤ 360° aufweist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindemutter (30) durch einen Stanz-Präge-Vorgang aus einem Blech hergestellt ist.
Linearstellantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (40) der Gewindemutter (30) und/oder das Außengewinde (34) der Stellstange (32) aus Metall besteht und mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsvermindernde Beschichtung eine DLC(Diamond like Carbon)-Schicht aufweist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsvermindernde Beschichtung eine Schicht aus einem Trägermaterial, wie Epoxid, aufweist, in das Gleitpartikel eingelagert sind.
Linearstellantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitpartikel PTFE oder Graphit umfassen.