DE10206544A1

DE10206544A1 - Getriebe sowie mit diesem Getriebe ausgestatteter Drehgeber

Info

Publication number: DE10206544A1
Application number: DE10206544A
Authority: DE
Inventors: Alois Brandl; Johann Mitterreiter; Michael Schwabe
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2002-02-16
Filing date: 2002-02-16
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2022-02-17
Also published as: DE10206544B4

Abstract

Das erfindungsgemäße Getriebe besteht aus einem drehbaren Antriebselement (100) mit mindestens einem Kraftübertragungsmittel (101, 102) und einem drehbaren Abtriebselement (200) mit mehreren Kraftübertragungsmitteln (201, 202). Dabei ist das mindestens eine Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) wendel- oder spiralförmig ausgebildet und die Drehachse (203) des Abtriebselementes (200) ist so ausgerichtet, dass sie eine Ebene (Y) mit orthogonaler Ausrichtung zur Drehachse (103) des Antriebselementes (100) durchdringt. Darüber hinaus ist ein Drehmoment durch eine magnetische Wechselwirkung der Kraftübertragungsmittel (101, 102; 201, 202) vom Antriebselement (100) zum Abtriebselement (200) übertragbar, wobei dieses Drehmoment eine Drehbewegung im Abtriebselement (200) bewirkt, so dass dessen Drehzahl kleiner ist als die Drehzahl des Antriebselements (100). Durch das mindestens eine Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) ist ein Drehmoment auch durch Berührung auf das Abtriebselement (200) übertragbar. Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch einen Drehgeber, der mit diesem Getriebe ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe gemäß dem Anspruch 1 sowie einen mit diesem Getriebe ausgestatteten Drehgeber gemäß Anspruch 13.

Neben Winkelmessgeräten, die eine Winkelmessung an einer drehbaren Welle in inkrementalen Messschritten ermöglichen, sind auch sogenannte absolute Winkelmessgeräte, auch als Code-Drehgeber bezeichnet, bekannt. Diese gestatten eine Absolutwinkel-Bestimmung innerhalb einer einzigen Wellenumdrehung. Ist zudem die Erfassung der Anzahl erfolgter Wellenumdrehungen nötig, so werden üblicherweise sogenannte Multiturn-Drehgeber eingesetzt. In derartigen Multiturn-Drehgebern erfolgt die Bestimmung der absoluten Winkelposition innerhalb einer Wellenumdrehung, d. h. zwischen 0° und 360°, über eine mit der Welle verbundene Codescheibe, die mit Hilfe einer geeigneten fotoelektrischen Abtasteinheit abgetastet wird. Zur Gewinnung der erforderlichen Informationen über die Anzahl der erfolgten Wellenumdrehungen ist üblicherweise ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen, über das eine oder mehrere weitere Teilscheiben bzw. Codescheiben bei sich drehender Welle in eine Drehbewegung mit geringerer Umdrehungszahl versetzt werden. Häufig sind diese Codescheiben als magnetisierte Scheiben ausgebildet, die jeweils zumindest einen Nordpol- und Südpol-Sektor aufweisen. Die Drehlage dieser zusätzlichen Codescheiben wird üblicherweise mit geeigneten Abtasteinheiten, insbesondere Hall-Sensoren, in bekannter Art und Weise erfasst. Aufgrund der vorgegebenen Untersetzung der Drehbewegung der zusätzlichen Codescheiben lässt sich so die Zahl der erfolgten Umdrehungen der Welle ermitteln. Eine Messung der Absolutposition der angetriebenen Welle ist somit auch über mehrere Umdrehungen hin möglich.

Bei derartigen Untersetzungsgetrieben ist es vorteilhaft, wenn die erste Untersetzungsstufe ein möglichst hohes Untersetzungsverhältnis aufweist, so dass die Zahnräder der nachfolgenden Getriebestufen bereits mit erheblich geringerer Drehzahl umlaufen. Auf diese Weise wird die Belastung der nachfolgenden Getriebestufen signifikant reduziert.

Ein entsprechend aufgebauter Multiturn-Drehgeber ist beispielsweise aus der DE 198 20 014 A1 der Anmelderin bekannt. In dieser Druckschrift wird eine integrierte Bauweise von elektronischen Komponenten von Drehgebern beschrieben.

In der DE 197 45 177 A1 ist eine Getriebeanordnung gezeigt, bei der an den Umfangsflächen eines Antriebs- und eines Abtriebsrads permanentmagnetische beziehungsweise ferromagnetische wendelförmige Stege angeordnet sind. Diese Bauweise ist bezüglich der Drehmomentausbeute beziehungsweise bezüglich ihrer Baugröße ungünstig.

Es besteht anhaltend der Bedarf nach Drehgebern mit kleineren Baumaßen. Nachdem die elektronischen Bauteile von Drehgebern immer weiter integriert und damit auch miniaturisiert werden, wird häufig der Bauraum für die mechanischen Bauteile dieser Geräte der limitierende Faktor für diese Miniaturisierungsbestrebungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe zu schaffen, das kleine Baumaße aufweist, einen geringen Fertigungs- und Kostenaufwand verursacht und einen schlupffreien Betrieb gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weiterhin soll das Getriebe gemäß Anspruch 13 in einem Drehgeber eingesetzt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein magnetisches Getriebe mit geringem Bauraum und mit einer kostengünstigen Herstellung geschaffen wird, das einen schlupffreien Betrieb auch bei übermäßigen Drehmomentsbelastungen gewährleistet. Hinzu kommt, dass das erfindungsgemäße Getriebe eine vergleichsweise geringe Massenträgheit aufweist, was gerade bei hoch dynamischen Änderungen von Drehbewegungen von Vorteil ist.

Das Getriebe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mindestens ein Kraftübertragungsmittel des Antriebselementes im Noramalbetrieb ein Drehmoment magnetisch überträgt, und im Notbetrieb dasselbe Kraftübertragungsmittel ergänzend oder alternativ auch ein Drehmoment mechanisch berührend in das Abtriebselement einleiten kann. Auf diese Weise ist kein separates Kraftübertragungsmittel für den Notbetrieb nötig, so dass alle Kraftübertragungsmittel am Antriebselement im Normalbetrieb wirksam sein können, wodurch bei gegebenem zu übertragendem Drehmoment der Bauraum für das Getriebe reduziert werden kann, beziehungsweise das übertragbare Drehmoment bezogen auf das Getriebevolumen erhöht werden kann.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Getriebes sowie eines damit ausgestatteten Drehgebers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.
Es zeigen die
Fig. 1a eine perspektivische Ansicht des Getriebes mit mantelseitig angeordneten wendelförmigen Permanentmagneten,
Fig. 1b eine Draufsicht auf das Getriebe in einer Stellung im Normalbetrieb,
Fig. 1c eine Draufsicht auf das Getriebe in einer Stellung im Notbetrieb,
Fig. 2a eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles des Getriebes mit stirnseitig angeordneten Stegen,
Fig. 2b eine Teilansicht des weiteren Ausführungsbeispieles des Getriebes,
Fig. 2c eine Seitenansicht des weiteren Ausführungsbeispieles des Getriebes,
Fig. 3 eine räumliche Explosions-Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehgebers mit Teilschnitten.
In den Figuren sind gleichwirkende Bauteile unterschiedlicher Ausführungsbeispiele mit identischen Bezugszeichen versehen.
In der Fig. 1a ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Getriebes dargestellt, wie es als erste Getriebestufe in einem Drehgeber 400 (Fig. 3) eingebaut ist. Das Antriebsrad 100 weist eine große zentrische Bohrung zur Aufnahme einer in der Fig. 3 dargestellten Hohlwelle 401 auf, deren Drehstellung im Betrieb des Drehgebers 400 gemessen wird. An der Mantelfläche des Antriebsrads 100 befinden sich, entlang jeweils einer Wendellinie bzw. Gewindelinie ausgerichtet, ein zweigängiges Gewinde, dessen Stege 101, 102 als Permanentmagnete ausgebildet sind. Der Steg 101, der dem zweiten Gewindegang entspricht, weist einen gößeren Außendurchmesser D101 (Fig. 1b) auf, als der Steg 102 des ersten Gewindeganges. Mit anderen Worten ist die Steghöhe des Steges 101 größer als diejenige des Steges 102.
Die beiden Stege 101, 102 sind in diesem Beispiel wendelförmig gestaltete Permanentmagnete, die auf einem Trägerkörper 106 aufgeklebt sind. Der höhere Steg 101 weist überdies eine Beschichtung 104 aus PTFE (Polytetrafluorethylen) auf. Die Stege 101, 102 sind gemäß der Fig. 1b bezüglich des Antriebsrads 100 in Radialrichtung magnetisiert, das heißt, dass die Verbindungslinie zwischen Nord- und Südpol jedes permanentmagnetischen Steges 101, 102 im Wesentlichen zur Drehachse 103 des Antriebsrads 100 ausgerichtet ist. Dabei weist bei dem höheren Steg 101 der Nordpol nach außen, wogegen bei dem niedrigeren Steg 102 der Südpol nach außen weist.
Der Trägerkörper 106 besteht aus einer ferromagnetischen FeNi-Legierung, die eine relative Permeabilitätszahl µr von ca. 3000 aufweist, wodurch das magnetische Feld der permanentmagnetischen Stege 101, 102 verstärkt wird.
Das Abtriebsrad 200 ist gemäß der Fig. 1a ebenfalls mit permanentmagnetischen Stegen 201, 202 versehen, die entlang einer Wendellinie bzw. Gewindelinie an der Mantelfläche des Abtriebsrads 200 angeordnet sind. Im Vergleich zu der Wendellinie gemäß welcher die Stege 101, 102 des Antriebsrads 100 ausgerichtet sind, weisen die Wendellinien am Abtriebsrad 200 eine wesentlich größere Steigung auf, so dass diese jeweils nur über einen Teil des Umfanges des Abtriebsrads 200 verlaufen. Die Höhe der Stege 201, 202 bzw. deren Außendurchmesser D201, D202 (Fig. 1b) sind unterschiedlich groß. So sind die Stege 202 höher als die Stege 201. Des weiteren sind die Stege 202 ebenfalls mit einer Beschichtung 205 aus PTFE versehen.
Die Stege 201, 202 sind in Radialrichtung (bezüglich der Drehachse 203 des Abtriebsrads 200) magnetisiert. Es weisen also im gezeigten Beispiel die Nordpole der Stege 202 radial nach außen wie auch die Südpole der Stege 201. Die Stege 201, 202 sind auf dem Körper 206 des Abtriebsrads 200 aufgeklebt, der aus einer ferromagnetischen FeNi-Legierung besteht und wie beim Antriebsrad 100 die eine relative Permeabilitätszahl µ_r von 3000 aufweist.
Generell ist es von Vorteil, wenn der Körper 106 des Antriebsrads 100 und/oder der Körper 206 des Abtriebsrads 200 aus einem Werkstoff sind dessen relative Permeabilitätszahl µ_r mindestens 10, mit Vorteil 1000 oder größer ist. Durch diese vergleichsweise hohen relativen Permeabilitätszahlen wird das Magnetfeld signifikant verstärkt.
In der Fig. 1b ist in einer Draufsicht das Antriebsrad 100 in einer betriebsgemäßen Lage relativ zum Abtriebsrad 200 dargestellt. Im Betrieb ist die Drehachse 103 des Antriebsrads 100 wie auch die Drehachse 203 des Abtriebsrads 200 ortsfest. Der Steg 101, der dem zweiten Gewindegang entspricht, weist den Außendurchmesser D101 auf, und der Steg 102 des ersten Gewindeganges hat den Außendurchmesser D102. Dabei ist der Außendurchmesser D101 größer als der Außendurchmesser D102 des Steges 102. Mit Vorteil können die permanentmagnetischen Körper der Stege 101 und 102, wie auch die Körper der Stege 201 und 202 in ihren Abmessungen identisch sein. Die unterschiedlichen Steghöhen ergeben sich dann aus der Stärke der Beschichtung 104, 205 aus PTFE.
Wird nun das Antriebsrad 100 in Gang gesetzt, so "fängt" der Nordpol des Steges 101 den Südpol des Steges 201 des Abtriebsrads 200 quasi ein, sobald sich ein ausreichend kleiner Luftspalt S1 bzw. Abstand zwischen den Stegen 101, 201 des Antriebsrads 100 und des Abtriebsrads 200 einstellt. Es wird dadurch eine Kraftübertragung vom Antriebsrad 100 zum Abtriebsrad 200 erreicht. Dadurch, dass die Körper 106, 206 des Antriebsrads 100 und des Abtriebsrads 200 aus einer NiFe-Legierung bestehen, welche eine relative Permeabilitätszahl µ_r von ca. 3000 aufweist, wird das magnetische Feld und damit die übertragbare Kraft verstärkt, bzw. erhöht.
Durch die gegenseitige magnetische Anziehung der Stege 101, 201 stellt sich ein geringer Luftspalt S1 ein, so dass eine Drehbewegung des Antriebsrads 100 eine Drehbewegung des Abtriebsrads 200 bewirkt. Während der Drehbewegung wandert infolge der Geometrie der Wendellinien der Bereich der Kraftübertragung in Axialrichtung weiter. Bevor sich durch das Fortschreiten der Drehbewegung der Luftspalt S1 zwischen den Stegen 101 und 201 wieder vergrößert, sich also die Wirkverbindung wieder löst, sind die Stege 102 und 202 bereits in berührungslosem magnetischen "Eingriff", der dadurch erreicht wird, dass nun der Südpol des Steges 102 mit geringem Luftspalt S2 dem Nordpol des Steges 202 gegenübersteht. Es ist also im Normalbetrieb, wenn das auftretende Drehmoment vergleichsweise gering ist, sichergestellt, dass mindestens ein Steg 101, 102 des Antriebsrads 100 in magnetischer Wechselwirkung mit einem Steg 201, 202 des Abtriebsrads steht, so dass eine Kraft übertragen werden kann. Der Abstand X der Drehachsen 103 des Antriebsrads 100 und 203 des Abtriebsrads 200 ergibt sich aus folgendem Zusammenhang:

wobei S1 der Luftspalt zwischen dem Steg 101, mit dem Außendurchmesser D101 und dem Steg 201, mit dem Außendurchmesser D201 ist, und S2 der Luftspalt zwischen dem Steg 102, mit dem Außendurchmesser D102 und dem Steg 202, mit dem Außendurchmesser D202 ist.
Das Untersetzungsverhältnis des Getriebes - das Abtriebsrad 200 dreht sich also im Betrieb langsamer als das Antriebsrad 100 - hängt vom Verhältnis der Anzahl der Gewindegänge ab.
Die Drehachse 103 des Antriebsrads 100 und die Drehachse 203 des Abtriebsrads 200 sind in dem gezeigten Beispiel parallel im Raum ausgerichtet. Entsprechend steht die Drehachse 203 des Abtriebsrads 200 senkrecht zu einer gedachten Ebene Y, die orthogonal zur Drehachse 103 des Antriebsrads 100 aufgespannt ist. Die Drehachse 203 durchdringt also die Ebene Y. Der dazugehörige Neigungs- bzw. der Durchstoßwinkel γ der Drehachse 203 durch diese Ebene Y beträgt demnach 90° (vgl. auch Fig. 2c). Für die Funktion des Getriebes, insbesondere für die Anordnung der Achsen der darauffolgenden Getriebestufen (siehe Fig. 3) ist es von Vorteil, wenn die Drehachsen 103, 203 weitgehend parallel sind, weil dadurch die Achsen aller Zahnräder parallel zur Drehachse 103 ausgerichtet sein können, so dass keine Kegelradstufe oder dergleichen eingesetzt werden muss. Prinzipiell hat sich gezeigt, dass der Winkel γ vorzugsweise mehr als 45° betragen sollte, und mit Vorteil Winkel größer 60° gewählt werden.
Durch das erfindungsgemäße Getriebe kann das erforderliche Drehmoment ohne jegliche Berührung übertragen werden. Zur Absicherung gegen etwaige asynchrone, also schlupfbehaftete, Betriebszustände können allerdings die Stege 202 des Abtriebsrads 200 (gemäß Fig. 1c) mit dem Steg 101 des Antriebsrads 100 mechanisch derart zusammenwirken, dass durch Berührung ein Drehmoment übertragbar ist, das heißt, dass der Steg 101 das Abtriebsrad 200 berührend vorwärts treiben kann. Die Notwendigkeit für dieses Betriebsverhalten kann insbesondere dann eintreten, wenn bei hohen Drehbeschleunigungen Drehmomentspitzen auftreten, aber auch bei Vorhandensein eines Störmagnetfeldes oder bei Vibrationen.
Für den Fall, dass das Getriebe in dem oben beschriebenen Notbetrieb arbeitet, sich also die Stege 101 und 202 bereichsweise berühren, ist die Beschichtung 104, 205 aus dem reibungsarmen Material PTFE aufgebracht. Dadurch wird gewährleistet, dass die Oberflächen der Stege 101 und 202 problemlos aufeinander abgleiten können, bzw. dass das Getriebe nicht blockiert. Hinzu kommt, dass die Beschichtung 104, 205 aus PTFE in erheblichen Maße den Verschleiß reduziert. Dadurch, dass die Stege 101 und 202 so magnetisiert sind, dass sich deren Nordpole gegenüber stehen, wird durch die abstoßende Kraft die Anpresskraft und damit der Verschleiß weiter minimiert.
Alternativ zu PTFE kann zum Beispiel Polyamid aber auch ein Messing- oder ein Bronzematerial verwendet werden. Die Beschichtung 104, 205 kann aber auch derart ausgeführt sein, dass der Verschleiß durch eine große Härte der Oberfläche der Stege 101 und 202 signifikant reduziert wird. Zu diesem Zweck können mit Vorteil entsprechende Hartstoffschichten auf die Stege 101 und 202 aufgebracht werden. Ein besonders guter Verschleißschutz ergibt sich, wenn die Härte der Oberfläche 200 HV 50 überschreitet, insbesondere größer als 300 HV 50 ist. Zur Härteprüfung wurde hier die Vickers-Methode gemäß der DIN EN ISO 6507-1 herangezogen.
Besonders von Vorteil ist es in diesem Zusammenhang, wenn das Material der Beschichtung 104, 205 gleichzeitig die magnetische Wirkung verstärkt. Zu diesem Zweck können Schichten aufgebracht werden, welche die Elemente Eisen, Chrom, Kobalt und Molybdän enthalten. Zum Beispiel können entsprechende ferromagnetische, insbesondere hartmagnetische Bleche auf den Stegen aufgeklebt werden, was eine Feldbündelung bewirkt, so dass die Kraftausbeute des Getriebes weiter erhöht wird.
Der Erfindungsgedanke ist nicht auf Stege 101, 102, 201, 202 als Kraftübertragungsmittel eingeschränkt. Vielmehr kann beispielsweise auch eine magnetische Spur, die nicht aus der Mantelfläche des Antriebsrads 100 und/oder des Abtriebsrads 200 ragt verwendet werden. Insbesondere können derartige magnetische Spuren anstelle der niedrigeren Stege 102 und 201 des oben beschrieben Beispiels verwendet werden.
In der Fig. 2a ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante des Getriebes gezeigt, wie es als erste Getriebestufe in einem Drehgeber 400 (Fig. 3) eingebaut ist. Das Antriebsrad 100 weist eine große zentrische Bohrung zur Aufnahme einer in der Fig. 3 dargestellten Hohlwelle 401 auf, deren Drehstellung im Betrieb des Drehgebers 400 gemessen wird. An einer Stirnseite des Antriebsrads 100 befinden sich, entlang jeweils einer Spirallinie ausgerichtet, zwei um 180° versetzt angeordnete längliche permanentmagnetische Stege 101, 102. Als Bestandteil der Stege 101, 102 sind die spiralförmigen Bleche 104 zu betrachten, die jeweils auf einem Permanentmagneten angeordnet sind, und deren Ränder entsprechend der Form der Permanentmagnete verlaufen. Das Blech 104 ist auf den Permanentmagneten aufgeklebt und ist aus einer ferromagnetischen Legierung, wodurch das magnetische Feld der permanentmagnetischen Stege 101, 102 verstärkt wird. Der Körper 106 des Antriebsrads 100 besteht auch hier aus einer ferromagnetischen FeNi-Legierung, die eine relative Permeabilitätszahl µ_r von ca. 3000 aufweist.
Im Gegensatz zu einer wendelförmigen Linie, die im Raum verläuft, ist hier als Spirallinie eine Linie, welche in einer Ebene verläuft, zu verstehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spirallinie als ein Teil einer archimedischen Spirale, gemäß der Gleichung r = a.φ ausgestaltet, wobei r der Radius der Spirale und a eine konstante positive Zahl ist. Als φ ist der Schwenkwinkel (im Bogenmaß) eines Radialstrahls um den Pol der Spirallinie zu verstehen. Nachdem im gezeigten Beispiel die Spirale bezüglich des Antriebsrads 100 zentrisch angeordnet ist, liegt hier der Pol auf der Drehachse 103. Bei dieser Art von Spiralen haben je zwei aufeinanderfolgende Schnittpunkte eines beliebigen vom Pol der Spirale ausgehenden Strahls den gleichen Abstand, nämlich 2.π.a.
Die permanentmagnetischen Stege 101, 102 weisen in Radialrichtung eine unterschiedliche Dicke auf, wobei die dünnsten Bereiche am Anfang und am Auslauf der permanentmagnetischen Stege 101, 102 gegeben sind.
Die Permanentmagneten der Stege 101, 102 sind gemäß der Fig. 2b bezüglich des Antriebsrads 100 in Radialrichtung magnetisiert, das heißt, dass die Verbindungslinie zwischen Nord- und Südpol eines Permanentmagneten des Steges 101, 102 im Wesentlichen zur Drehachse 103 des Antriebsrads 100 weist.
Das Abtriebsrad 200 weist gemäß den Fig. 2a und 2b ebenfalls permanentmagnetische Stege 201, 202 auf. Diese sind entlang einer Kreislinie an der Stirnseite des Abtriebsrads 200 angeordnet.
Wie aus der Fig. 2b ersichtlich, ist das Abtriebsrad 200 gegenüber dem Antriebsrad 100 geneigt angeordnet, so dass die Drehachse 203 schräg aus der Zeichenebene heraus bzw. in die Zeichenebene hinein verläuft. Die Drehachse 103 des Antriebsrads 100 liegt dagegen vollständig in der Zeichenebene. In der entsprechenden Seitenansicht gemäß der Fig. 2c können die Winkelverhältnisse besonders gut erläutert werden: Wenn gedanklich eine Ebene Y senkrecht zur Drehachse 103 des Antriebsrads 100 aufgespannt wird, schneidet die Drehachse 203 diese Ebene Y in einem bestimmten Neigungs- bzw. Durchstoßwinkel γ. Dieser beträgt im gezeigten Beispiel 85°.
Als Neigungs- bzw. Durchstoßwinkel γ ist immer der kleinste Winkel zwischen der Drehachse 203 und der Ebene Y im Raum zu betrachten. Auch in diesem Beispiel hat sich mit dem Winkel γ = 85° eine weitgehend achsparallele Ausrichtung der Drehachsen 103, 203 bewährt.
Die Randbereiche der Stirnflächen der permanentmagnetische Stege 201, 202 sind bezüglich der Drehachse 203 radial nach außen um einen Winkel, der in diesem Beispiel 5° beträgt, abgeschrägt. Dieser Winkel steht im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Neigungswinkel von 85°. Der Abschrägungswinkel und der Neigungswinkel der Drehachse 203 ergänzen sich nämlich mit Vorteil zu 90°.
Die permanentmagnetischen Stege 201, 202 sind auf dem Körper 206 des Abtriebsrads 200 aufgeklebt, der, wie beim Antriebsrad 100, aus einer ferromagnetischen FeNi-Legierung besteht und die eine relative Permeabilitätszahl µ_r von 3000 aufweist.
Die Permanentmagneten der Stege 201, 202 sind in Umfangsrichtung (bezüglich der Drehachse 203 des Abtriebsrads 200) magnetisiert und derart ausgerichtet, dass jeweils zwei benachbarte permanentmagnetische Stege 201, 202 eine gegenpolige Magnetisierung aufweisen. Zwischen den permanentmagnetischen Stegen 201, 202 sind sogenannte Mitnehmerstifte 204 aus Aluminium am Abtriebsrad 200 angebracht. Anstelle von Aluminium kann auch ein anderer nichtmagnetischer Werkstoff, zum Beispiel Messing oder Bronze aber auch ein Kunststoff, z. B. PTFE oder PA verwendet werden. Darüber hinaus können die Mitnehmerstifte 204 auch magnetisiert sein, und somit aus einem magnetischen Werkstoff bestehen.
Alternativ dazu können die Mitnehmerstifte 204 nicht zwischen den permanentmagnetischen Stegen 201, 202 angeordnet sein, sondern um einen halben Polabstand drehversetzt innerhalb der Stege 201, 202. Die Mitnehmerstifte 204 sind dann aus einem magnetisierbaren Material und selbst auch magnetisiert, mit einer Ausrichtung und Polung wie die Permanentmagnete der Stege 201, 202.
Alternativ zu den Mitnehmerstiften 204 als separate Bauteile können die Mitnehmerstifte 204 durch eine geeignete Formgebung der Permanentmagnete monolithisch in die Stege 201, 202 integriert sein.
In der Fig. 2a ist das Antriebsrad 100 in der betriebsgemäßen Lage relativ zum Abtriebsrad 200 dargestellt. Im Betrieb ist die Drehachse 103 des Antriebsrads 100 wie auch die Drehachse 203 des Abtriebsrads 200 ortsfest. Dadurch, dass die Drehachse 203 des Abtriebsrads 200 gegenüber der Drehachse 103 des Antriebsrads 100 geneigt ist, ist der stirnseitige Abstand zwischen dem Antriebsrad 100 und dem Abtriebsrad 200 ortsabhängig unterschiedlich groß. Dies hat die Folge, dass die Magnetkräfte zwischen den permanentmagnetischen Stegen 101, 102 des Antriebsrads 100 und den permanentmagnetischen Stegen 201, 202 des Abtriebsrads 200 je nach Abstand bzw. Luftspalt ebenfalls unterschiedlich groß sind. Darüber hinaus sind die Mitnehmerstifte 204 im Bereich des großen Abstandes frei, das heißt, dass dessen Enden in diesem Bereich nicht in die Zwischenräume des spiralförmigen Bleches 104 ragen.
Ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1a bis 1c wird auch hier das für die Drehbewegung erforderliche Drehmoment durch magnetische Kräfte übertragen. Allerdings sind in diesem Beispiel die permanentmagnetischen Stege 101, 102, 201, 202 jeweils an einer Stirnseite des Antriebsrads 100 und des Abtriebsrads 200 befestigt. Dadurch ergibt sich ein reduzierter Bauraum des Getriebes in radialer Richtung, weil das Antriebsrad 100 bezüglich des Abtriebsrads 200 axial versetzt angeordnet ist und radial nicht über den Umfang des Antriebsrads 100 hinausragt. Eine Drehbewegung des Antriebsrads 100 führt dazu, dass in Folge der magnetischen Kräfte berührungslos eine Drehbewegung in das Abtriebsrad 200 eingeleitet wird. Im vorgestellten Beispiel stehen sich pro permanentmagnetischem Steg 101, 102, 201, 202 jeweils vier Magnetpole gegenüber. Bei einer relativen Verschiebung zwischen den permanentmagnetischen Stegen 101, 102 des Antriebsrads 100 und den permanentmagnetischen Stegen 201, 202 des Abtriebsrads 200 infolge des zu übertragenden Drehmoments, wirken die magnetischen Kräfte der Pole dieser Verschiebung entgegen und führen somit zu einem vergleichsweise steifen Kraftübertragungsverhalten des Getriebes.
Die Mitnehmerstifte 204 haben die Aufgabe das Abtriebsrad 200 auch dann noch synchron bzw. schlupffrei in Bezug zum Antriebsrad 100 zu bewegen, wenn die magnetische Kraftkopplung durch die permanentmagnetischen Stege 101, 102, 201, 202 für die Übertragung des Drehmoments nicht mehr ausreichen sollte. Das Blech 104 der Stege 101, 102 gewährleistet, dass die Mitnehmerstifte nicht mit den Permanentmagneten des Antriebsrads 100 in Kontakt kommen, weil die Mitnehmerstifte 204 so kurz bemessen sind, dass sie nicht zu den Permanentmagneten reichen. Für den Fall, dass das auftretende Drehmoment so groß ist, dass die Mitnehmerstifte 204 zur Wirkung kommen, erfolgt die berührende Kraftübertragung zwischen den Mitnehmerstiften 204 und dem Blech 104 der Stege 101, 102. Der Verschleiß der Stege 101, 102 wird auf diese Weise reduziert.
Das Getriebe ist, wie in der Fig. 3 dargestellt, in einem Multiturn-Drehgeber 400 zur Bestimmung der absoluten Winkelposition eingebaut. Das Antriebsrad 100 des Getriebes ist mit seiner großen zentrischen Bohrung mit einer Hohlwelle 401 des Drehgebers 400 drehfest verbunden. Die Hohlwelle 401 nimmt ihrerseits drehfest eine nicht dargestellte Welle auf, deren Drehstellung im Betrieb des Drehgebers 400 zu messen ist. An einem Absatz der Hohlwelle 401 ist eine Codescheibe 402 befestigt, in diesem Beispiel festgeklebt, so dass die Codescheibe 402 mit der gleichen Drehzahl wie die Hohlwelle 401 im Messbetrieb rotiert. Zur Erfassung der absoluten Position innerhalb einer Umdrehung der Hohlwelle 401 trägt die Codescheibe 402 einen mehrspurigen Code, in der Regel ein Gray-Code, wobei die feinste Spur eine hochauflösende Inkrementalspur ist, die vorteilhafterweise möglichst weit außen am Umfang der Codescheibe 402 angeordnet ist, um möglichst viele Teilungsperioden über den Umfang anordnen zu können. Je mehr Teilungsperioden über den gesamten Umfang angeordnet sind, desto höher ist die zu erfassende Winkelauflösung des Drehgebers.
Im nicht rotierenden Gehäuse 410 des Drehgebers 400 befindet sich eine Lichtquelle 411, eine Linse 412 und eine Abtastplatte 413. Darüber hinaus ist mit dem Gehäuse 410 eine Platine 414, an deren Unterseite Fotodetektoren angebracht sind, drehfest verbunden. Mit Hilfe dieser optischen Winkelabtasteinrichtung werden inkremental und/oder absolut die jeweilige Winkelposition innerhalb einer Umdrehung der Hohlwelle 401 bestimmt.
Zur Multiturn-Messung wird das erfindungsgemäße Getriebe und die damit zusammenwirkenden weiteren Getriebestufen benötigt. Diese sind in einem Getriebekasten 420 integriert, dessen Außenwandung in der Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber teilweise weggelassen wurde. Der Getriebekasten 420 ist drehfest mit dem Gehäuse 410 verbunden und nimmt somit nicht an der Rotationsbewegung der Hohlwelle 401 bzw. des Antriebsrads 100 teil. Die Drehachse 203 des Abtriebsrads 200 ist dagegen auch gegenüber dem Getriebekasten 420 und damit gegenüber dem Gehäuse 410 nicht bewegbar. Die Drehbewegung der Hohlwelle 401 wird vom Antriebsrad 100 mit der gegebenen Untersetzung schlupffrei auf das Abtriebsrad 200 übertragen, welches im Lager P drehbar um die Drehachse 203 gegenüber dem Getriebekasten 420 gelagert ist. Drehfest mit dem Abtriebsrad 200 ist ein Zahnrad verbunden, das mit einem Zahnrad einer weiteren Untersetzungsstufe kämmt. An der Welle dieser weiteren Untersetzungsstufe ist eine Teilscheibe 421 mit einer magnetischen Teilung befestigt. Darüber hinaus sind weitere Getriebestufen mit weiteren Teilscheiben 422 und 423 entsprechend angeordnet. Die Drehachsen der Teilscheiben 421, 422, 423 sind parallel zur Hohlwelle 401 ausgerichtet. Jede der Teilscheiben 421, 422, 423 besteht aus einem Magnetkörper mit in Umfangsrichtung abwechselnd angeordneten Magnetpolen (Nord-Süd), im einfachsten Fall sind die Teilscheiben 421, 422, 423 jeweils als kurze Stabmagnete mit einem einzigen Nord- und Südpol ausgeführt. Die magnetischen Teilungen der Teilscheiben 421, 422, 423 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
Die Teilscheibe 421 dreht sich langsamer als die Hohlwelle 401, die weiteren Getriebestufen führen zu einer weiten Reduzierung der Drehzahlen der entsprechenden Teilscheiben 422, 423.
Durch Detektoreinrichtungen, hier Hallsensoren, an der Oberseite der Platine 414, die in der Fig. 4 nicht dargestellt sind, werden die Winkelpositionen der Teilscheiben 421, 422, 423 bestimmt. Die Teilscheiben 421, 422, 423 dienen also zur Messung der Anzahl der Umdrehungen der Hohlwelle 401, wobei jede Teilscheibe 421, 422, 423 über das Untersetzungsgetriebe von der jeweils vorgeschalteten Getriebestufe untersetzt angetrieben wird. Zum platzsparenden Aufbau sind die Teilscheiben 421, 422, 423, wie auch das Drehlager P der Drehachse 203 des Abtriebsrads 200, innerhalb des Umfangsbereiches der Codescheibe 402 angeordnet.
Anstelle von Hall-Sensoren als Detektoreinrichtungen können auch magnetoresistive Sensoren, wie AMR-, GMR- (Giant Magneto Resistive) oder TMR-Sensoren (Tunnel Magneto Resistive) eingesetzt werden.
Dadurch, dass die magnetischen Teilungen der Teilscheiben 421, 422, 423 in einer Ebene angeordnet sind, können die dazugehörigen Detektoreinrichtungen relativ einfach auf der Oberseite der Platine 414 untergebracht werden. Auf der Unterseite der Platine 414 sind, wie oben beschrieben, die entsprechenden Fotodetektoren angebracht. Es können beide Seiten der Platine 414 mit elektronischen Bausteinen bestückt werden, was insbesondere Vorteile bezüglich des Raumbedarfs als auch der Wirtschaftlichkeit der Herstellung hat.
Die Komponenten der optische Abtastung (insbesondere die Lichtquelle 411, die Linse 412, die Abtastplatte 413 und die Codescheibe 402) befinden sich bei dem Drehgeber 400 gemäß der Fig. 3 also unterhalb der Platine 414, wobei die Fotoelemente an der Unterseite der Platine 414 angebracht sind. An der Oberseite der Platine 414 sind unter anderem die Detektoreinrichtungen für die Erfassung der Drehstellungen der Teilscheiben 421, 422, 423 befestigt. Über der Platine ist gemäß Fig. 3 das neuartige Getriebe und die weiteren Getriebestufen angebracht.
Neben dem Antriebsrad 100 ist das Abtriebsrad 200 des Getriebes angeordnet. Durch die beschriebene Bauweise kann also ein Drehgeber 400 geschaffen werden, der überaus geringe Baumaße aufweist und mit einem Getriebe mit den bereits genannten Vorteilen ausgestattet ist.
Die Anwendung des Getriebes ist nicht auf Drehgeber beschränkt, deren inkrementale Abtastung auf einem optischen Prinzip beruht, oder deren Zählung der Umdrehungen auf einem magnetischen Abtastprinzip basiert. Ebenso sind hier unter anderem auch kapazitiv oder induktiv wirkende Drehgeber mit eingeschlossen.

Claims

1. Getriebe bestehend aus einem drehbaren Antriebselement (100) mit mindestens einem Kraftübertragungsmittel (101, 102) und einem drehbaren Abtriebselement (200) mit mehreren Kraftübertragungsmitteln (201, 202), wobei
das mindestens eine Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) wendel- oder spiralförmig ausgebildet ist,
die Drehachse (203) des Abtriebselementes (200) eine Ebene (Y) mit orthogonaler Ausrichtung zur Drehachse (103) des Antriebselementes (100) durchdringt,
ein Drehmoment durch eine magnetische Wechselwirkung der Kraftübertragungsmittel (101, 102; 201, 202) vom Antriebselement (100) zum Abtriebselement (200) übertragbar ist, wobei dieses Drehmoment eine Drehbewegung im Abtriebselement (200) bewirkt, so dass dessen Drehzahl kleiner ist als die Drehzahl des Antriebselements (100),
dadurch gekennzeichnet, dass durch das mindestens eine Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) ein Drehmoment auch durch Berührung auf das Abtriebselement (200) übertragbar ist.

2. Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei die Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) an der Mantelseite des Antriebselementes (100), und die Kraftübertragungsmittel (201, 202) des Abtriebselementes (200) an der Mantelseite des Abtriebselementes (200) angeordnet sind.

3. Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei die Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) an der Stirnseite des Antriebselementes (100), und die Kraftübertragungsmittel (201, 202) des Abtriebselementes (200) an der Stirnseite des Abtriebselementes (200) angeordnet sind.

4. Getriebe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch das mindestens eine Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) ein Drehmoment auch durch Berührung eines Kraftübertragungsmittels (201, 202) des Abtriebselementes (200) auf das Abtriebselement (200) übertragbar ist.

5. Getriebe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kraftübertragungsmittel (101, 102; 201, 202) des Antriebselementes (100) und des Abtriebselementes (200) als ferromagnetische oder permanentmagnetische Stege ausgebildet sind.

6. Getriebe gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (101) des Antriebselementes (100), durch welchen auch ein Drehmoment durch Berührung auf das Abtriebselement (200) übertragbar ist eine Oberfläche mit einer Vickers-Härte von mehr als 200 aufweist.

7. Getriebe gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (101) des Antriebselementes (100), durch welchen auch ein Drehmoment durch Berührung auf das Abtriebselement (200) übertragbar ist, zumindest in einem Teilbereich aus einer Legierung besteht, welche die Elemente Eisen, Chrom, Kobalt und Molybdän umfasst.

8. Getriebe gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (101) des Antriebselementes (100), durch welchen auch ein Drehmoment durch Berührung auf das Abtriebselement (200) übertragbar ist, eine Oberfläche aufweist, die aus einer Schicht aus reibarmen Material, insbesondere aus Polyterafluorethylen oder Polyamid, besteht.

9. Getriebe gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (102) des Antriebselementes (100), durch welchen auch ein Drehmoment durch Berührung auf das Abtriebselement (200) übertragbar ist zumindest einen Steg (202) des Abtriebselementes (200) berühren kann.

10. Getriebe gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (202) des Abtriebselementes (200) eine Oberfläche mit einer Vickers-Härte von mehr als 200 aufweist.

11. Getriebe gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (202) des Abtriebselementes (200) zumindest in einem Teilbereich aus einer Legierung besteht, welche die Elemente Eisen, Chrom, Kobalt und Molybdän umfasst.

12. Getriebe gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (202) des Abtriebselementes (200) eine Oberfläche aufweist, die aus einer Schicht aus reibarmen Material, insbesondere aus Polyterafluorethylen oder Polyamid, besteht.

13. Drehgeber mit einer oder mehreren Getriebestufen, wobei das Getriebe aus einem drehbaren Antriebselement (100) mit mindestens einem Kraftübertragungsmittel (101, 102) und einem drehbaren Abtriebselement (200) mit mehreren Kraftübertragungsmitteln (201, 202) besteht, und
das mindestens eine Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) wendel- oder spiralförmig ausgebildet ist,
die Drehachse (203) des Abtriebselementes (200) eine Ebene (Y) mit orthogonaler Ausrichtung zur Drehachse (103) des Antriebselementes (100) durchdringt,
ein Drehmoment durch eine magnetische Wechselwirkung der Kraftübertragungsmittel (101, 102; 201, 202) vom Antriebselement (100) zum Abtriebselement (200) übertragbar ist, wobei dieses Drehmoment eine Drehbewegung im Abtriebselement (200) bewirkt, so dass dessen Drehzahl kleiner ist als die Drehzahl des Antriebselementes (100), und
dass durch das mindestens eine Kraftübertragungsmittel (101, 102) des Antriebselementes (100) ein Drehmoment auch durch Berührung auf das Abtriebselement (200) übertragbar ist.

14. Drehgeber, gemäß Anspruch 13, wobei das Abtriebsrad (200) zwischen dem Antriebsrad (100) und einer Platine (414) angeordnet ist.