DE3325801A1 - Elektrischer linearantrieb mit aussenlaeufermotor - Google Patents

Description

.4. Juli 1983 D 9104 - nrs

Festo-Maschinenfabrik Gottlieb Stoll, 7300 Esslingen.

Elektrischer Linearantrieb mit Außenläufermotor

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Linearantrieb.

Bekannte elektrische Linearantriebe sind mit Innenläufermotoren ausgerüstet. Sie haben den Nachteil, daß die Umsetzung der Drehbewegung des Motors in eine Linearbewegung konstruktiv recht aufwendig ist. Das entsprechende Getriebe baut groß, erfordert eine erhebliche Zahl von präzise gearbeiteten Führungs- und Lagerelementen und bringt somit bei der Herstellung einen hohen Bedarf an Material und Arbeitszeit mit sich. Die Kosten bekannter Linearantriebe sind entsprechend hoch. Weiterhin sind die bislang verwendeten Innenläufermotoren in Ansehung zahlreicher elektrischer und mechanischer Kenngrößen vergleichbaren Außenläufermotoren unterlegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteilen des Stands der Technik abzuhelfen und einen elektrischen Linearantrieb zu schaffen, der im Aufbau einfacher ist und kompakter baut als herkömmliche Aggregate, sich kostengünstig fertigen

läßt und von den bekannten Vorteilen eines elektrischen Außenläufermotors Gebrauch macht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Linearantrieb mit einem Gehäuse, mit einem darin enthaltenen elektrischen Außenläufermotor, dessen Stator fest mit dem Gehäuse verbunden ist und dessen Rotor auf seinem Außenmantel ein Außengewinde trägt, und mit einer Schubstange, die mit einer ein Innengewinde tragenden Buchse auf den Rotor aufgeschraubt und verdrehsicher in dem Gehäuse geführt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Linearantrieb findet also ein elektrischer Motor Verwendung, dessen auf dem Stator rotierender Außenläufer selbst ein Gewinde trägt, das mit einem Gegengewinde der Schubstange zusammenwirkt und so die Drehbewegung des Außenläufers in eine axiale Längsbewegung der Schubstange umsetzt. Der Außenläufer bildet so quasi selbst eine Gewindespindel des Umsetzungsgetriebes, was bei einem Motor mit Innenläufer nicht möglich wäre. Gegenüber konventionellen Umsetzungsgetrieben kann also erfindungsgemäß ein separates, mit dem Elektromotor verbundenes Getrieberad entfallen. Hierdurch ergibt sich eine Einsparung an Material. Es ist andererseits ohne großen konstruktiven Aufwand möglich, die Umfangsflache des Außenläufers mit einem Außengewinde zu versehen, so daß sich der erfindungsgemäße Linearantrieb auch einfach und kostengünstig fertigen läßt. Auf Grund der Nutzung des Außenläufers als Gewindespindel zeichnet sich der erfindungsgemäße Linearantrieb

durch eine extrem geringe Baugröße aus. Weiterhin ist auf die Tatsache zu verweisen, daß der Rotor konventioneller Außenläufermotoren in Axialrichtung im wesentlichen unbeweglich - d. h. mit allenfalls sehr geringem axialem Verschiebespiel - auf dem Stator gelagert ist. Diese Eigenschaft der Motorkonstruktion ist besonders vorteilhaft, wenn man erfindungsgemäß den Außenläufer als in Axialrichtung unbewegliche Gewindespindel ausbildet;die übliche Lagerung auf dem Stator gibt dabei eine präzise Positionierung in axialer Richtung vor, und sie ist in vielen Fällen auch stabil genug, um ohne zusätzliche Aussteifung die mit dem Linearantrieb ausgeübten Kräfte aufzunehmen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in nachgeordneten Ansprüchen gekennzeichnet. Die Anordnung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, auf konstruktiv sehr einfache Weise eine präzise und stabile Führung der Schubstange in dem Gehäuse zu gewährleisten. Mit Anspruch 3 wird eine Bauform gekennzeichnet, die im eingefahrenen Zustand der Schubstange ein kleinstmögliches Bauvolumen aufweist und überdies allseits eine glatte, den Außenläufermotor umschließende Gehäuseschale bietet. Der Motor wird so optimal vor äußeren Einflüssen geschützt. Weiterhin bietet das glatte Außengehäuse die Möglichkeit, den eingefahrenen Zustand der Schubstange mit einem einzigen Blick zu erfassen, und schließlich sei noch der Vorteil eines positiven ästhetischen Eindrucks erwähnt.

Gemäß Anspruch 4 wird dem erfindungsgemäßen Linearantrieb

ein Gehäuse verliehen, das den Außenläufermotor und die Buchse der Schubstange in geringstmöglichem Abstand umgibt. Das erhaltene Aggregat ist extrem kompakt und für eine Verwendung unter beengten Platzverhältnissen besonders geeignet. Anspruch .5 kennzeichnet eine Verdrehsicherung nach dem Prinzip von Nut und Feder, die sich mit geringem Aufwand herstellen und in der Führungsgenauigkeit den jeweiligen Erfordernissen leicht anpassen läßt. Gemäß Anspruch 8 kann man der als Verdrehsicherung dienenden Führungsstruktur zugleich die Funktion eines Anschlags geben, der den Linearhub der Schubstange begrenzt. Diese Doppelfunktion der Führungsstruktur bringt einen konstruktiv besonders unaufwenigen, kostengünstig zu fertigenden Aufbau mit sich.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Diese zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen elektrischen Linearantrieb gemäß der Erfindung.

Der dargestellte Linearantrieb besitzt ein Gehäuse 1, in dem ein elektrischer Außenläufermotor enthalten ist. Ein Ständer oder Stator 2 dieses Motors ist fest mit dem Gehäuse 1 verbunden, und ein Läufer oder Rotor 3 des Motors ist radial außen auf dem Stator 2 gelagert. Der Rotor 3 stellt das angetriebene Teil des Motors dar. Wird dem Außenläufermotor über einen Anschluß 4 elektrische Energie zugeführt, so dreht sich der Rotor 3 um den Stator 2, der dabei eine ortsfeste Achse bildet. Für den erfindungsgemäßen Linearantrieb finden vorzugsweise langsam drehende Außenläufer-

motoren Verwendung, überdies sollte sich die Drehrichtung des Rotors 3 auf einfache Weise vorgeben und umkehren lassen, um eine axiale Hin- und Herbewegung der Schubstange 5 zu ermöglichen. Außenläufermotoren, die diese Bedingungen erfüllen, sind nach dem Stand der Technik an sich bekannt und weit verbreitet. Auf eine Darstellung des elektrischen Aufbaus derartiger Motoren wurde daher in der Abbildung verzichtet.

Erfindungsgemäß trägt der Rotor 3 des Außenläufermotors auf seinem Außenmantel, d. h. der äußeren radialen Umfangsflache, ein Außengewinde 6. Dieses Außengewinde 6 kann beispielsweise nachträglich auf den Rotor 3 eines handelsüblichen Außenläufermotors geschnitten werden. Es ist aber auch möglich, bei der Herstellung eines geblechten Rotors 3 Läuferbleche mit einer gestanzten Verzahnung zu verwenden, deren Zahnlücken im montierten Zustand der Bleche den Rotor 3 spiralig umrundende Gewindegänge bilden. Im Fall eines gefangenen Rotors 3 mit radial außen liegenden Rahmenteilen oder Käfigstäben kann das Außengewinde 6 schließlich auch auf diesen Teilen aufgebracht werden. Es ist nicht zwingend erforderlich, daß der Gewindegang des Außengewindes 6 durchgehend spiralig umläuft. Im Fall eines Rotors 3, dessen Außenkontur nicht exakt kreiszylindrisch ist, genügt es vielmehr, einzelne Segmente eines sich spiralig fortschraubenden Gewindegangs an radial nach außen vorspringenden Partien des Rotors 3 anzubringen, und zwischen diesen Segmenten des Gewindes Lücken zu lassen. Es ist in diesem Fall nur auf eine ausreichende Führungslänge für das Gegengewinde

an der Schubstange 5 zu achten.

Statt eines Außengewindes 6 kann auf dem Außenmantel des Rotors 3 auch eine funktionsgleiche Führungsschnecke aufgebracht sein, die den Rotor 3 spiralig umrundet. Eine solche Führungsschnecke kann gegebenenfalls auch segmentiert sein. Wesentlich für die Erfindung ist es, dem Rotor 3 des Außenläufermotors selbst die Funktion einer Gewindespindel zu verleihen, vermittels derer sich seine Drehbewegung in eine axiale Vorschubbewegung der Schubstange umsetzen läßt. Die Schubstange 5 ist zu diesem Zweck starr mit einer kreiszylindrischen Buchse 7 verbunden, die auf ihrem Innenmantel ein Innengewinde 8 trägt. Die Buchse 7 läßt sich mit dem Innengewinde 8 auf das Außengewinde 6 des Rotors 3 aufschrauben. Sie ist verdrehsicher in dem Gehäuse 1 gehaltert, aber in Axialrichtung verschiebbar darin geführt. Umgekehrt ist der Rotor 3 in Axialrichtung unverrückbar auf dem Stator

2 gehaltert, wie dies bei handelsüblichen Außenläufermotoren regelmäßig der Fall ist. Eine Drehung des Rotors 3 führt daher zu einer axialen Verschiebebewegung der Buchse 7 und damit der Schubstange 5. Das in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Innengewinde 8 läßt sich ersichtlich auch durch andere Führungselemente ersetzen, die mit der spiraligen Oberflächenkontur des als Spindel wirkenden Rotors 3 zum Eingriff kommen. Versieht man beispielsweise den Rotor

3 auf seinem Außenmantel mit einer Schneckenwindung, so kann die Buchse 7 der Schubstange 5 auch mit einer Anzahl von in Axialrichtung und Umfangsrichtung versetzt angeordneten Noppen auf der Führungsspirale laufen. Die auf die

Schubstange 5 ausgeübten Vorschubkräfte werden von dem Lager des Rotors 3 auf dem Stator aufgenommen. In vielen Anwendungsfällen wird hierfür die in handelsüblichen Außenläufermotoren vorgesehene Form der Lagerung genügen; gegebenenfalls können die Lager aber auch für die erfindungsgemäße Anwendung in einem Linearantrieb verstärkt werden. Eine Umkehr der Drehrichtung des Rotors 3 führt bei der beschriebenen Form der Kopplung ersichtlich zu einer Umkehr der linearen Bewegungsrichtung der Schubstange 5. Diese läßt sich also in axialer Längsrichtung in das Gehäuse 1 hineinsowie daraus herausfahren.

Im einzelnen ist der Außenläufermotor mittig und axial in einer kreiszylindrischen Gehäuseöffnung 9 angeordnet. Der Stator 2 ist dabei mit einem Sockel 10 auf dem Boden 11 der Gehäuseöffnung 9 befestigt. Er nimmt das axiale Zentrum der Gehäuseöffnung 9 ein. Der Rotor 3 ist konzentrisch auf dem Stator 2 gelagert und in der Gehäuseöffnung 9 versenkt angeordnet. Er kommt mit seinem·Außenmantel in einem Abstand zu der Innenwand 12 zu liegen, die die Gehäuseöffnung 9 begrenzt. In dem Zwischenraum 13 zwischen dem Rotor 3 und der Innenwand 12 läuft die Buchse 7 der Schubstange 5. Diese ist so dimensioniert, daß sie genau in den Zwischenraum 13 paßt und in ihrer axialen Verschiebebewegung an der Innenwand 12 geführt ist. Durch diese Form. der Führung wird die Übertragung von Kippmomenten auf den Außenläufermotor vermieden, die als Folge von Querkräften an der Schubstange 5 auftreten. Derartige Kippmompente könnten den Gleichlauf des Außenläufermotors beeinträchtigen.

Weiterhin verhindert die Führung der Buchse 7 an der Innenwand 12 der Gehäuseöffnung 9 ein Verkanten der Schubstange 5. Im eingefahrenen Zustand der Schubstange 5 ist die Führungslänge an der Innenwand 12 offensichtlich maximal; das Gehäuse 1 und die Buchse 7 sind aber so dimensioniert, daß auch im Fall des ausgefahrenen Zustands der Schubstange 5 eine ausreichende Führungslänge an der Innenwand 12 zur Verfügung steht. Zu diesem Zweck kann insbesondere der Außenläufermotor unter die Fläche 14 des Gehäuses 1 versenkt sein, an der die Gehäuseöffnung 9 mündet. Der Abschnitt 15 der Innenwand 12 zwischen der Oberkante 16 des Außenläufermotors und der Fläche 14 gewährleistet eine stabile Halterung der Buchse 7, auch wenn deren Innengewinde 8 das Ende des Außengewindes 6 auf dem Rotor 3 erreicht.

Die Buchse 7 hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine becherförmige Gestalt. Sie besitzt einen kreiszylindrischen Hülsenkörper, der das Innengewinde 8 trägt und von dem Rotor 3 getrieben in der Gehäuseöffnung 9 hin- und herfährt. An der dem Außenläufermotor abgewandten Seite ist die Buchse 7 mit einer Bodenplatte 17 verschlossen, an der zentrisch die Schubstange 5 ansetzt. Diese hat einen kleineren Durchmesser als die Buchse 7, so daß an der Übergangsstelle eine Ringstufe 18 gebildet wird. Diese Anordnung ist allerdings in keiner Weise zwingend. Die Schubstange 5 kann vielmehr in ihrer Gestalt vollkommen frei an die Teile angepaßt werden, die mit dem erfindungsgemäßen Linearantrieb bewegt werden sollen. Sie weist nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, sondern kann

ebenso auch als Profilträger oder -strebe konturiert sein. Auch die Anordnung einer einfachen Öse an der Buchse 7 ist möglich. Wählt man eine rohrförmige Schubstange 5 hinreichenden Durchmessers, so kann das Innengewinde 8 unmittelbar auf den Innenmantel des Rohres geschnitten werden. Verwendet man gemäß einer weiteren Ausführungsform ein massives Rundmaterial entsprechenden Durchmessers als Schubstange 5, so kann das Innengewinde 8 in einer stirnseitig ausgenommenen, zentrischen Sackbohrung vorgesehen sein.

Die axiale Länge der Buchse 7 und die Tiefe der Gehäuseöffnung 9 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel so aufeinander abgestimmt, daß die Buchse 7 im eingefahrenen Zustand bündig mit dem Gehäuse 1 abschließt. Hierdurch entspricht der Betrag, um den die Buchse 7 aus dem Gehäuse 1 heraussteht, stets genau der Ausfahrlänge der Schubstange 5, die sich so optisch leicht kontrollieren läßt. Weiterhin wird die Buchse 7 im eingefahrenen Zustand, der regelmäßig der Ruhestellung des Linearantriebs entspricht, durch das Gehäuse 1 optimal vor äußeren Einflüssen geschützt, und der Außenläufermotor wird doppelt abgedeckt und gegen Kippmomente an der Schubstange 5 optimal gesichert. Nicht zuletzt vermittelt auch die versenkte Stellung der Buchse 7 einen ästhetisch angenehmen Eindruck.

Das Gehäuse 1 hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Gestalt einer einseitig abgedeckten, zylindrischen Hülse 19. Der Boden 11, der die Hülse 19 verschließt, hat kreisförmigen Querschnitt; er liegt der Bodenplatte

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17 der Buchse 7 gegenüber. Die Buchse 7 liegt im eingefahrenen Zustand in der Hülse 19 versenkt, und sie läßt sich motorgetrieben teleskopartig aus der Hülse 19 ein- und ausfahren. Das hülsenförmige Gehäuse 1 ist also weitgehend entsprechend der.Buchse 7 konturiert; es ist allseitig nur um die erforderliche Materialstärke dicker und sichert so dem erfindungsgemaßen Linearantrieb eine kleinstmögliche Baugröße.

Zur Verdrehsicherung der Buchse 7 in dem Gehäuse 1 kann entweder an dem Gehäuse 1 oder aber an der Buchse 7 in axialer Längsrichtung eine Führungsstruktur ausgebildet werden, in die ein komplementäres Gegenstück des jeweils anderen Teils nach dem Prinzip von Nut und Feder eingreift. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist als derartige Führungsstruktur ein Längsschlitz 20 in dem Gehäuse 1 vorgesehen. In diesen Längsschlitz 20 ragt ein an der Buchse 7 ansetzender Stift 21, der beispielsweise von außen in den Hülsenkörper der Buchse 7 eingeschraubt sein kann. Die Buchse 7 ist mit dem Stift 21 in dem Längsschlitz axial beweglich, aber gegen ein Verdrehen gesperrt. Statt eines Stifts 21 kann selbstverständlich auch ein geeigneter Nocken, eine Nase o.a. Verwendung finden, und statt eines die Hülse 19 durchsetzenden Längsschlitzes kann in entsprechender Anordnung auch eine Längsnut auf dem Innenmantel der Hülse ausgenommen sein (nicht dargestellt). Letztere Anordnung hat den Vorteil, daß der Außenläufermotor stets in einer geschlossenen Gehäuseschale aufgenommen und optimal geschützt ist. Ein Längsschlitz 20 kann dagegen die Wärme-

abfuhr von dem Motor verbessern. Die erfindungsgemäßen, nach dem Prinzip von Nut und Feder arbeitenden Führungselemente an dem Gehäuse 1 und der Buchse 7 sind ersichtlich austauschbar; man kann also insbesondere auch die Buchse 7 mit einer Längsnut versehen und z. B. eine das Gehäuse 1 durchsetzende Führungsschraube darin laufen lassen.

In zahlreichen Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Linearantriebs ist es erforderlich, die Linearbewegung der Schubstange 5 anschlagbegrenzt zu gestalten. Dies kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch geschehen, daß man die als Verdrehsicherung dienende Führungsstruktur zugleich als den Linearhub der Schubstange 5 begrenzenden Anschlag auslegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht dazu die axiale Erstreckung des Längsschlitzes 20 in etwa dem Linearhub der Schubstange 5, und der Stift 21 schlägt beim Ausfahren der Schubstange 5 an ein Ende 22 des Längsschlitzes 20 an. In dieser Anschlagposition ist die Schubstange 5 weitestmöglich ausgefahren. In entsprechender Weise ist es möglich, die Einfahrtiefe der Schubstange 5 in das Gehäuse 1 durch ein Auftreffen des Stifts 21 an dem andern Ende 23 des Längsschlitzes 20 zu begrenzen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es aber auch möglich/ die Buchse 7 mit ihrer stirnseitigen Vorderkante 24 auf den Boden 11 des Gehäuses 1 auflaufen zu lassen. Der Stift 21 befindet sich in dieser Anlagestellung kurz vor dem axialen Ende 23 des Längsschlitzes 20. Die kombinierte Führungs- und Anschlagstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist konstruktiv sehr unaufwendig und kostengünstig

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herzustellen; für eine einfache Variation des Linearhubs können überdies eine Anzahl von Längsschlitzen 20, Längsnuten oder Langlöchern in unterschiedlicher Länge und Anordnung an dem Gehäuse 1 bzw. der Buchse 7 ausgeformt werden. Der mechanische Festanschlag kann überdies durch Endlagenschalter ersetzt oder mit Endlagenschaltern kombiniert werden, die den Außenläufermotor anhalten oder umsteuern und eine Überlastung der Motorwicklung verhindern.

Liste der Bezuqszexchen

1 Gehäuse 1 Stator

3 Rotor

4 Anschluß

5 Schubstange

6 Außengewinde

7 Buchse

8 Innengewinde

9 Gehäuseöffnung

10 Sockel

11 Boden

12 Innenwand

13 Zwischenraum

14 Fläche

15 Abschnitt von

16 Oberkante

17 Bodenplatte von

18 Ringstufe

19 Hülse

20 Längsschlitz

21 Stift

22, 23 Ende von 20 24 Vorderkante

Claims (10)

D 9104 - nrs ' Festo-Maschinenfabrik Gottlieb Stoll, 7300 Esslingen, Elektrischer Linearantrieb mit Außenläufermotor Ansprüche

1. / Elektrischer Linearantrieb mit einem Gehäuse (1), mit einem darin enthaltenen elektrischen Außenläufermotor, dessen Stator (2) fest mit dem Gehäuse (1) verbunden ist und dessen Rotor (3) auf seinem Außenmantel ein Außengewinde (6) trägt, und mit einer Schubstange (5), die mit einer ein Innengewinde (8) tragenden Buchse (7) auf den Rotor (3) aufgeschraubt und verdrehsicher in dem Gehäuse

(1) geführt ist.

2. Elektrischer Linearantrieb nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenläufermotor mittig und axial in einer kreiszylindrischen Gehäuseöffnung (9) angeordnet ist, wobei der Rotor (3) in einem Abstand zu der die Gehäuseöffnung (9) begrenzenden Innenwand (12) läuft, und die Buchse (7) der Schubstange (5) passend zwischen dem Rotor (3) und der Innenwand (12) aufgenommen ist.

3. Elektrischer Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (7) im eingefahrenen Zustand bündig mit dem Gehäuse (1) abschließt.

4. Elektrischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus einer einseitig abgedeckten, zylindrischen Hülse (19) besteht, aus der sich die Buchse (7) teleskopartig ein- und ausfahren läßt und in der die Buchse (7) im eingefahrenen Zustand versenkt liegt.

5. Elektrischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (1) oder der Buchse (7) in axialer Längsrichtung eine als Verdrehsicherung dienende Pührungsstruktur ausgebildet ist, in die ein komplementäres Gegenstück des jeweils anderen Teils nach dem Prinzip von Nut und Feder eingreift.

6. Elektrischer Linearantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstruktur die Gestalt einer Längsnut oder eines Längsschlitzes (20) hat, in die ein Stift (21) oder Nocken ragt.

7. Elektrischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearbewegung der Schubstange (5) anschlagbegrenzt ist.

8. Elektrischer Linearantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Verdrehsicherung

dienende Führungsstruktur zugleich als den Linearhub der Schubstange (5) begrenzender Anschlag ausgebildet ist.

9. Elektrischer Linearantrieb nach Anspruch

6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Erstreckung der Längsnut bzw. des Längsschlitzes (20) in etwa dem Linearhub der Schubstange (5) entspricht, und der Stift (21) oder Nocken eine Anschlagstellung an wenigstens einem Ende (22) der Längsnut bzw. des Längsschlitzes (20) einnimmt.

10. Elektrischer Linearantrieb nach Anspruch

7, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (7) der Schubstange (5) beim Einfahren auf einen Boden (11) des Gehäuses (1) trifft.