專利名稱：用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置和慣性減小的直線電動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置，其具有旋轉電動機、直線電動機和工作軸，該工作軸能由旋轉電動機轉入旋轉運動，并且能由直線電動機轉入線性運動，并且該工作軸具有輸出側。
背景技術：
組合驅動裝置被用于需要進行旋轉運動和線性運動的驅動任務。其中有利的是，能夠在角度和路徑方面相互獨立地自由調節這些運動。此外經常還要求這些運動應高動力地實現。
迄今為止，在實現組合驅動時，大部分情況下使用帶有轉向傳動裝置的相對較不靈活的驅動裝置。例如能通過為線性運動和旋轉運動有針對性地脫離慣性而顯著提高該組合驅動裝置的動力。特別是由此使得加速性能按希望得到提高。
發明內容
本發明的目的在于，進一步提高一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的動力，或者進一步提高一種直線電動機的動力。根據本發明，該目的通過一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置得以實現，該組合驅動裝置具有-旋轉電動機，-直線電動機，以及-工作軸，它能由旋轉電動機轉入旋轉運動，并且能由直線電動機轉入線性運動，并且該工作軸具有輸出側，其中-旋轉電動機和直線電動機相比更接近地布置在工作軸的輸出側上。由于旋轉電動機和直線電動機更接近地布置在工作軸的輸出側上(也就是說，旋轉電動機布置在組合驅動裝置的輸出裝置或者說輸出側上)，所以該工作軸不必完全被直線電動機穿過。但是，和旋轉電動機布置在直線電動機的相對置的一側上的情況相比，這樣會導致工作軸長度的減少。但是借此使得工作軸的質量減小，并且因此在總體上減少組合驅動裝置的慣性。直線電動機能設計為管形。這種直線電動機的特點是覆蓋長度的高力量密度。上述目的也通過一種特別是用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機得以實現，其具有-管形的轉子，在轉子上在軸向方向上布置了多個永磁體，以及-工作軸，它能由直線電動機轉入線性運動，其中-轉子在軸向方向上的壁厚至少局部地根據永磁體的布置情況而改變。轉子在軸向方向上的壁厚的改變的優點在于，轉子的某些區域的壁厚比最大壁厚小。這樣一來，和轉子沿著整個軸向延伸方向的壁厚都等于最大值并且特別恒定不變的情況相比，使得轉子的慣性減小。在此特別是利用了以下原理知識，即，在壁厚恒定的轉子的某些區域內的磁通量較其它位置上的更小。磁通量的形成也就根據極距變化。為了動力改進則不需要提供轉子壁的那些僅僅引導少量磁通量的部段。優選地，管形的轉子的內壁在軸向方向上具有波浪式的輪廓。特別有利的是，這種波浪式的輪廓模仿弱磁性轉子材料中磁通量的擴展效果。在一個特殊的實施方式中，永磁體在轉子上根據極距布置，并且轉子的壁厚小于或者等于極距的三分之一。這種壁厚確保了在最小化重量的同時具有相對來說不受阻礙的
磁通量。在一個特殊的實施方式中，能在轉子中插入加固轉子的塑料管。這樣設計具有的優點是，由此能通過一種材料提高轉子的機械牢固度，這種材料比轉子的鐵電材料更輕。 其中，特別是在轉子和塑料管之間的空腔能被澆注。這種措施也額外地提高了壁厚較薄的轉子的剛度。此外，根據本發明設計了一種特別用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機，其具有-管形的轉子，在該轉子上布置了多個永磁體，其中，絕大部分的永磁體在圓周方向上以有規律的間距相互間隔，以及-工作軸，它能由直線電動機轉入線性運動，其中-至少一個間隙在軸向方向上延伸，其中一些永磁體穿過該間隙在圓周方向上繼續以有規律的間距相互間隔。以有利的方式，即在轉子上在切線方向或者說圓周方向上預設了磁間隙。這種磁間隙特別有意義的是，定子在這個位置上也有磁性間隙。于是能省去不必要的永磁體，從而減少轉子上永磁體的重量分配。優選地，轉子被磁體在軸向上的遮蓋部分與極距之間的比例為50%至85%。在效率高的情況下，在這個比例范圍內會實現重量較小。此外，根據本發明設計了一種特別用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機，其具有-管形的轉子，它具有至少一個轉子軸承防護板，以及-工作軸，它能夠由直線電動機轉入線性運動，并且該工作軸具有輸出側，其中-在其上也固定著工作軸的轉子軸承防護板具有輪輻。以有利的方式，即轉子軸承防護板未設計為實心的，而是具有輪輻。輪輻使得在徑向上具有必要的剛度，并且該轉子軸承防護板中輪輻之間的中斷使得能相應地節省重量。最后，根據本發明也提供了一種特別用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機，其具有-管形的定子，-管形的轉子，其中，該管形的轉子具有至少一個轉子軸承防護板，以及-工作軸，它能夠由直線電動機轉入線性運動，其中-轉子軸承防護板具有滑動軸承，該轉子軸承防護板在該滑動軸承上可線性運動地支承在定子的弓I導桿上。
以有利的方式，轉子也就不是在滾珠軸承或滾動軸承的幫助下線性地支承在定子上。而是為了進行線性支承使用了滑動軸承，這種滑動軸承相比所述的其它軸承類型重量明顯更低。此外有利的是，即工作軸是空心軸。這也會節省重量，并且因此使得組合驅動裝置相比于具有實心軸的驅動裝置的慣性更小。上面描述的措施和所述目的的實現方案能任意地組合。于是例如組合驅動裝置能具有和直線電動機更接近地布置在工作軸的輸出側上的旋轉電動機，并且與此同時，轉子的壁厚在軸向上至少局部地根據永磁體的布置情況而改變。組合驅動裝置也能具有在圓周方向上具有磁間隙的轉子和具有輪輻的轉子軸承防護板。此外，直線電動機或者組合驅動裝置也能具有額外的滑動軸承以用于支承轉子。組合驅動裝置特別是也能同時具有上述所有特征，只要這些特征未被稱為替換方案。
現在根據附圖詳細說明本發明，圖中示出圖I穿過根據本發明的用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的橫截面圖；圖2穿過直線電動機的轉子的橫截面圖，例如圖I中的組合驅動裝置的轉子；圖3以透視圖示出圖2中的轉子；圖4在引導桿上用于進行線性支承的圖3中的轉子，以及圖5穿過圖4中的轉子的縱截面具體實施例方式接下來詳盡描述的實施例是本發明的優選實施方式。圖I中所示的用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置例如能用于工具機床或者機器人。它具有旋轉電動機I和直線電動機2。兩者都驅動工作軸3。該組合驅動裝置具有輸出裝置，通過它來提供有效功率。在圖I的實施例中，輸出裝置在左邊，并且相應的有效功率是由工作軸3提供的。與之相應地，工作軸3具有輸出側4和驅動側5。旋轉電動機I (用于進行旋轉運動的電動機或者說旋轉電動機)的位置和直線電動機2相比更接近組合驅動裝置的輸出裝置。但是這也意味著，旋轉電動機I的位置和直線電動機2相比更接近于工作軸3的輸出側4。工作軸3在這里完全穿過旋轉電動機1，并且它的驅動側5支承在直線電動機2的轉子6上。直線電動機2在這里設計為圓柱形。于是轉子6也具有圓柱形或者管形的構造。在朝向旋轉電動機I或者輸出裝置的一側上，轉子6具有軸承防護板7，在其中可旋轉地支承著工作軸3。此外還預設了相應的軸向軸承8。于是工作軸3在軸向上固定在管形的轉子6上，但是旋轉地脫離。與之相反地，工作軸3與旋轉電動機I的轉子9抗扭地連接。這例如通過工作軸3和轉子9上相應的凹槽和彈簧得以實現。這樣一來，工作軸3能在旋轉電動機I中軸向移動。于是該工作軸相對于直線電動機的線性運動在軸向上從旋轉電動機I上脫離。
于是，在組合驅動裝置中，直線電動機2的轉子6和旋轉電動機I的轉子9相互脫離。這樣一來就明顯地減小了該驅動裝置的慣性。通過將旋轉電動機I布置在輸出側得以讓慣性進一步減小。這樣一來，工作軸3不必穿過整個直線電動機2。因此，和旋轉電動機被布置在直線電動機2的另一側上的情況相比，工作軸3能被設計得短得多。在旋轉電動機被布置在直線電動機的另一側上的情況下，工作軸3就不僅必須穿過直線電動機2，而且在它們布置成直線地前后相繼的情況下時，還必須至少利用線性沖程伸入旋轉電動機中。特別是在直線電動機的沖程大的情況下，這種設計帶來明顯的優點，因為，工作軸3就不必被引導穿過長的直線電動機。于是能將工作軸3構造成短并且因此質量小且慣性小。通過減小直線電動機的轉子的質量，就能進一步減小直線電動機的慣性，并且因此就其線性運動而言減小組合驅動裝置的慣性。按照圖2，在圓柱形的直線電動機中，這一 點能通過減小轉子6的轉子管10的質量得以實現。轉子管10是由一種鐵磁性材料制成的，并且在它的外側上在圓周方向上分布地承載著多個永磁體11。轉子管10的任務是引導或者說集中永磁體11的磁場。為了能夠充分完成這個任務，轉子管10需要有一定的壁厚。在軸向方向上，在轉子管10上布置了多個永磁體11。在所示情況下，有八個永磁體在軸向上前后相繼。與之相應地，在轉子上在軸向方向上形成了八個磁極。兩個相鄰磁極之間的磁回流是通過鐵磁性的轉子管10實現的。相應的磁通量在轉子管10中弧形地構成。在兩個永磁體11之間，磁通量達到轉子管10中的最深位置。在轉子管10中，在每個永磁體下方的中間位置上的磁通量最小，這些永磁體被布置成具有交替的磁極(北極，南極)。根據符合本發明的構想，要在驅動裝置上能夠省去質量的地方省去質量。在本實施例中，絕大部分的各自的磁通量只在轉子管10的很少區域內被引導。因此，那些在具有恒定壁厚的轉子管的情況下只有少部分磁通量被引導的區域能被省去。相應地，在這里，轉子管10的內部輪廓要適合于磁場或者說磁通量的形狀。因為直接在各個永磁體11的下方會出現最小的磁通量，所以那里的材料被省去。轉子管10的壁厚在那里也相應地最小。這些壁厚較小的地方12沿著轉子管10的整個圓周延伸。它們在這里位于每個永磁體11下方或者說在圓周上形成的每行永磁體11的后方的中間位置上。在這里只有端面側的永磁體11是例外，因為出于裝配或者穩定性原因不減少轉子管的壁厚。在轉子管10的最小壁厚位置12之間得到的是相應的壁厚最大位置13。在那里，磁通量最大。在圓柱形轉子管10的外表面在軸向方向上筆直延伸的情況下，該圓柱形轉子管10的內表面在軸向方向上具有相應的波浪或者曲線形狀。它突顯出轉子管10的最小壁厚位置12和最大壁厚位置13的特點。在最小位置12和最大位置13之間的軸向間距是因極距形成的。特別是兩個最小位置12或者兩個最大位置13之間的間距等于直線電動機的極距。由于弱磁性轉子管10的壁厚在某些位置12上減小了，所以轉子6得到相應減小的質量。原則上說，這些位置12上的壁厚能為值0mm，然而從實際的角度來看這樣設計更不利。因此，最小的壁厚以所需要的剛度為準。
就相應位置13上的最大壁厚而言，發現三分之一極距的壁厚能被視為最佳。這種壁厚在材料消耗最小的情況下能確保所需的磁通量。通過減小轉子管10的壁厚，轉子管的剛度也下降。因此為了加強剛度在里面構造了由較小密度材料制成的低質量的承載結構。例如為此在轉子管10中插入塑料管。該塑料管可以是碳-或玻璃纖維強化的。它相比弱磁性的轉子管10具有更低的密度。然而如果將其例如壓入弱磁性的轉子管10中，轉子6的剛度會明顯提高。在弱磁性轉子管10和塑料管之間形成的空腔能在必要時被澆注。由此進一步提高剛度。在圖2所示的實施例中，在轉子6的兩個端面側上布置了轉子軸承防護板7。在左邊的轉子軸承防護板7中設有軸向軸承8(比較圖I)，其中支承著工作軸3。在圖2中僅示出了這個工作軸3的一段。此外，該工作軸3在這里還設計為空心軸。由此相對于實心軸節省了質量，這又對慣性造成有利的影響。現在借助圖3闡述另一種措施，以用于減小直線電動機的慣性，并且因此在必要 時也減小組合驅動裝置的慣性。圖3以透視圖示出了圖2中的轉子。在轉子管10上，在整個外表面上分布著多個永磁體11。它們在這里設計為矩形，并且布置在表面上的格柵中。在軸向方向上，這里有八個永磁體11前后相繼。它們導致形成相應的極距14。轉子6上的永磁體11未全部覆蓋轉子。它們更確切地說形成一種部分極覆蓋。其中特別有利的是，即軸向的極覆蓋等于極距的50%至85%。由于極覆蓋與極寬之間存在這種特殊的比例關系，于是提高了力與質量的比例。此外這樣還能省去永磁體，由此減少轉子的磁體成本。在圓周方向上，極遮蓋也可能能減少。當直線電動機的定子在圓周方向上具有磁性間隙時，情況特別是如此，這些磁性間隙例如是因為定子的環形線圈在軸向上延伸連接而造成的。因此，在圖3的實施例中，在圓周方向上或者說切線方向上在轉子管10上預設了磁間隙15。它比永磁體在圓周方向上的規律間距(有規律的間距)更寬，圓周上絕大多數的永磁體彼此之間都具有這個規律間距。因為轉子6不旋轉，所以磁間隙15在徑向上位于定子中磁性間隙的下方。轉子的這些位置上的永磁體在這里用處不大并因此能省去。于是又達到了減少質量或慣性的目的。一個或者多個這種磁間隙15能分散地布置在轉子的圓周上。它們在軸向方向上延伸，覆蓋轉子6的整個長度。另一種減少轉子6的質量的可能性在于，省去一個或多個轉子軸承防護板7中的材料。特別有利的是，圓柱形轉子6的轉子軸承防護板7具有相應的凹進處。在根據圖3的實施例中，轉子軸承防護板7在圓周上分布地具有多個凹進處，以至于在各個凹進處之間只保留有輪輻16。這些輪輻16用于實現所必需的剛度，并且避免了轉子軸承防護板中不必要的材料。具有輪輻的轉子軸承防護板就也引起慣性的減小。借助圖4和圖5示出了本發明的另一種實施方式，利用這種實施方式能減小一種圓柱形直線電動機的慣性。圖4中所示的轉子6等同于圖3的轉子。轉子6在兩個端面側上具有軸承防護板7。在這里，通過這兩個軸承防護板7在軸向方向上引導兩根引導桿17。在這些引導桿17上抗扭地但是可線性運動地支承著轉子6。圖5的縱截面圖示出了轉子6支承在引導桿17上的細節。通過使用滑動軸承來替換滾珠軸承或滾動軸承，能達到節省重量的目的。因此，在圖5的實施例中，在轉子軸承防護板7中設計了相應的滑動襯套18。引導桿17在這些滑動襯套18中可線性運動。引導桿17被固定在直線電動機的定子上，從而使得圓柱形的轉子6在直線電動機的圓柱形定子的內部可線性運動。由于滑動襯套18的質量小，所以轉子6能相應地動力更強地運動。于是，利用所有上述的措施能達到讓直線電動機或者說組合驅動裝置具有更高的加速性能的目的。每個所述措施都對提 高動力做出其貢獻。
權利要求
1.一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置，所述組合驅動裝置具有 -旋轉電動機(I)， -直線電動機(2)，以及 -工作軸(3)，所述工作軸能由所述旋轉電動機轉入旋轉運動，并且能由所述直線電動機轉入線性運動，并且所述工作軸具有輸出側(4)， 其特征在于， 所述旋轉電動機(I)和所述直線電動機(2 )相比更接近地布置在所述工作軸(3 )的所述輸出側(4)上。
2.根據權利要求I所述的組合驅動裝置，其中，所述直線電動機(2)設計為管形。
3.一種特別是用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機(2)，所述圓柱形直線電動機具有 -管形的轉子(6)，在所述轉子上在軸向方向上布置了多個永磁體(11)，以及 -工作軸(3)，所述工作軸能由所述直線電動機轉入線性運動，其特征在于， -所述轉子(6)在軸向方向上的壁厚至少局部地根據所述永磁體的布置情況而改變。
4.根據權利要求3所述的圓柱形直線電動機，其中，所述管形的轉子(6)的內壁在軸向方向上具有波浪式的輪廓。
5.根據權利要求3或4所述的圓柱形直線電動機，其中，所述永磁體(11)在所述轉子(6)上根據極距(14)布置，并且所述轉子的壁厚小于或者等于所述極距的三分之一。
6.根據權利要求3至5中任一項所述的圓柱形直線電動機，其中，在所述轉子(6)中插入塑料管，所述塑料管加固所述轉子。
7.根據權利要求6所述的圓柱形直線電動機，其中，在所述轉子(6)和所述塑料管之間的空腔被澆注。
8.一種特別是用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機(2)，所述圓柱形直線電動機具有 -管形的轉子(6)，在所述轉子上布置了多個永磁體(11)，其中，絕大部分的所述永磁體在圓周方向上以有規律的間距相互間隔， 以及 -工作軸(3)，所述工作軸能由所述直線電動機轉入線性運動，其特征在于， -至少一個間隙(15)在軸向方向上延伸,其中一些永磁體(11)穿過所述間隙在圓周方向上繼續以有規律的間距相互間隔。
9.根據權利要求8所述的圓柱形直線電動機，其中，所述轉子(6)被所述永磁體(11)在軸向上的遮蓋部分與所述極距(14)之間的比例為50%至85%。
10.一種特別是用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機(2)，所述圓柱形直線電動機具有 -管形的轉子(6)，所述轉子具有至少一個轉子軸承防護板(7)，以及 -工作軸(3)，所述工作軸能由所述直線電動機轉入線性運動，其特征在于， -在其上也固定著所述工作軸的所述轉子軸承防護板(7 )具有輪輻(16 )。
11.一種特別是用于一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置的圓柱形直線電動機(2)，所述圓柱形直線電動機具有-管形的定子， -管形的轉子(6)，其中，所述管形的轉子具有至少一個轉子軸承防護板(7)，以及 -工作軸(3)，所述工作軸能由所述直線電動機轉入線性運動，其特征在于， 所述轉子軸承防護板(7)具有滑動軸承(8)，所述轉子軸承防護板在所述滑動軸承上可線性運動地支承在所述定子的引導桿(17)上。
12.根據權利要求3至11中任一項所述的圓柱形直線電動機，其中，所述工作軸(3)是空心軸。
13.根據權利要求3至12中任一項所述的圓柱形直線電動機，其中，所述旋轉電動機 (I)和所述直線電動機(2 )相比更接近地布置在所述工作軸(3 )的所述輸出側(4 )上。
14.根據權利要求I或2所述的組合驅動裝置，或者根據權利要求8至12中任一項所述的圓柱形直線電動機(2)，其中，所述轉子(6)是管形的并且具有永磁體(11)，和其中，所述轉子在軸向方向上的壁厚至少局部地根據所述永磁體的布置情況而改變。
15.根據權利要求I或2所述的組合驅動裝置，或者根據權利要求3至7，10和11中任一項所述的圓柱形直線電動機，其中，在所述轉子(6)上布置了多個永磁體(11)，絕大部分的所述永磁體在圓周方向上以有規律的間距相互間隔，并且至少一個間隙(15)在軸向方向上延伸，其中一些永磁體穿過所述間隙在圓周方向上繼續以有規律的間距相互間隔。
16.根據權利要求2所述的組合驅動裝置，或者根據權利要求3至9和11中任一項所述的圓柱形直線電動機，其中，所述管形的轉子(6)具有至少一個轉子軸承防護板(7)，所述轉子軸承防護板具有輪輻(16)。
17.根據權利要求2所述的組合驅動裝置，或者根據權利要求3至10中任一項所述的圓柱形直線電動機，其中，所述直線電動機(2)具有管形的定子和帶有轉子軸承防護板(7)的管形的轉子(6)，和其中，所述轉子軸承防護板具有滑動軸承(18)，所述轉子軸承防護板在所述滑動軸承上可線性運動地支承在所述定子的引導桿(17)上。
全文摘要
組合驅動裝置或者直線電動機的動力應該得到改進。因此提出了一種用于進行旋轉運動和往復直線運動的組合驅動裝置，該組合驅動裝置具有旋轉電動機(1)和直線電動機(2)以及工作軸(3)，該工作軸能由旋轉電動機(1)轉入旋轉運動，并且能由直線電動機(2)轉入線性運動，并且該工作軸具有輸出側(4)。旋轉電動機(1)和直線電動機(2)相比更接近地布置在工作軸(3)的輸出側(4)上。由此能將工作軸(3)設計得更短。其它用于提高動力的措施是減小直線電動機(2)的轉子質量。
文檔編號H02K5/167GK102780380SQ201210149438
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月14日 優先權日2011年5月13日
發明者米夏埃爾·菲克, 羅爾夫·福爾默, 阿明·施特布萊因 申請人:西門子公司