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Dokumentenidentifikation DE3149214C2 19.05.1993
Titel Gleichstromlinearmotor
Anmelder Papst-Motoren GmbH & Co KG, 7742 St Georgen, DE
Erfinder von der Heide, Johann, 7733 Mönchweiler, DE
Vertreter Schwan, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 11.12.1981
DE-Aktenzeichen 3149214
Offenlegungstag 30.06.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
Addition 32460643
IPC-Hauptklasse H02K 41/035

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromlinearmotor mit einer einen ferromagnetischen Rückschluß aufweisenden Dauermagnetanordnung und einer mehrsträngigen Wicklung, die gegeneinander bewegbar sind, insbesondere für Antriebe in der Datentechnik, wobei die Wicklung aus mehreren in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbaren Spulen besteht, die jeweils um einen Pol mindestens eines zusammen mit der Dauermagnetanordnung einen im wesentlichen ebenen Luftspalt bildenden, genuteten Flußführungsteils mit zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse überlappungsfrei herumgelegt sind, und wobei das Verhältnis von Spulenteilung zu Magnetteilung 2 : 3 beträgt, nach DE-PS 31 23 441.

Das Hauptpatent (DE-PS 31 23 441), auf dessen Inhalt vorliegend zur Vermeidung von Wiederholungen in vollem Umfang Bezug genommen wird, geht von einem bekannten Gleichstromlinearmotor (DE-OS 26 54 075) aus, bei dem auf der Innenseite mindestens einer von zwei parallelen ferromagnetischen Schienen eine Reihe von senkrecht zu der Längsrichtung und in dieser Richtung abwechselnd magnetisierten Magneten angeordnet ist. Eine relativ zu den Schienen bewegbare stromdurchflossene Spulenanordnung weist mindestens zwei zwischen der einen Magnetreihe und der anderen Schiene bzw. zwischen den Magnetreihen beider Schienen in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnete Flachspulen auf, deren Breitseiten parallel zur Spulenbewegungsrichtung liegen und deren Teilung bei dreisträngigem Motor zur Magnetteilung im Verhältnis 4 : 3 steht.

Mit der eingangs genannten Lösung des Hauptpatents wird ein Gleichstromlinearmotor erhalten, der sich mit kleinem Luftspalt und damit hoher Leistung besonders einfach aufbauen läßt. Auch bei dem Gleichstromlinearmotor des Hauptpatents werden jedoch von den in der Bewegungsrichtung außen liegenden Endflächen der Wicklungspole zusätzlich Magnetfelder eingefangen. Da beide Endflächen nur in bestimmten Stellungen der Wicklungspole zu den Magnetpolen symmetrisch sind, entstehen relativ starke, die Bewegung des Läufers störende Reluktanzkräfte.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrphasigen Linearmotor mit ausgeprägten Wicklungspolen diese störenden Reluktanzkräfte mindestens teilweise zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der in der Bewegungsrichtung liegenden Seiten der Endpole ferromagnetische Hilfspole angebracht sind. Mit Hilfe solcher Hilfspole lassen sich die Reluktanzkräfte weitestgehend zum Verschwinden bringen.

Die Hilfspole können durch Verlängern des äußeren Teils der Endpolschuhe gebildet sein. Es ist aber auch möglich, als Hilfspole von den Wicklungspolen getrennte Pole vorzusehen. Im letztgenannten Fall können die Hilfspole zweckmäßig von nach außen bevorzugt rechtwinklig abgebogenen Enden eines U-förmigen ferromagnetischen Teils gebildet sein. Die Hilfspole können in Blickrichtung senkrecht zur Bewegungsebene des Läufers rechteckig ausgebildet sein. Als besonders günstig erwiesen sich aber Hilfspole, die in Bewegungsrichtung gesehen keilförmig ausgebildet sind. In bevorzugter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner der Luftspalt zwischen den Hilfspolen und den Polflächen der Dauermagnetanordnung keilförmig. Dabei kann die Aufbiegehöhe der Hilfspole zweckmäßig gleich dem 0,1- bis 0,5fachen, und vorzugsweise im wesentlichen gleich dem 0,2fachen, der Spulenteilung sein. Der Überstand der Hilfspole ist vorzugsweise gleich dem 0,8- bis 1,2fachen der Spulenteilung. Die Hilfspole können in der Bewegungsrichtung mit einem Krümmungsradius gekrümmt sein, der zweckmäßig gleich dem 0,2- bis 3fachen der Spulenteilung ist. Vorteilhaft kann der Schrägungswinkel der keilförmigen Hilfspole 10° bis 40° betragen, während der von den Hilfspolen und der Polfläche der Dauermagnetanordnung begrenzte mittlere Keilwinkel vorzugsweise zwischen 20° und 50° liegt.

Im übrigen sind wie auch bei dem Motor des Hauptpatents die Wicklungspole im Interesse einer wirkungsvollen magnetischen Flußführung vorzugsweise im wesentlichen T-förmig gestaltet. Die Magnetpolbreite ist in der Bewegungsrichtung zweckmäßig mindestens gleich der Größe der Spulenteilung, während die Wicklung vorzugsweise dreisträngig ausgebildet ist.

Die Magnetanordnung kann feststehen, während der Läufer mindestens drei in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgende, jeweils eine Spule tragende Wicklungspole aufweist. In einem solchen Fall können mindestens zwei Läufer-Flußführungsteile mit zugehörigen Spulen symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Magnetanordnung sitzen. Es kann aber auch nur ein Läufer-Flußführungsteil vorgesehen sein, das mit Bezug auf die Magnetanordnung und eine mit dem Läufer verbundene Last zweckmäßig so angeordnet ist, daß der gemeinsame Schwerpunkt von Läufer und Last dem Luftspalt und/oder einer Läuferführungsbahn näher liegt als der Lastschwerpunkt und der Läuferschwerpunkt jeweils allein.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform kann die Magnetanordnung als Läufer ausgebildet sein. Beidseitig des Läufers kann je eine Führungsstange vorgesehen sein, auf welcher der Läufer mittels einer Dreipunktabstützung gelagert ist, die vorzugsweise mit zwei in der Bewegungsrichtung des Läufers in Abstand voneinander angeordneten, mit der einen Führungsstange zusammenwirkenden Doppelkegelrollen sowie einer mit der anderen Führungsstange zusammenwirkenden Zylinderrolle versehen ist. Für die Führung kann dabei die magnetische Zugkraft ausgenutzt werden. Die Rollen lassen sich in einem Rahmen drehbar lagern, der auf der von den Rollen abgewendeten Seite der Führungsstangen eine Abfallsicherung, beispielsweise in Form von die Führungsstangen übergreifenden Nasen, trägt.

Der Motor kann kollektorlos ausgebildet sein, und es kann eine elektronische Kommutierungseinrichtung vorgesehen sein, mittels deren die Spulen in Abhängigkeit von der Lauferstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbar sind. Schließen in einem solchen Fall die einander abwechselnden Pole der Dauermagnetanordnung entlang der Bewegungslinie des Läufers mehr oder minder lückenlos aneinander an, kann die Kommutierungseinrichtung im direkten Feld der Dauermagnetanordnung sitzende, magnetfeldempfindliche Läuferstellungssensoren, beispielsweise Hallgeneratoren, Feldplatten, Magnetdioden, oder bistabil schaltende Hall-IC, aufweisen. Grundsätzlich können aber auch optische oder mechanische Kommutierungssensoren vorgesehen sein. Beispielsweise kann bei stehender Magnetanordnung die Kommutierung über parallel in der Teilung der Magnete angeordnete Leitsegmente und drei Bürsten erfolgen, die in der Teilung der Spulen liegen, um auf diese Weise einen Linearkollektormotor zu erhalten.

Besonders günstig ist es, wenn die einander am Luftspalt gegenüberliegenden Lücken zwischen den Dauermagnetpolen und den Polen des genuteten Flußführungsteils nichtparallel sind, beispielsweise indem die Magnetpollücken oder die Nuten eine Schrägung aufweisen oder der Schrägungswinkel der Magnetpollücken und der Nuten unterschiedlich bemessen ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors,

Fig. 2 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 1 für eine Ausführungsform mit gesonderten Hilfspolen,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend der Linie III- III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 2,

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine Seitenansicht für eine weiter abgewandelte Ausführungsform,

Fig. 7 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 6, und

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 7.

Die in den Figuren veranschaulichten Linearmotoren sind dreisträngig aufgebaut. Die drei Wicklungsstränge werden jeweils von Spulen 10, 11, 12 gebildet, die überlappungsfrei um je einen T-förmig gestalteten Wicklungspol 13, 13&min; bzw. 13&min;&min; eines genuteten Flußführungsteils 14 herumgelegt sind, bei dem es sich beispielsweise um ein Blechpaket oder um einen Sinterkörper handeln kann. Polschuhe 23, 23&min;, 23&min;&min; der Pole 13, 13&min;, 13&min;&min; begrenzen gemeinsam mit einer Magnetanordnung 25 einen ebenen Luftspalt 26. Die Magnetanordnung 25 weist eine Folge von Magnetplatten 27 auf, die in einer Richtung abwechselnd magnetisiert sind, welche sich senkrecht zu der Bewegungsrichtung eines im wesentlichen von dem Flußführungsteil 14 und den Spulen 10 bis 12 gebildeten Läufers 28 erstreckt.

In Fig. 1 sind die Spulenteilung mit Tsp und die Magnetteilung mit Tm bezeichnet. Diese Teilungen stehen im Verhältnis 2 : 3. Die Magnetisierung hat in der Bewegungsrichtung des Läufers einen im wesentlichen rechteckigen oder trapezförmigen Verlauf. Die Dauermagnetpolbreite sollte mindestens eine der Spulenteilung Tsp entsprechende Abmessung haben. Über den Magnetplatten 27 sitzt ein ferromagnetischer Rückschluß 29. An Stelle der einzelnen Magnetplatten 27 kann auch ein entsprechend abwechselnd magnetisierter Dauermagnetstreifen vorgesehen sein. Für die Magnetanordnung 25 eignen sich u. a. kunststoffgebundene Magnete oder sogenannte Gummimagnete, d. h. Mischungen aus Hartferriten und elastischem Material. Es können aber auch Keramikmagnete oder Magnete aus Samariumkobalt vorgesehen sein.

Zur Strombeaufschlagung der Spulen 10, 11, 12 kann eine an sich bekannte (in der Zeichnung nicht dargestellte) elektronische Kommutierungseinrichtung (vergleiche beispielsweise DE-OS 26 54 075) vorhanden sein. Als magnetfeldempfindliche Läuferstellungssensoren eignen sich dabei Hallgeneratoren, Hall-ICs, Feldplatten, Magnetdioden und dergleichen, die unmittelbar im Feld der Magnetanordnung 25 sitzen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind zur Unterdrückung von störenden Reluktanzkräften die äußeren Teile der Polschuhe 23&min;, 23&min;&min; der Endpole 13&min;, 13&min;&min; verlängert, wodurch Hilfspole 32, 33 gebildet werden. Bei der abgewandelten Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 sind die Polschuhe 23 gleich aufgebaut. Als Hilfspole 34 sind von den Wicklungspolen 13 getrennte Pole an beiden in Bewegungsrichtung liegenden Enden des Flußführungsteils 36 vorgesehen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Hilfspole 34 in Blickrichtung senkrecht zur Läuferbewegungsebene bzw. zur Ebene des Luftspalts 26 rechteckig.

Im Falle der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 ist zusätzlich zu einem die Wicklungspole 13 bildenden Flußführungsteil 37 ein das Flußführungsteil 37 zusammen mit den Spulen 10 bis 12 übergreifendes U-förmiges ferromagnetisches Teil 45 vorgesehen. Dieses Teil 45 weist rechtwinklig nach außen gebogene, die Hilfspole 57, 58 bildende Enden auf. Die Hilfspole 57, 58 sind, wie aus Fig. 5 hervorgeht, in Bewegungsrichtung gesehen keilförmig gestaltet.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 stimmt mit derjenigen nach den Fig. 4 und 5 mit der Ausnahme überein, daß die Hilfspole 59, 60 nicht parallel zu der ihnen zugewendeten Außenseite der Magnetplatten 27 verlaufen, sondern derart abgewinkelt sind, daß die Luftspalte 61, 62 zwischen den Hilfspolen 59, 60 und den Polflächen der Magnetplatten 27 keilförmig sind.

Die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 ist wiederum weitgehend ähnlich derjenigen nach Fig. 6. Das U-förmige ferromagnetische Teil 45 ist zur Bildung der Hilfspole 63, 64 an seinen Enden mit einem Krümmungsradius R abgebogen, wobei der Überstand 1 der Hilfspole 63, 64 gleich dem 0,8- bis 1,2fachen der Spulenteilung Tsp und die Aufbiegehöhe h der Hilfspole gleich dem 0,1- bis 0,5fachen und vorzugsweise im wesentlichen gleich dem 0,2fachen der Spulenteilung Tsp ist. Der Krümmungsradius R kann zweckmäßig gleich dem 0,2- bis 3fachen der Spulenteilung Tsp sein, während der mittlere Keilwinkel α zweckmäßig zwischen 20° und 50° sowie der Schrägungswinkel β der symmetrisch keilförmigen Hilfspole 63, 64zwischen 10° und 40° betragen kann.

Es versteht sich, daß auch die Wicklung feststehen und der Läufer von der Dauermagnetanordnung gebildet sein kann. Der mechanische Aufbau kann im übrigen in der im einzelnen im Hauptpatent veranschaulichten und erläuterten Weise ausgelegt sein.


Anspruch[de]
  1. 1. Gleichstromlinearmotor mit einer einen ferromagnetischen Rückschluß aufweisenden Dauermagnetanordnung und einer mehrsträngigen Wicklung, die linear gegeneinander bewegbar sind, insbesondere für Antriebe in der Datentechnik, wobei die Wicklung aus mehreren in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbaren Spulen besteht, die jeweils um einen Pol mindestens eines zusammen mit der Dauermagnetanordnung einen im wesentlichen ebenen Luftspalt bildenden, genuteten Flußführungsteils mit zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse überlappungsfrei herumgelegt sind, und wobei das Verhältnis von Spulenteilung zu Magnetteilung 2 : 3 beträgt, nach DE-PS 31 23 441, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der in der Bewegungsrichtung liegenden Seiten der Endpole (13&min;, 13&min;&min;) ferromagnetische Hilfspole (32, 33, 34, 57, 58, 59, 60, 63, 64) angebracht sind.
  2. 2. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (32, 33) durch Verlängern des äußeren Teils der Endpolschuhe (23&min;, 23&min;&min;) gebildet sind.
  3. 3. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfspole (34, 57, 58, 59, 60, 63, 64) von den Wicklungspolen (13, 13&min;, 13&min;&min;) getrennte Pole vorgesehen sind.
  4. 4. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (57, 58, 59, 60, 63, 64) von nach außen abgebogenen Enden eines U-förmigen ferromagnetischen Teils (45) gebildet sind.
  5. 5. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole von dem U-förmigen ferromagnetischen Teil (45) rechtwinklig nach außen abgebogen sind.
  6. 6. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (34) in Blickrichtung senkrecht zur Bewegungsebene rechteckig sind.
  7. 7. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (57, 58, 59, 60, 63, 64) in Bewegungsrichtung gesehen keilförmig ausgebildet sind.
  8. 8. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (61, 62) zwischen den Hilfspolen (59, 60, 63, 64) und der Polfläche der Dauermagnetanordnung (25) keilförmig ist.
  9. 9. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbiegehöhe (h) der Hilfspole (59, 60, 63, 64) gleich dem 0,1- bis 0,5fachen und vorzugsweise im wesentlichen gleich dem 0,2fachen, der Spulenteilung (Tsp) ist.
  10. 10. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (1) der Hilfspole (32, 33, 34, 57, 58, 59, 60, 63, 64) gleich dem 0,8- bis 1,2fachen der Spulenteilung (Tsp) ist.
  11. 11. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (63, 64) in der Bewegungsrichtung gekrümmt sind.
  12. 12. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) der Hilfspole (63, 64) gleich dem 0,2- bis 3fachen der Spulenteilung (Tsp) ist.
  13. 13. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkel (β) der keilförmigen Hilfspole (57, 58, 59, 60, 63, 64) 10° bis 40° beträgt.
  14. 14. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Hilfspolen (59, 60, 63, 64) und der Polfläche der Dauermagnetanordnung (25) begrenzte mittlere Keilwinkel (α) 20° bis 50° beträgt.






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