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Dokumentenidentifikation DE19948490C2 15.05.2003
Titel Lineardirektantrieb
Anmelder Universität Hannover, 30167 Hannover, DE
Erfinder Kaak, Richard, 30159 Hannover, DE;
Lapp, Christoph, 30159 Hannover, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 07.10.1999
DE-Aktenzeichen 19948490
Offenlegungstag 31.05.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2003
IPC-Hauptklasse H02K 41/03

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Lineardirektantrieb.

Zum Vorschubantrieb mit linearer Bewegungsrichtung sind mechanische Linearantriebe, wie zum Beispiel Zahnstangen-, Kugelgewindespindel-, Riemen-Ketten- und Zylinderantriebe bekannt. Zudem werden als elektrische Antriebe Linearmotoren verwendet, die nach dem elektromagnetischen Prinzip eines rotierenden Motors arbeiten. Im Vergleich zu einem rotierenden Motor ist bei einem Linearmotor der Ständer des rotierenden Motors radial aufgeschnitten, aufgebogen und zu einer Ebene gestreckt, so daß ein linearer Drehstrommotor entsteht. Die bisher konzentrisch angeordneten Ständer und Läufer liegen nun ebenfalls durch einen Luftspalt voneinander getrennt zueinander planparallel. Die in einer Ebene ausgebreitete Wicklung des Linearmotors, die dem Ständer eines Rotationsmotors entspricht, wird Primärteil genannt. Das dem Läufer der Rotationsmaschine entsprechende Wicklungsteil wird als Sekundärteil bezeichnet. Der Vorschub des Sekundärteils erfolgt ähnlich wie bei einer Rotationsmaschine in dem ein dem Drehfeld des Ständers einer Rotationsmaschine entsprechendes Wanderfeld erzeugt wird, das einen Schub von dem Primärteil auf das Sekundärteil ausübt.

Ein Linearmotor, bei dem das Primärteil kürzer als das Sekundärteil ist, wird Kurzstator genannt. Wenn das Sekundärteil kürzer als das Primärteil ist, handelt es sich um einen Langstatormotor.

Weiterhin sind verschiedene Bauformen von Linearmotoren bekannt. Die einfachste Ausführung ist der Einzelkamm, bei dem ein Sekundärteil planparallel auf einem Primärteil läuft. Bei einem sogenannten Solenoid ist das Primärteil als Stab ausgeführt, auf dem ein zylinderförmiges Sekundärteil geführt ist, das achsial auf dem Stab bewegt wird. Bei dem sogenannten Doppelkamm sind beidseitig von einem rechteckförmigen Primärteil jeweils ein Sekundärteil angeordnet.

In der EP 0 784 371 A1 ist eine Antriebsschiene für einen Linearmotor beschrieben, bei der das Sekundärteil Permanentmagneten aufweist, die mit einer elektrischen Wicklung eines Primärteils zusammenwirken.

Linearmotoren dienen als Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen (z. B. HAGL, Rainer: Elektrische Direktantriebe für Werkzeugmaschinen und Industrieroboter. In Antriebstechnik 31, 1992, Nr. 4, Seiten 32 bis 45) Kranantriebe, Magnetschnellbahnen und zur Betätigung von Schaltern, Schiebern und Türen. Zudem sind Linearmotoren auch als Flüssigmetallpumpen verwendbar, wobei das flüssige Metall die Reaktionsschiene bildet. Die Linearmotoren haben den Vorteil, daß sie als berührungsloser Antrieb verschleißfrei, spielfrei und sehr präzise sind. Es werden sehr hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erreicht, so daß Linearmotoren bevorzugt für Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. Wünschenswert ist allerdings ein möglichst konstanter Spalt zwischen Primärteil und Sekundärteil, der durch zusätzliche Bauelemente gewährleistet wird. Eine hieraus resultierende Spaltproblematik ist vor allem dann gegeben, wenn eine bei der Verwendung nur eines Antriebes prinzipbedingte, relativ große vertikale statische Kraft auf die Sekundärteile bzw. das Primärteil wirkt. Zudem beinhaltet der Antrieb große Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil, die die Führungen stark belasten. Dann wirkt eine vertikale statische Kraft des Maschinenteils konstant auf die Führungsschiene, die dadurch belastet wird und wodurch eine erhöhte Reibungskraft auftritt. Bei Verwendung von zwei sich gegenüberstehenden Antrieben würden diese Kräfte kompensiert.

In der DE 30 34 418 A1 wird ein konstanter Spalt zwischen Primärteil und Sekundärteil gewährleistet, in dem die Gewichtskraft des Fahrzeugs über Teilmagnete auf den als Fahrwegelement ausgebildeten Primärteil kontaktlos übertragen werden. Die Teilmagnete sind über Federn und Dämpfer mit dem Fahrzeug verbunden, so daß sich dieser bezüglich seiner vertikalen Stellung gegenüber dem Fahrweg frei einstellt und einen konstanten Spalt gewährleistet. Diese Ausführung wird in der DE 31 04 125 C2 dahingehend weiterentwickelt, daß die Magnetanordnung des Sekundärteils mit einer Feder-Dämpfer-Kombination aufgehängt ist und über einen Spalt auf ein Joch wirkt, das einen magnetischen Rückschluß bildet. Durch den zusätzlichen Spalt wird das Fahrzeug weiter gedämpft und ein nahezu konstanter Spalt zwischen Primärteil und Sekundärteil gewährleistet. Zur Seitenführung wird vorgeschlagen, die Magnete der Sekundärteile in Abhängigkeit von der Seitenkraft quer zum Fahrzeug verschieblich auszubilden. Dies erfordert einen relativ hohen konstruktiven Aufwand.

In der DE 28 03 106 C2 ist ein Trag- und Führungssystem für ein Magnetschwebefahrzeug beschrieben, bei dem die Elektromagneten des Primärteils bzw. des Sekundärteils seitlich mit Blattfedern abgestützt sind und dadurch vertikal verschieblich gelagert sind. Weiterhin ist ein Feder-Dämpfer-Element zur Schwingungsdämpfung in vertikaler Richtung seitlich an der Blattfeder bzw. dem Elektromagneten angeordnet. Hierdurch können die auf die seitlichen Führungsschienen wirkenden Führungskräfte verringert werden. Das System ist in der DE 28 11 160 C2 dahingehend weiterentwickelt worden, daß die Polflächen der Magneteinrichtungen des Primärteils und des Sekundärteils jeweils spiegelsymmetrisch zueinander gekrümmt sind. Hierdurch wird die Seitenführung weiter verbessert. Eine Kompensation der Gewichtskraft des Fahrzeugs bzw. Maschinenteils findet nicht statt.

In der EP 0 22 617 A1 ist ein Lineardirektantrieb als Asynchronmaschine offenbart, der zwei um einen festen Winkel von 45° geneigte Antriebsschienen aufweist, um die Aufspaltung der Anzugskräfte in eine horizontale und eine vertikale Komponente zu ermöglichen. Zur Kompensation weiterer vertikaler Kräfte sind zusätzliche vertikal wirkende Antriebsschienen vorgesehen. Die Primär- und Sekundärteile der Antriebsschienen sind planparallel zueinander angeordnet und relativ zueinander in Richtung einer Bewegungsachse verschieblich. Mit den geneigten Antriebsschienen wird neben einem Antriebsmoment auch eine mindestens teilweise Kompensation von konstanten vertikalen auf Führungsschienen wirkenden Gewichtskräfte erreicht. Die Kompensation erfolgt hierbei durch eine aufwendige Stromsteuerung, wobei nachteilig die zusätzlichen Antriebsschienen erforderlich sind.

Ausgehend von der EP 0 224 617 A1 ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Linearantrieb anzugeben, bei dem ein konstanter Luftspalt mit einfachen Mitteln gewährleistet wird und eine Führung des Lineardirektantriebs nach Möglichkeit ohne weitere zusätzliche Maschinenelemente gewährleistet werden kann.

Die Aufgabe wird durch den Lineardirektantrieb mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Durch die Bemessung des Neigungswinkels der Antriebsschienen des als Synchronmaschine arbeitenden Lineardirektantriebs genau so, dass die auf die Führungsschienen wirkende konstante vertikale Gewichtskraft durch die vertikale Komponente der durch die Antriebsschienen aufgebrachten Kraft kompensiert wird, ist es möglich, die statischen Vertikalkräfte durch die horizontalen Komponenten der in Normalrichtung wirkenden Anziehungskräfte der relativ zueinander geneigten Antriebsschienen genau zu kompensieren. Der Neigungswinkel der Antriebsschienen wird genau auf die vertikale statische Kraft abgestimmt, die auf die Führungsschienen wirkt. Diese vorgeschlagene Entlastung des Lineardirektantriebs hat den Vorteil, daß keine weiteren Maschinenelemente zur Spaltregulierung und zur Tragfunktion erforderlich sind.

Es ist vorteilhaft, wenn zwei Antriebsschienen vorgesehen sind, die jeweils um den gleichen Winkel in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigt sind. Dann berechnet sich der optimale Neigungswinkel aus der zu kompensierenden statischen Kraft FG und der auf eine Antriebsschiene wirkenden Normalkraft FA durch die Gleichung = arcsin(FG/2FA).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Ausschnitt einer Werkzeugmaschine mit einem in Z-Richtung durch zwei Antriebsschienen als Lineardirektantrieb verschiebbaren Maschinenteil;

Fig. 2 Kräftediagramm für zwei relativ zueinander in Bezug auf eine horizontale Ebene geneigte Antriebsschienen;

Fig. 3 perspektivische Ansicht eines Lineardirektantriebs.

Die Fig. 1 läßt einen Linearantrieb erkennen, bei dem ein Maschinenteil 1 zwei jeweils um den gleichen Winkel in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigte Antriebsschienen 2 hat. Die Antriebsschienen 2 sind jeweils aus einem Sekundärteil 3 und jeweils einem Primärteil 4 gebildet. Das Sekundärteil 3 und das Primärteil 4 liegen planparallel zueinander und sind durch einen Spalt voneinander beabstandet. Es sind Führungsschienen 5 vorgesehen, die sich in Richtung der Bewegungsachse des Maschinenelementes, d. h. in dem dargestellten Beispiel die Z-Richtung, erstrecken. Die Primärteile 4 sind jeweils an einem Rahmen 6 befestigt, die mit zwei sich in vertikaler Richtung erstreckende Linearmotoren in Y-Richtung nach oben und unten verschiebbar sind. Das Maschinenteil 1 kann zum Beispiel ein Spindelkasten sein, der eine rotierende Spindel 7 zur Bearbeitung von Werkstücken trägt.

Die sich in horizontaler Richtung erstreckenden Sekundärteile 3 zur Bewegung des Maschinenteils 1 in horizontaler Z-Richtung sind mit Permanentmagneten ausgeführt. Hierdurch entfallen Bürsten zur Übertragung von elektrischer Energie auf das bewegliche Maschinenteil 1. Die Primärteile 4 haben hingegen eine elektrische Wicklung, zum Beispiel eine Drehstromwicklung.

Durch das Eigengewicht des Maschinenteils 1 mit der Spindel 7 und dem Sekundärteil 3 wirkt eine konstante Gewichtskraft auf die Führungsschienen 5. Diese Gewichtskraft FG kann, wie in dem Kräftediagramm der Fig. 2 skizziert ist, durch die vertikalen Kraftkomponenten F *|1Y und F *|2Y der auf die beiden Sekundärteile 3 wirkenden ersten und zweiten Normalkräfte F1 und F2 kompensiert werden. Diese vertikalen Kraftkomponenten F *|1Y und F *|2Y werden dadurch bereit gestellt, dass die aus den Sekundärteilen 3 und den entsprechenden Primärteilen 4 gebildeten Antriebsschienen 2 um einen Neigungswinkel in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigt sind. Dadurch, dass die Antriebsschienen relativ zueinander geneigt sind, werden die in X-Richtung wirkenden horizontalen Kraftkomponenten F *|1X und F *|2X der auf die Antriebsschienen wirkenden ersten und zweiten Normalkraft F1 und F2 gegeneinander aufgehoben. Wesentlich ist hierbei, daß immer sämtliche Gewichtskräfte der bewegten Komponenten kompensiert werden, insbesondere auch die des Primär- oder Sekundärteils, je nachdem, welches bewegt wird.

Die Fig. 3 läßt das Funktionsprinzip eines Lineardirektantriebs erkennen, bei dem das Sekundärteil 3 planparallel und beabstandet zu einem Primärteil 4 verläuft. Das Sekundärteil 3 ist auf einem Schlitten 8 angebracht, der auf Führungsschienen 5 in horizontaler Richtung verschieblich gelagert ist. Zur Wegmessung, d. h. zur Bestimmung der Position des Sekundärteils 3 bzw. des Schlittens 8, ist ein Wegaufnehmer 9 an dem Schlitten 8 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel ist ein optischer Wegaufnehmer 9 gezeigt, der eine Wegveränderung anhand von Kerben an einem stationären Teil des Lineardirektantriebs erkennt. Es ist aber auch denkbar, andere Prinzipien für den Wegaufnehmer 9 vorzusehen.

Wenn der dargestellte Lineardirektantrieb um 90° um die Verfahrachse gekippt wird, so daß der Schlitten 8 mit dem Sekundärteil 3 vertikal steht, lässt sich die statische vertikale Kraft aufgrund der Schwerkraft des Schlittens 8 und des Sekundärteils 3 auf die Führungsschienen 4 - wie bereits oben erläutert - durch zwei Antriebsschienen kompensieren, die jeweils um den gleichen Winkel in Bezug auf die horizontale Ebene zueinander geneigt angeordnet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Lineardirektantrieb mit Führungsschienen (5) und mit einem Maschinenteil (1), das mindestens zwei Antriebsschienen (2) enthält, wobei durch das Eigengewicht des Maschinenteils (1) eine konstante vertikale Gewichtskraft (FG) auf die Führungsschienen (5) wirkt und die Antriebsschienen (2) jeweils aus einem Primärteil (4) mit einer elektrischen Wicklung und einem entsprechenden Sekundärteil (3) mit Permanentmagneten gebildet sind, wobei das Sekundärteil (3) planparallel zu dem entsprechenden Primärteil (4) angeordnet ist, die Primärteile (4) und die Sekundärteile (3) relativ zueinander in Richtung einer Bewegungsachse verschieblich sind und wobei die durch die Antriebsschienen (2) aufgespannten Ebenen jeweils um einen Neigungswinkel in Bezug auf eine horizontale Ebene geneigt sind, wobei die Neigungswinkel genau so bemessen sind, daß die auf die Führungsschienen (5) wirkende konstante vertikale Gewichtskraft (FG) durch die vertikale Komponente der durch die Antriebsschienen (2) aufgebrachten Kraft kompensiert wird.
  2. 2. Lineardirektantrieb nach Anspruch 1 mit genau zwei Antriebsschienen (2), wobei die Neigungswinkel der durch die Antriebsschienen (2) aufgespannten Ebene gleich sind.
  3. 3. Lineardirektantrieb nach Anspruch 2, wobei die durch die Antriebsschienen (2) aufgespannten Ebenen von der horizontalen Ebene nach oben zueinanderlaufend geneigt sind.
  4. 4. Lineardirektantrieb nach Anspruch 2, wobei die durch die Antriebsschienen (2) aufgespannten Ebenen von der horizontalen Ebene nach oben voneinander weglaufend geneigt sind.






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