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Dokumentenidentifikation DE60123831T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001344302
Titel DREIPHASEN-WECHSELSTROMGESPEISTER ELEKTRISCHER LINEARMOTOR
Anmelder Motor Power Co. S.r.l., Castelnovo Sotto, IT
Erfinder ANCESCHI, Stefano, I-42100 Reggio Emilia, IT
Vertreter Gleiss Große Schrell & Partner Patentanwälte Rechtsanwälte, 70469 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 60123831
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.11.2001
EP-Aktenzeichen 012716858
WO-Anmeldetag 19.11.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/IT01/00579
WO-Veröffentlichungsnummer 2002050984
WO-Veröffentlichungsdatum 27.06.2002
EP-Offenlegungsdatum 17.09.2003
EP date of grant 11.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H02K 41/03(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Lineare Elektromotoren haben seit kurzer Zeit Anwendung auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen gefunden.

Lineare Elektromotoren sind mit Dauermagneten ausgestattet, angeordnet gleichmässig an dem feststehenden Teil des Motors, und mit Spulenblöcken, die auf verschiedenen Kernen montierte Spulen tragen, welche Spulenblöcke in einer parallelen Richtung zu den feststehenden Magneten beweglich sind. Die Spulenblöcke werden in einem gleichbleibenden Abstand von den Magneten gehalten, und zwar durch eine mechanische Vorrichtung, basierend auf der Verwendung von speziellen längsverlaufenden Gleitführungen.

Bei dieser Kategorie von Motoren ist es eine der hauptsächlichsten Aufgaben der Konstrukteure zu sichern, dass die Bewegung des Spulenblockes so gleichmässig wie möglich ist. Es musste dabei die Tatsache berücksichtigt werden, dass die Bewegung des Spulenblockes grösstenteils durch die hohe Anziehungskraft beeinflusst wird, die sich zwischen dem feststehenden Teil und dem beweglichen Teil des Motors entwickelt, und zwar dank des starken Magnetfeldes, das durch die verwendeten speziellen Magneten erzeugt wird.

Es besteht praktisch eine deutliche Tendenz zum „cogging", ein Ausdruck, der zum Beschreiben eines Schleifens des beweglichen Teils in den Positionen der stärksten Anziehungskraft benutzt wird, ausgeübt auf den beweglichen Teil (Spulenblock) durch die feststehenden Magneten. Dies ist bei einer Arbeit von hoher Präzision um jeden Preis zu vermeiden. Betreffend das Problem des „cogging" wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Viele beziehen eine entsprechende Anordnung des Spulenblocks und der feststehenden Magneten mit ein, bei welcher, während eines Laufs des beweglichen Teils, eine bedeutende Anzahl von Kernen nie direkt derselben Anzahl von Magneten zugewandt ist.

Zum Beispiel die Patentveröffentlichung Nr. WO 99/41825 zeigt eine Lösung, welche im wesentlichen auf der Tatsache basiert, dass der bewegliche Teil des Motors aus Blöcken von neun Spulen besteht, von welchen jeder der Blöcke acht Mal dem Abstand der feststehenden Magneten entspricht und von einem angrenzenden Block durch einen Abstand getrennt ist, der 2/3, 1/3 oder 1/2 des Magnetabstandes entspricht.

Bei der obigen Lösung ist der Zweck, den oben beschriebenen Nachteil zu begrenzen, und zwar durch eine Auslegung, in welcher der Abstand, oder der Schritt, zwischen den Kernen des beweglichen Teils geringer ist als der Abstand zwischen den feststehenden Magneten; dieses Verhältnis beträgt 8/9. Natürlich sind neuere Lösungen des obigen Problem im Entwicklungsstadium, und sie sind auch andere Probleme betreffend wirksam, so wie die Einfachheit in der Konstruktion, niedrige Trägheit des beweglichen Teils, vorteilhafte Kosten usw.

Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist, einen dreiphasen-wechselstromgespeisten linearen Elektromotor vorzusehen, bei welchem das „cogging"-Phänomen (fehlende Glätte beim Vorlaufen des beweglichen Teils), charakteristisch bei diesem Motortyp, praktisch ausgeschlossen ist.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist, einen dreiphasen-wechselstromgespeisten linearen Elektromotor mit solchen Eigenschaften vorzusehen, welche ihn geeignet zur Verwendung in Werkzeugmaschinen und automatischen Maschinen machen, und der insbesondere eine niedrige Trägheit des beweglichen Teils hat.

Die obigen Zwecke sind alle erreicht mit einem dreiphasen-wechselstromgespeisten linearen Elektromotor nach der Erfindung, bei welchem eine Anzahl von Magneten an dem feststehenden Teil des Motors verankert und gleichmässig mit einem vorgegebenen Abstand voneinander verteilt sind, und bei welchem eine Anzahl von Spulen an Kernen eines Spulenblockes montiert sind, welcher Spulenblock beweglich ist in einer Richtung parallel zu den feststehenden Magneten und mit einem gleichbleibenden Abstand von diesen; bei welchem die Spulen in Blöcken von 6 oder einem Mehrfachen von 6 und gleichmässig voneinander abstehend angeordnet sind; wobei die Länge eines jeden Spulenblocks den gesamten „Schritt" der Spulen bildet und tatsächlich einer Länge von 7 feststehenden Magneten oder einem Mehrfachen von 7 entspricht, wobei dies als der gesamte „Schritt" der feststehenden Magneten betrachtet wird. Alternativ kann der feststehende Teil aus einem Spulenblock gebildet sein und der bewegliche Teils aus der Anzahl von Magneten.

Das Verhältnis zwischen dem Abstand der Spulen und dem der Magneten, wobei dieser Abstand in elektrischen Graden ausgedrückt wird, kann zwischen 200° (Spulenabstand)/180° (Magnetabstand) variieren, alles betrachtet als innerhalb des Zweckbereiches der vorliegenden Erfindung liegend.

Der ideale Wert des oben erwähnten Verhältnisses ist natürlich 210° (Spulenabstand)/180° (Magnetabstand), welcher einem Verhältnis 7/6 entspricht, oben bestimmt unter Bezugnahme auf die Zahl der Magneten und die Zahl der Spulen, enthalten innerhalb derselben Länge eines Abschnittes des linearen Motors.

Während die Spulen-Magnet-Geometrie in Mehrfachen von 6 oder 7 wiederholt wird, wobei dem oben erwähnten Verhältnis gefolgt wird, wird die Folge von Verbindungen zwischen den Spulen vorzugsweise in Mehrfachen von 12 wiederholt; wo, indem mit R, S, T die drei Speisungsphasen bezeichnet werden, die Spulen zum Beispiel nach R, –R, –T, T, S, –S, –R, R, T, –T, –S, S geordnet sind.

In Übereinstimmung mit den oben erwähnten strukturellen Eigenschaften wird ein linearer Motor erhalten, bei welchem der einzelne Abstand zwischen den einzelnen Kernen des beweglichen Spulenblockes grösser ist als der einzelne Abstand zwischen den einzelnen feststehenden Magneten, und das Verhältnis ist enthalten zwischen einem spezifischen Intervall, mit dem Ergebnis, dass eine beachtliche Reduzierung des „cogging"-Phänomens erhalten wird und der Motor daher besonders für Präzisionsarbeiten geeignet ist, und zwar dank der Einfachheit und der niedrigen Trägheitswerte der beweglichen Gruppe im Verhältnis zu den Lösungen, bei welchen die Zahl der Spulen grösser ist als die Zahl der Magneten.

Eine präzise Definition der Erfindung ist in den Patentansprüchen 1 und 7 gegeben.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung einer vorgezogenen, doch nicht ausschliesslichen Ausführung der Erfindung hervor, dargestellt rein als ein nicht begrenzendes Beispiel in den Abbildungen der beiliegenden Zeichnungen, in welchen:

eine Frontansicht im Schnitt von einem Abschnitt eines linearen Elektromotors nach der Erfindung ist;

ist eine Frontansicht eines Bestandteils des Motors aus ;

ist eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, von dem strukturellen Teil des linearen Motors aus ;

ist eine Frontansicht im Schnitt von einer weiteren Ausführung des linearen Motors nach der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die der Zeichnungen ist ein Abschnitt des linearen Motors mit 10 bezeichnet. Der feststehende Teil 11 weist eine Serie von Dauermagneten 12 auf, angeordnet mit einem gleichbleibenden Abstand voneinander. Die Magneten sind in der diese Ausführung zeigenden Abbildung von 1 bis 14 numeriert, und der Abstand ist mit Tm bezeichnet.

Mit 13 ist der Spulenblock bezeichnet, welcher der bewegliche Teil des Motors ist, angeordnet gegenüberliegend dem feststehenden Teil 11. Dieser Spulenblock 13 kann sich in zwei Richtungen A und B bewegen, je nach der Dreiphasenfolge in den an den Kernen 15 der beweglichen Struktur montierten Spulen 14.

Die Kerne 15 des Spulenblockes 13 sind in der diese Ausführung zeigenden Abbildung von 1 bis 12 numeriert, und der Abstand ist mit Td bezeichnet. Der Abstand ist errechnet aus der Summe des Abstandes Tx zwischen den Seiten der mittleren Wicklung einer normalen Spule 14 und dem Abstand Ty zwischen den Seiten der mittleren Wicklungen von zwei aneinandergrenzenden Spulen.

Aus dem, wie oben erwähnt wurde, kann beobachtet werden, dass der feststehende Teil 11 und der Spulenblock 13 von gleicher Länge sind, die Zahl der Magneten 14 ist und die Zahl der Spulen 12 ist. Unter Berücksichtigung somit, dass der Abstand oder der Schritt Td zwischen den Spulen 1/12 der Länge beträgt und der Abstand oder Schritt Tm ein 1/14 derselben Länge ist, dann beträgt das Verhältnis zwischen den Abständen Td und Tm 14/12, beziehungsweise 7/6.

Dieses Verhältnis kann auch unter Berücksichtigung der elektrischen Phasenverschiebung zwischen zwei Spulen 14 und zwei Magneten 12 ausgedrückt werden.

Während die Phasenverschiebung zwischen zwei aneinandergrenzenden Magneten 12 von entgegengesetzter Polarität offensichtlich 180° beträgt, ist die Verschiebung zwischen zwei aneinandergrenzenden Spulen 14 (180·7/6) = 210, berücksichtigt man die Länge des Polarsektors zwischen zwei aufeinander folgenden Achsen der Spulen 14; somit ist das Verhältnis zwischen der Verschiebung zwischen zwei aneinandergrenzenden Spulen und der Verschiebung zwischen zwei aneinandergrenzenden Magneten 210°/180°, und dieses Verhältnis ist offensichtlich 7/6, wie vorstehend erwähnt.

Es lohnt sich hier erwähnt zu werden, dass, unabhängig von der hier berücksichtigten Ausführung, die Gültigkeit der Lösung solange bestehen bleibt, wie der in Graden der elektrischen Verschiebung ausgedrückte Abstand zwischen zwei aneinandergrenzenden Spulen in einem linearen Motor nach der vorliegenden Erfindung zwischen 200° und 220° beträgt. Aus durchgeführten Versuchen geht hervor, dass bei linearen Elektromotoren, in welchen die Spulen um einen elektrischen Winkel voneinander abstehend sind, der in den oben erwähnten Bereich fällt, jeder Mangel an Unebenheit bei der Bewegung von unerheblichem Umfang ist.

In ist ein Bestandteil des Spulenblockes 13 gezeigt. Ein ferromagnetischer Streifen 16 ist Teil des Kerns des Spulenblockes. Offensichtlich ist er mit ähnlich gearteten Streifen verbunden und ist durch Schrauben oder ähnlichem in den Vertiefungen 17 an einer oberen Platte 18 verankert, welche, wie in gesehen werden kann, an Schlitten 19 befestigt ist, die entlang der fest an der feststehenden Struktur 11 des Motors gehaltenen Längsführungen 20 gleiten.

Die Kerne des Spulenblockes 13 in der vorliegenden Ausführung, bei welchen es sich in der Tat um 12 Zähne handelt, um welche die Spulen 14 gewickelt sind, werden mit Dreiphasen-Wechselstrom gespeist, und zwar in einer Ordnung (wobei die Phasen mit R, S und T bezeichnet sind), welche folgende sein kann:

R, –R, –T, T, S, –S, –R, R, T, –T, –S, S

oder

–R, R. T, –T, –S, S, R, –R, –T, T, S, –S

oder

–T, T, S, –S, –R, R, T, –T, –S, S, R, –R

oder

T, –T, –S, S, R, –R, –T, T, S, –S, –R, R

oder

S, –S, –R, R, T, –T, –S, S, R, –R, –T, T

oder

–S, S, R, –R, –T, T, S, –S, –R, R, T, –T.

Es gibt weitere mögliche Lösungen mit Kernen, die aus 6 Spulen oder einem Mehrfachen derselben zusammengesetzt sind.

Eins dieser Beispiele ist in gezeigt; dieses ist aus 6 Spulen 14' gebildet, montiert an 6 Kernen 15' eines beweglichen Spulenblocks 13'. Der entgegengesetzte Magnetblock, gleich in der Länge wie der Spulenblock 13', enthält 7 gleichmässig voneinander abstehende Magneten 12'.

Bei dieser Ausführung sind die Abstände Td zwischen den Kernen des Spulenblockes und denen Tm der Magneten des feststehenden Blockes dieselben wie jene bei der Ausführung in ; diese Abstände könnten jedoch auch andere sein, ohne die durch die vorliegende Erfindung vorgesehene Lösung abzuwerten, solange das Verhältnis unverändert bleibt. Insbesondere ist der ideale Wert dieses Verhältnisses 7/6, wie wir gesehen haben, oder beträgt, ausgedrückt in Graden der elektrischen Phasenverschiebung, 210°/180°; er könnte auch zwischen 200°/180° und 220°/180° liegen.

Die Struktur des Motors nach der Erfindung kann von der mit Hilfe eines Beispiels in gezeigten abweichen; zum Beispiel könnte der Spulenblock 13 auf andere Weise an dem feststehenden Teil 11 verankert sein, vielleicht mit einer grösseren Zahl der verwendeten parallelen Führungen.

Andere Lösungen könnten bei den mechanischen Verbindungen zwischen den verschiedenen strukturellen Elementen des Motors angewandt werden, wobei stets die entsprechende Geometrie zwischen Spulen und Magneten beibehalten wird. Der bewegliche Teil könnte auch aus mehr als einem Block von 6 Spulen oder einem Mehrfachen derselben hergestellt sein, angeordnet aufeinanderfolgend entlang der Bewegungsrichtung. Der Abstand zwischen den Blöcken könnte je nach den verschiedenen Parametern optimiert werden, abhängig von dem spezifischen Anwendungsgebiet der Erfindung.

Auf jeden Fall bietet die Erfindung eine beachtliche Reduzierung des „cogging"-Phänomens im Vergleich mit anderen bekannten Lösungen, so wie auch ein unverzüglicheres Ansprechen auf elektrischen Befehle.

Dank der besonderen strukturellen Konfiguration ist der Motor ausgesprochen einfach, wobei der bewegliche Teil viel leichter ist als bei anderen bekannten Motoren; die Herstellung ist also viel wirtschaftlicher.


Anspruch[de]
Dreiphasenwechselstromgespeister linearer Elektromotor (10), enthaltend eine Anzahl von Magneten (12), die mit einem gleichmässigen und vorgegebenen Abstand an einem feststehenden Teil (11) des Motors (10) verankert sind, eine Anzahl von Spulen (14), montiert auf Kernen (15) eines Spulenblocks (13), welcher Spulenblock (13) beweglich ist in einer Richtung parallel zu den Magneten (12) und mit einem gleichbleibenden Abstand von diesen; bei welchem die Anzahl von Spulen (14) Blöcke von Spulen bilden, geformt aus sechs einzelnen Spulen oder aus einem Mehrfachen von 6, wobei die Spulen gleichmässig voneinander abstehend sind, und bei welchem das Verhältnis zwischen einem Abstand zwischen den Achsen von zwei aneinander grenzenden Spulen eines einzelnen Blockes der Anzahl von Spulen (14) und einem Abstand von zwei an dem feststehenden Teil des Motors verankerten Magneten in elektrischen Graden innerhalb eines Bereiches ausgedrückt werden kann, der von einem Spulenabstand von 200°/einem Magnetabstand von 180° und einem Spulenabstand von 220°/einem Magnetabstand von 180° geht. Linearer Elektromotor (10) nach Patentanspruch 1, bei welchem die Länge eines jeden Spulenblocks (13) 7 Malen oder einem Mehrfachen von 7 Malen eines Abstandes der Magneten (12) entspricht. Linearer Elektromotor (10) nach Patentanspruch 2, bei welchem der Spulenblock (13) wenigstens einen Block bestehend aus 12 Spulen enthält, dessen Länge 14 Male einem einzelnen Abstand der Magneten (12) entspricht. Linearer Elektromotor nach Patentanspruch 3, bei welchem die Spulen mit Dreiphasenwechselstrom in folgender Ordnung gespeist sind:

R, –R, –T, T, S, –S, –R, R, T, –T, –S, S

oder in einer vollkommen umgekehrten Ordnung für alle Spulen.
Linearer Elektromotor (10) nach Patentanspruch 3, bei welchem die Spulen mit Dreiphasenwechselstrom in folgender Ordnung gespeist sind:

–T, T, S, –S, -R, R, T, –T, –S, S, R, –R

oder in einer vollkommen umgekehrten Ordnung für alle Spulen.
Linearer Elektromotor (10) nach Patentanspruch 3, bei welchem die Spulen mit Dreiphasenwechselstrom in folgender Ordnung gespeist sind:

S, –S, –R, R, T, -T, –S, S, R, –R, –T, T

oder in einer vollkommen umgekehrten Ordnung für alle Spulen.
Dreiphasenwechselstromgespeister linearer Elektromotor (10), enthaltend eine Anzahl von Spulen (14), montiert auf Kernen (15) eines Spulenblocks (13), welcher Spulenblock (13) feststehend ist; eine Anzahl von Magneten (12), gleichmässig voneinander abstehend nach einem vorgegebenen Abstand, wobei die Anzahl von Magneten (12) beweglich ist in einer Richtung parallel zu der Anzahl von Spulen (14) und mit einem gleichbleibenden Abstand von diesen; bei welchem die Spulen der Anzahl von Spulen (14) zu Blöcken zusammengefasst sind, jeder enthaltend 6 Spulen oder ein Mehrfaches von 6, voneinander abstehend, und bei welchem das Verhältnis zwischen einem Abstand zwischen den Achsen von zwei aneinander grenzenden Spulen eines einzelnen Blockes der Anzahl von Spulen (14) und einem Abstand von zwei Magneten in elektrischen Graden innerhalb eines Bereiches ausgedrückt werden kann, der von einem Spulenabstand von 200°/einem Magnetabstand von 180° und einem Spulenabstand von 220°/einem Magnetabstand von 180° geht. Linearer Elektromotor (10) nach Patentanspruch 7, bei welchem die Länge eines jeden Spulenblocks (14) 7 Malen oder einem Mehrfachen von 7 Malen eines Abstandes der Magneten (12) entspricht.






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