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Dokumentenidentifikation DE102006013582A1 27.09.2007
Titel Synchron-Linearmotor
Anmelder Technische Universität Kaiserslautern, 67663 Kaiserslautern, DE
Erfinder Huth, Gerhard, Prof. Dr.Ing., 91578 Leutershausen, DE;
Qian, Kai, Dipl.Ing., 35392 Gießen, DE
Vertreter Patentanwälte BECKER & AUE, 55411 Bingen
DE-Anmeldedatum 22.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006013582
Offenlegungstag 27.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.09.2007
IPC-Hauptklasse H02K 41/03(2006.01)A, F, I, 20060322, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Synchron-Linearmotor (1) weist ein Primärteil (2) und ein Sekundärteil (3) auf, wobei das Primärteil (2) Primärteilnuten (7) für ein- oder mehrphasige Wicklungen und das Sekundärteil (3) Permanentmagnete (4) umfasst. Weiterhin verfügt der Synchron-Linearmotor (1) über Endstücke (5) am Primärteil (2) für einen Kraftwelligkeitsausgleich. Zur Verbesserung dieses Kraftwelligkeitsausgleichs ist an einer dem Primärteil (2) zugewandten Stirnseite jedes Endstücks (5) eine nutartige Ausnehmung (6) vorgesehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchron-Linearmotor mit einem Primärteil und einem Sekundärteil, wobei das Primärteil Primärteilnuten für ein oder mehrphasige Wicklungen und das Sekundärteil Permanentmagnete umfasst, und mit Endstücken am Primärteil für einen Kraftwelligkeitsausgleich.

Besonders in der Verfahrenstechnik sowie bei der automatisierten Herstellung verschiedener Produkte finden elektrische Stellmotoren eine zunehmende Verbreitung. Mit derartigen Stellmotoren kann ein beliebiges Objekt an einer gewünschten Stelle positioniert und/oder ausgerichtet werden. Hierzu werden insbesondere dem Fachmann bekannte elektrische Synchronmotoren eingesetzt, die eine möglichst gleichmäßige und störungsfreie Kraftentfaltung aufweisen müssen.

Bei rotatorischen Synchronmotoren tritt aufgrund der notwendigen Nutung des Stators eine periodische Drehmomentwelligkeit auf. Zur Vermeidung dieser Drehmomentwelligkeit werden üblicherweise der Rotor oder Stator geschrägt ausgeführt, zum Beispiel um eine Ständernutteilung.

Von den rotatorischen Synchronmotoren unterscheiden sich die Synchron-Linearmotoren dadurch, dass sie einen Anfang und ein Ende aufweisen, wohingegen die rotatorischen Synchronmotoren über den Umfang betrachtet quasi endlos sind. In diesen Endbereichen entstehen bei Synchron-Linearmotoren periodische Motorendkräfte in Bewegungsrichtung, die die Positioniergenauigkeit des Linearmotors verringern. Dies wird dadurch verursacht, dass je nach Stellung des Primärteils, das üblicherweise mit Primärteilnuten für ein- oder mehrphasige Wickelungen versehen ist, relativ zum Sekundärteil, d.h. einer Folge von Permanentmagneten mit jeweils zwei als Nord- und Südpol wirkenden Polpaaren, diese magnetischen Pole unterschiedlich überdeckt werden. Somit werden Vorzugslagen des Primärteils gebildet, in denen die gespeicherte magnetische Energie des Linearmotors besonders groß ist. Um den Synchron-Linearmotor aus dieser Position herauszubewegen ist eine so genannte Polkraft notwendig, die bis zu 20% der Motornennkraft betragen kann. Über jedem Magnetpol befindet sich eine Vorzugslage, so dass diese Polkraft periodisch auftritt und auch als Pol- oder Kraftwelligkeit bezeichnet wird.

Um einen Kraftwelligkeitsausgleich zu erreichen, damit der Synchron-Linearmotor stets an einer gewünschten Stelle positioniert werden kann, ist es aus der DE 195 28 043 C1 bekannt, die beiden Endbereiche des Primärteils unbewickelt auszuführen und abgeschrägt auszubilden, wodurch dieser abgeschrägte Bereich, in Draufsicht auf den Synchron-Linearmotor gesehen, mindestens zwei benachbarte Pole des Sekundärteils überdeckt, wodurch deren Magnetkräfte sich im Wesentlichen aufheben. Zur Ermittlung dieses Neigungswinkels sind jedoch umfangreiche Berechnungen bzw. Testversuche erforderlich.

Die DE 198 29 052 C1 offenbart einen ähnlichen Synchron-Linearmotor, bei dem die Endstücke derart ausgebildet sind, dass deren Stirnflächen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Synchron-Linearmotors verlaufen und gegebenenfalls eine dem Sekundärteil zugewandte Kante des Endstücks gerundet ausgeführt sein kann. Mit dieser Rundung kann die Kraftwelligkeit ausgeglichen werden.

Im Weiteren zeigt die DE 199 15 945 C1 einen Synchron-Linearmotor, dessen Primärteil von mindestens zwei Teilpaketen aus Blech gebildet ist, die in Draufsicht gesehen, in Stufen angeordnet sind, die ebenfalls unbewickelt sind. Mit diesen Stufen ist erreicht, dass ein Spalt zwischen zwei benachbarten Polen der Permanentmagnete des Sekundärteils überdeckt wird.

Weiterhin ist es bekannt, zur Erzielung eines Kraftwelligkeitsausgleichs eines mehrphasigen Synchron-Linearmotors die verschiedenen Phasen unterschiedlich anzusteuern, um so eine geeignete Kommutierung zu erhalten. Dies ist beschrieben im Tagungsband SPS/IPC/DRIVES 2005, Fachhochschule Dortmund, Fachbereich Informatik, Prof. Dr.-Ing. Christoph Röhrig. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen erheblichen steuerungstechnischen Aufwand.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Synchron-Linearmotor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem in einfacher Weise ein Kraftwelligkeitsausgleich erreicht wird, um Objekte exakt positionieren zu können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an einer dem Primärteil zugewandten Stirnseite jedes Endstücks eine nutartige Ausnehmung vorgesehen ist.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, an sich bekannte Endstücke an einander gegenüberliegenden Enden des beweglichen Primärteils ebenfalls wicklungsfrei auszuführen und zur Verringerung der an diesen Endstücken auftretenden Polkräfte zusätzlich eine nutartige Ausnehmung in den Endstücken auszubilden. Dabei kann diese Ausnehmung im Rahmen der Erfindung vom Fachmann in an sich beliebiger Weise gestaltet werden, bevorzugt jedoch wie im Folgenden beschrieben. Die Ausnehmung ist an einer dem Primärteil zugewandten Stirnseite im Endstück vorgesehen und in Richtung auf das Sekundärteil bzw. die mehreren Pole der Permanentmagnete hin offen. Durch diese zusätzliche Ausnehmung im Endstück wird jedoch die magnetische Verbindung zwischen Endstück und Primärteil praktisch nicht verändert, wodurch es zu keiner Beeinträchtigung dieser magnetischen Verbindung kommt. Dabei kann die Ausnehmung auch übergreifend an dem Endstück und dem Primärteil ausgebildet sein, d.h. dass auch an einer Stirnseite des Primärteils eine solche Ausnehmung vorgesehen ist. Selbstverständlich sind an einem Primärteil an beiden Enden jeweils gleichartig ausgebildete Endstücke angeordnet.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Endstück in einfacher Weise mit der zusätzlichen Ausnehmung ausgebildet werden kann. Hierzu ist praktisch kein konstruktiver Aufwand erforderlich. Zudem führt eine derartige Ausgestaltung des Endstücks dazu, dass eine lastunabhängige Unterdrückung der Kraftwelligkeit erhalten wird, d.h. unabhängig davon, ob der Synchron-Linearmotor im Leerlauf oder unter Last betrieben wird. Somit ist in einfacher Weise die Stellgenauigkeit des Synchron-Linearmotors wesentlich verbessert, um beispielsweise bei Herstellungsprozessen verbesserte Arbeitsergebnisse zu erhalten. Durch einfache Änderungen der Dimensionierung der nutartigen Ausnehmung an den Endstücken können Vergleiche verschiedener Synchron-Linearmotoren angestellt werden, um eine optimale Dimensionierung der nutartigen Ausnehmung zu ermitteln.

Bevorzugt ist die nutartige Ausnehmung entsprechend einer Polteilung am Sekundärteil dimensioniert, um somit den Spalt zwischen zwei benachbarten Polen am Sekundärteil im Wesentlichen vollständig überdecken zu können, wodurch sich deren magnetische Einflüsse auf das Endstück bzw. das Primärteil aufheben. Insbesondere ist die nutartige Ausnehmung rechteckig entsprechend der Größe der Primärteilnuten ausgeformt.

Die Breite, in Bewegungsrichtung des Primärteils gesehen, der nutartigen Ausnehmungen kann vom Fachmann in einfacher Weise derart gewählt werden, dass ein größtmöglicher Kraftwelligkeitsausgleich erhalten wird. Beispielsweise kann die Breite der nutartigen Ausnehmung, in Bewegungsrichtung des Primärteils gesehen, halb so groß gewählt werden wie die Breite der Primärteilnuten. In diesem Fall bietet es sich an, an den Stirnflächen des Primärteils entsprechende Ausnehmungen vorzusehen.

Zweckmäßigerweise besteht das Endstück für den Kraftwelligkeitsausgleich aus einem für derartige Synchron-Linearmotoren bekannten Elektroblech bzw. es ist als massives Metallstück ausgebildet, wobei die Permeabilität des Endstücks entsprechend der auftretenden Magnetfeldstärken gewählt werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Endstück einstückig mit dem Primärteil ausgebildet und vorzugsweise in einem einzigen Stanzvorgang aus einem entsprechenden Blech ausgestanzt.

Selbstverständlich kann das Endstück mit der nutartigen Ausnehmung auch als Nachrüstteil ausgebildet sein, um es beispielsweise an einen bereits vorhandenen Kurzstator eines Synchron-Linearmotors zu montieren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 einen erfindungsgemäßen Synchron-Linearmotor im Querschnitt und

2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II nach 1.

Der Synchron-Linearmotor 1 umfasst ein bewegliches Primärteil 2, wie durch den Doppelpfeil X angedeutet, und ein Sekundärteil 3. Das Sekundärteil 3 weist mehrere nebeneinander angeordnete Permanentmagnete 4 auf, deren Nord- und Südpole jeweils abwechselnd angeordnet sind, wie durch die Buchstaben N und S verdeutlicht. Im Primärteil 2 sind vorzugsweise äquidistant und gleich dimensioniert mehrere Primärteilnuten 7 zur Aufnahme von ein- oder mehrphasigen Wicklungen ausgebildet, die zur Vereinfachung der Darstellung nicht abgebildet sind. Werden diese Wicklungen in an sich bekannter Weise mit einem Strom gewünschter Stärke und Phase beaufschlagt, bewegt sich das Primärteil 2 aufgrund der Wechselwirkung mit den Permanentmagneten 4 des Sekundärteils 3 mit einer gewünschten Geschwindigkeit zu einer vorbestimmten Stelle, um beispielsweise ein Objekt zu positionieren und/oder auszurichten.

Zusätzlich sind an dem Primärteil 2 jeweils endseitig Endstücke 5 angeordnet, wobei an den Endstücken 5 keine vorstehend beschriebenen Wicklungen vorgesehen sind. Mit diesen Endstücken 5 kann ein Kraftwelligkeitsausgleich durch die entstehenden Polkräfte im Synchron-Linearmotor 1 erreicht werden.

Zur Verbesserung der Wirkung der Endstücke 5 sind an den Endstücken 5 jeweils eine gleichartige nutartige Ausnehmung 6vorgesehen. Diese Ausnehmung 6 ist jeweils an der Stirnseite des Endstücks 5 ausgebildet, die dem Primärteil 2 zugewandt ist. Die Ausnehmungen 6 sind in Richtung auf das Sekundärteil 3 hin offen.

Durch die Ausnehmung 6 erfolgt keine Beeinträchtigung der magnetischen Verbindung zwischen Endstück 5 und Primärteil 2, so dass ein lastunabhängiger Ausgleich der Kraftwelligkeit des Synchron-Linearmotors 1 erhalten wird. Die Breite und Tiefe der nutartigen Ausnehmung 6 kann beispielsweise derart gewählt werden, dass sie im Wesentlichen den Abmessungen der Primärteilnuten 7 entsprechen oder nur halb so breit sind. In diesem Fall ist vorzugsweise an der Stirnseite des Primärteils 2, die dem Endstück 5 zugewandt ist, eine korrespondierende Ausnehmung 6a ausgebildet.

Dabei kann das Endstück 5 entweder einstückig mit dem Primärteil 2 ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Blechzuschnitts, der aus einem Blech ausgestanzt wird, oder als Nachrüstteil, das nachträglich an einem Primärteil 2 montiert wird.

Das Endstück 5 weist die Breite b auf, die beispielsweise einer Ständernutteilung des Ständerblechschnittes entspricht. Ein Schenkel des Endstückes ist mit a·b bemessen, wobei b das Maß der Breite des Endstückes und a ein in Abhängigkeit der gegebenen Geometrie zu optimierender Faktor ist, wobei a < 1 ist.


Anspruch[de]
Synchron-Linearmotor mit einem Primärteil (2) und einem Sekundärteil (3), wobei das Primärteil (2) Primärteilnuten (7) für ein- oder mehrphasige Wicklungen und das Sekundärteil (3) Permanentmagnete (4) umfasst, und mit Endstücken (5) am Primärteil (2) für einen Kraftwelligkeitsausgleich, dadurch gekennzeichnet, dass an einer dem Primärteil (2) zugewandten Stirnseite jedes Endstücks (5) eine nutartigen Ausnehmung (6) vorgesehen ist. Synchron-Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nutartige Ausnehmung (6) rechteckig ausgebildet ist. Synchron-Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nutartige Ausnehmung (6) die gleiche Tiefe und/oder Breite wie eine Primärteilnut (7) aufweist. Synchron-Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nutartige Ausnehmung (6) die halbe Breite einer Primärteilnut (7) aufweist. Synchron-Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (5) aus einem Elektroblech besteht. Synchron-Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (5) einstückig mit dem Primärteil (2) ausgebildet ist, insbesondere ausgestanzt. Synchron-Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (5) an dem Primärteil (2) nachrüstbar ist.






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