Linearer elektrischer Impulsmotor
Diese Erfindung bezieht sich auf einen linearen elektrischen Impulsmotor, welcher z. B. in einer programmgesteuerten Maschine mit der Werkzeugmaschine gekuppelt ist, und elektrische Steuerimpulse direkt in eine Grösse von mechanischer Verschiebung umwandelt, welche Grösse der Anzahl elektrischer Steuerimpulse proportional ist.
Ein üblicher elektrischer Impulsmotor zur Verwendung als Glied einer Hilfsvorrichtung von z. B. einer programmgesteuerten Maschine verlieh einem beweglichen Teil einer gekuppelten Maschine eine Winkelverschiebung durch genaues und schrittweises Rotieren in Vorwärts- und Rückwärts-Drehrichtung, um einen der Anzahl Steuerimpulse proportionalen Betrag.
Daher war, um dem beweglichen Teil einer Maschine eine Translationsverschiebung zu verleihen, eine zusätzliche Vorrichtung notwendig, z. B. eine Vorschubspindelvorrichtung, welche die Winkelverschiebung in eine Translationsverschiebung umwandelte.
Wenn es möglich gewesen wäre, eine geradlinige Bewegung direkt aus den Steuerimpulsen herauszugewinnen, um einen beweglichen Teil der Maschine, den Arbeitstisch einer Werkzeugmaschine z. B., welcher eine geradlinige Bewegung ausführt zu steuern, hätte demzufolge eine billige Maschinenantriebsvorrichtung hergestellt werden können, indem man die Vorrichtung, welche die Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umwandelt, eliminiert hätte.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen linearen elektrischen Impulsmotor zu schaffen, welcher die elektrischen Steuerimpulse direkt in eine Grösse von mechanischer geradliniger Lageverschiebung umwandelt, welche Grösse der Anzahl elektrischer Impulse proportional ist.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen linearen elektrischen Impulsmotor mit ausgezeichneter Arbeitsleistung zu schaffen, welcher leicht herzustellen und zusammenzusetzen ist.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen linearen elektrischen Impulsmotor zu schaffen, dessen Aufbau es einem arbeitenden Teil einer Maschine, z. B.
einem Arbeitstisch, ermöglicht, eine geradlinige Lageverschiebung, welche der Anzahl eingeprägter Steuerimpulse proportional ist, direkt vorzunehmen.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es noch, einen linearen elektrischen Motor zu schaffen, welcher Führungsmittel für einen arbeitenden Teil einer Maschine aufweist, um die geradlinige Verschiebung des arbeitenden Teils der Maschine direkt zu steuern, indem er eine geradlinige Verschiebung einer vorbestimmten Grösse als Ergebnis der Einprägung von Steuerimpulsen ausführt.
Der lineare elektrische Impulsmotor gemäss der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch eine geradlinige Zahnstange mit doppelschenkligem oder vollem Querschnitt, welche eine bestimmte Zahnteilung aufweist und bei welcher die Scheitel der Zähne in einer gemeinsamen Ebene liegen, und durch eine Vielzahl von Erregergliedern mit doppelschenkligem Querschnitt, von denen jedes mit einer Vielzahl von in zwei Reihen entlang ihrer beiden Schenkel angeordneten Erregerzähnen mit der gleichen Zahnteilung wie diejenige der Zahnstange versehen ist, und bei welchen die Scheitel der Zähne in einer gemeinsamen Ebene liegen, welche Ebene gegenüber der erstgenannten Ebene in bestimmtem Abstand verläuft und welche Erregerglieder noch mit je einer Erregerwicklung auf einem mittleren Teil zwischen ihren Schenkeln versehen sind,
wobei die genannte geradlinige Zahnstange und die genannte Vielzahl von Erregergliedern so angeordnet sind, dass die Verschiebung der Lage der Erregerzähne der Erregerglieder gegenüber der Lage der Zähne der Zahnstange von Erregerglied zu Erregerglied in Längsrichtung der Zahnstange gesehen versetzt ist, und eine relative geradlinige Bewegung zwischen den beiden genannten Gliedern in der genannten Längsrichtung über eine Rollvorrichtung ausführbar ist, welche Vorrichtung entweder für die geradlinige Zahnstange oder für die Vielzahl von Erregergliedern vorgesehen ist.
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in bezug auf verschiedene in der beiliegenden Zeichnung gezeigte Ausführungsformen eingehend beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematisch dargestellte Ansicht einer Ausführungsform eines linearen elektrischen Impulsmotors;
Fig. 2 eine im Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1 dargestellte Ansicht des gleichen Motors;
Fig. 3 eine schematisch dargestellte Ansicht einer ande ren Ausführungsform eines linearen elektrischen Impulsmotors, welcher im Vergleich mit dem Motor der Fig. 1 und 2 eine leichte Änderung im Aufbau aufweist;
Fig. 4 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Impulsmotors;
Fig. 5 eine im Schnitt dargestellte Ansicht des in der Fig.
4 gezeigten Impulsmotors;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines Impulsmotors, welcher im Vergleich mit dem Motor der Fig. 5 einen verbesserten Aufbau aufweist;
Fig. 7 eine Stirnansicht des Motors der Fig. 6;
Fig. 8 eine Seitenansicht, bei welcher eine Führungsvorrichtung, um den linearen elektrischen Impulsmotor mit einem arbeitenden Teil einer Maschine zu kuppeln, gezeigt ist; und
Fig. 9 eine der Fig. 8 entsprechende Stirnansicht.
In der Fig. 1 und 2 ist ein linearer elektrischer Impulsmotor gezeigt, bei welchem die Zahnstange beweglich ist, aber die Erregerglieder unbeweglich sind. Die Zahnstange 1 mit U-förmigem Querschnitt besteht aus einem magnetischen Material und weist eine Vielzahl von Zähnen 2 auf, welche auf beiden Schenkeln der Zahnstange in der Richtung eines in der Fig. 1 gezeigten Pfeiles angeordnet sind, wobei die Zähne und der Zwischenraum zwischen den Zähnen gleich dick sind. Das nichtmagnetische Trägerglied 3 trägt die Zahnstange 1 fest. Jedes Erregerglied 4, 5 und 6, mit U-förmigem Querschnitt, weist eine Vielzahl von Erregerzähnen 7 auf, wobei die Erregerzähne und der Zwischenraum zwischen den Erregerzähnen gleich dick wie die Zähne 2 der Zahnstange sind.
Der Impulsmotor der Fig. 1 und 2 ist dreiphasig und weist dementsprechend drei Erregerglieder auf. Die je einer Phase entsprechenden Erregerglieder bestehen aus Erregerteilen 4, 5 und 6 und aus um je einen Erregerteil gewikkelten Erregerwicklungen 8, 9 und 10 und sind in einem nichtmagnetischen Gehäuse 11 befestigt.
Das Trägerglied 3 der Zahnstange 1 wird durch das Gehäuse 11 über rotierende Glieder 12, z. B. Rollen, getragen, so dass die Zahnstange 1 eine geradlinige Bewegung in Längsrichtung, d. h. in der durch einen Pfeil in Fig. I gezeigten Richtung in bezug auf die feststehenden Erregerglieder, ausführen kann.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Zähne 2 der Zahnstange 1 auf einer Linie in der Richtung der oben genannten Bewegung angeordnet, während ihre Scheitel in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Die Erregerzähne 7 der Erregerglieder haben auch ihre Scheitel in einer anderen gemeinsamen Ebene.
Die Erregerglieder A, B und C stehen gegenüber der Zahnstange senkrecht zur genannten Bewegungsrichtung und es bleibt ein geringer vorbestimmter Zwischenraum zwischen den Zähnen der Zahnstange und den Erregerzähnen.
In der Richtung der oben genannten geradlinigen Bewegung gesehen sind die Erregerglieder A, B und C fest angeordnet, derart, dass die Phasen der Lage der Erregerzähne 7 in bezug auf die Zähne 2 der Zahnstange um einen Drittel der Zahnteilung verschoben sind. Das heisst, wenn die Erregerzähne 7 des Erregergliedes A mit den Zähnen 2 der Zahnstange ausgerichtet sind, dann ist die Lage der Erregerzähne 7 des Erregergliedes B um einen Drittel der Zahnteilung in einer negativen Bewegungsrichtung (in Linksrichtung in Fig.
1) versetzt und die Erregerzähne 7 des Erregergliedes C um einen Drittel der Zahnteilung in einer positiven Bewegungsrichtung (in Rechtsrichtung in Fig. 1). Ferner kann man in der Fig. 2 sehen, dass die je einer Phase entsprechenden Erregerglieder im nichtmagnetischen Gehäuse 11 fest angebracht sind, um einen festen Aufbau zu bilden.
Wenn in einem solchen Motor die Erregerwicklungen der Reihe nach mit einem durch Steuerimpulse gesteuerten Strom gespeist werden, dann wird ein magnetischer Fluss (mittels eines Pfeiles in Fig. 2 gezeigt) erzeugt und es entsteht zwischen den Erregergliedern, der Reihe nach, und der Zahnstange eine magnetische Kraft, infolge derer sich die Zahnstange 1 stufenweise in einer positiven Richtung bewegt.
Die Zahnstange 1 kann auch in einer negativen Richtung bewegt werden, indem man die Reihenfolge der Erregungen umkehrt.
In der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 weist die Zahnstange 1 einen U-förmigen Querschnitt auf, der aus einer Verkleinerung der Dicke ihres mittleren Teils, um ihre Trägheit herabzumindern, herrührt. Es ist aber durchaus möglich, eine Zahnstange mit vollem Querschnitt und eine Reihe von breiten Zähnen ohne Verschlechterung der Arbeitsleistung des Impulsmotors zu verwenden.
Was die Erregerglieder betrifft, ist es möglich, dass jeder Erregerteil aus mehreren Stücken besteht, wie mittels der Strichlinien 13 und 14 gezeigt, um dessen Herstellung oder das Anbringen der Wicklungen zu erleichtern.
Mit Bezug auf die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform, weist die Zahnstange 1 drei in Längsrichtung getrennt angeordnete Zahnstangenteile 1-1, 1-2 und 1-3 auf, welche am Trägerglied 301 befestigt sind, während die auf einem anderen Trägerglied 302 befestigten Erregerteile 4, 5 und 6 gegenüber der Zahnstange stehen und ein geringer Zwischenraum zwischen den Scheiteln der Erregerzähne 7 und den Scheiteln der Zähne der Zahnstangenteile 2-1, 2-2 und 2-3 besteht.
Die Arbeitsweise dieses linearen elektrischen Impulsmotors ist genau gleich wie diejenige des in Fig. 1 und 2 dargestellten Impulsmotors. Die Zahnstangenteile 1-1,1-2 und 1-3 sind jedoch mit Erregerwicklungen 8-1, bzw. 9-1 und 10-1 ausgerüstet, so dass z. B. ein gleichzeitiges Erregen der Erregerwicklung 8-1 und der Erregerwicklung 8 einen vergrösserten durch den Erregerteil 4 und den Zahnstangenteil 1-1 durchgehenden magnetischen Fluss und dementsprechend eine grössere Arbeitskraft erzeugt. Die anderen Zahnstangenteile 1-2 und 1-3 können auf die gleiche Weise arbeiten.
Ferner können die Erregerteile 4, 5 und 6 in Längsrichtung so angeordnet sein, dass die Erregerzähne 7 der Erregerteile die gleiche Phase der Lage haben, d. h. die Ab stände zwischen den Erregertvilen 4 und 5 einerseits, und 5 und 6 anderseits genau gleich sind. Die entsprechenden Zahnstangenteile sind jedoch so angeordnet, dass die Phasen der Lage der Zähne von Zahnstangenteil zu Zahnstangenteil um einen Drittel der Zahnteilung verschoben sind.
Die vorstehenden Beschreibungen betreffen einen dreiphasigen linearen Impulsmotor, aber die Zahl der Phasen ist nicht auf drei beschränkt, es können, wenn nötig, fünf oder mehr Phasen vorgesehen werden, wobei die Arbeitsweise des Impulsmotors die gleiche bleibt.
Bei der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsform des Impulsmotors sind, im Gegensatz zu den vorstehenden ersten Ausführungsformen, die Erregerglieder beweglich und die Zahnstange unbeweglich.
Die Zahnstange 15 besteht aus einem magnetischen Material, sie weist eine konstante Zahnteilung auf und die Scheitel ihrer Zähne liegen in einer gemeinsamen Ebene.
Entlang beiden Seiten der Zahnstange 15 laufen zwei Schienen 26 in Richtung der geradlinigen Bewegung. Fünf Erregerteile 17 von fünf Erregergliedern 18 bestehen auch aus nichtmagnetischem Material und sind H-förmig. An den unteren Enden der Schenkel von jedem Erregerteil befinden sich zwei Reihen von Erregerzähnen 20, mit der gleichen Zahnteilung wie diejenige der Zahnstange. Die Erreger zähne 20 stehen gegenüber den Zähnen 16 der Zahnstange und es bleibt ein vorbestimmter Zwischenraum zwischen den gegenüberstehenden Scheiteln der Erregerzähne 20 und der Zähne 16 der Zahnstange. Wicklungen 21 sind um den mittleren, die zwei Schenkel verbindenden Teil von jedem Erregerteil angebracht, so dass gleich viel Phasen wie Erregerteile 17 gesschafft sind.
Mit anderen Worten, man kann annehmen, dass die Erregerwicklungen, welche den Phasen eins bis fünf entsprechen, der Reihe nach auf dem linksextremen bis bzw. dem rechtsextremen, gezeigten Erregerteil angeordnet sind.
Die Erregerglieder 18 sind so angeordnet, dass die Phase oder Verschiebung der Lage der Erregerzähne gegenüber der Lage der Zähne 16 der Zahnstange von Erregerglied zu Erregerglied um einen Fünftel der Zahnteilung versetzt ist. Isolierteile sind zwischen je zwei nebeneinanderstehenden Erregerglieder 18 vorgesehen, während letztere an einer Trägerplatte 24 über eine aus nichtmagnetischem Material bestehende Zwischenplatte 23 befestigt sind, so dass der ganze Aufbau einen Läufer 19 bildet.
Die Trägerplatte 24 kann auch mit einem äusseren arbeitenden, nicht gezeigten, Teil einer Maschine verbunden werden. Der Läufer 19 ist mit vier rotierenden Gliedern 25 beidseitig an seinen beiden Enden versehen. Der Läufer 19 bewegt sich längs der Zahnstange 15, d. h. in der Richtung der geradlinigen Bewegung, indem die rotierenden Glieder 25 auf der Oberfläche der genannten Schienen 26 rollen.
Im eben beschriebenen Impulsmotor, wenn ein Steuerstromimpuls durch eine der fünf Erregerwicklungen des Erregergliedes 18 fliesst, wird ein Kreis cp von magnetischem Fluss in einer zur Bewegungsrichtung des Läufers senkrechten Ebene erzeugt, welcher Kreis durch den entsprechenden
Erregerteil 17 und die gegenüberstehenden Zähne 16 der Zahnstange 15 verläuft. Der Läufer 19 bewegt sich entlang der Schienen 26, bis er die Lage erreicht hat, in welcher die Erregerzähne des gespeisten Erregergliedes 18 mit den Zähnen 16 der Zahnstange ausgerichtet sind. Dann bewegt sich der Läufer um einen weiteren Schritt, in dem die Erregung des zuletzt genannten Erregergliedes 18 ausgeschaltet wird und das nächstfolgende Erregerglied 18 gespeist wird. Das Steuerungsverfahren ist auf keinen Fall auf diese einphasige Erregung begrenzt.
Es kann eine ein-zweiphasige alternierende oder eine zwei-dreiphasige alternierende Erregung verwendet werden.
Mit Bezug auf die oben beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird es verstanden werden, dass es möglich ist, einen sehr genauen, geringen Zwischenraum zwischen den Erregerzähnen 20 und den Zähnen 16 der Zahnstange ständig beizubehalten, um die zwischen dem
Läufer 19 und der Zahnstange 15 wirkende Kraft sowie die Arbeitsweise des linearen Impulsmotors zu stabilisieren, wel che Arbeitsweise dem mit vier rotierenden Gliedern 25 ver sehenen Läufer 19 ermöglicht, auf den fest aufgebauten
Schienen 26 zu rollen.
Dieser Aufbau, bei welchem alle Erregerglieder 18 an einer Trägerplatte 24 über eine nichtmagnetische Zwischen platte 23 befestigt sind und ausserdem Isolierteile 22 zwi schen je zwei nebeneinanderstehenden Energiegliedern 18 angebracht ist, weist die nachstehend beschriebenen ande ren Vorteile auf.
Der Kreis ç von magnetischem Fluss verläuft nur im Er regerglied 18, in welchem ein Stromimpulssignal eingeprägt ist, und in den Zähnen 16 der Zahnstange, welche gegenüber dem gespeisten Erregerglied stehen, und sie kriecht nie in anderen Teilen, so dass die Arbeitsleistung des Impulsmo tors ausserordentlich verbessert ist. Ferner kann die Träger platte 24 aus Hartmetallmaterial, z. B. Eisen, bestehen, ohne seine magnetische Eigenschaften wegen dem Vorhandensein der nichtmagnetischen Zwischenplatte 23 zu berücksichtigen, was dem Läufer einen festen Aufbau verleiht.
Die H-förmigen Erregerteile 17 dieser Ausführungsform können natürlich U-förmig ausgebildet sein, ohne dass die Arbeitsleistung des Impulsmotors daran leidet. Ähnlich kann die Zahnstange 15 einen üblichen vollen Querschnitt aufweisen. Ausserdem können die nichtmagnetische Zwischenplatte 23 und die Trägerplatte 24 als kombiniertes, festes, nichtmagnetisches Trägerglied ausgebildet sein, um die gleichen Dienste zu leisten.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Sie weist im Vergleich mit der Ausführungsform der Fig. 4 und 5 einige Verbesserungen auf.
Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die Zwischenräume 27 zwischen den Zähnen 16 der Zahnstange 15 bis auf die Höhe des Scheitels dieser Zähne 16 mit Kunstharzmaterial gefüllt und Abstreiforgane 28 sind am vorderen und am hinteren Ende des Läufers 19 z. B. mittels der gezeigten Schrauben befestigt, so dass die Abstreiforgane 28 auf dem Scheitel der Zähne der Zahnstange gleiten und die Oberfläche der gefüllten Zwischenräume 27 bestreichen.
Demzufolge verhindern, wenn der Läufer 19 seine geradlinige Bewegung ausführt, die gleitenden Abstreiforgane 28, dass fremde Materialien, wie z. B. metallisches Pulver oder feinkörniger Staub, an der Oberfläche der Zahnstange 15 anhaften, um die Sauberkeit der Erregerzähne 20 und der Zähne 16 der Zahnstange aufrechtzuerhalten, so dass eine Verschlechterung der Dichte des durch die Erregerzähne 20 und die Zähne 16 durchlaufenden magnetischen Flusses, und eine Verschlechterung der Arbeitsleistung des linearen elektrischen Impulsmotors vermieden werden können. Es wird gezeigt, dass U-förmige Erregerteile 17' in dieser Ausführungsform verwendet werden.
Fig. 8 und 9 zeigen eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Führungsvorrichtung vorgesehen ist, um den linearen elektrischen Impulsmotor mit einem arbeitenden Teil einer Maschine, z. B. einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine, zu kuppeln.
Mit Bezug auf die Fig. 8 und 9 sind zwei Befestigungslöcher 31 in der oberen Fläche der Trägerplatte 24 vorgesehen. Führungsbolzen 30 eines arbeitenden Teiles 29 einer Maschine können in den Befestigungslöchern 31 eingesetzt werden, so dass der Läufer 19 mit dem arbeitenden Teil 29 der Maschine gekuppelt ist. Üblicherweise ist der arbeitende Teil 29 der Maschine gleitend auf Gleitbahnen (nicht gezeigt) der Maschine angeordnet, so dass Zwischenräume 32 und 33 zwischen dem arbeitenden Teil 29 der Maschine und der Trägerplatte 24, sowie zwischen den Enden der Führungsbolzen 30 und dem Boden der Befestigungslöcher 31, wie in beiden Fig. gezeigt, vorgesehen werden können. Mit dieser Führungsvorrichtung ist der Impulsmotor leicht mit der Maschine zu kuppeln oder von der Maschine zu trennen.
Ferner ergeben die Zwischenräume 32 und 33 eine Möglichkeit, die geradlinige Bewegung des arbeitenden Teils der Maschine genau zu steuern, weil der Impulsmotor ständig stabil arbeitet.
Das kommt daher, dass der geringe Zwischenraum zwi schen den Zähnen 16 der Zahnstange und den Erregerzäh nen 20 wegen dem Vorhandensein der genannten Zwischen räume 32 und 33 immer genau aufrechterhalten wird, sogar wenn der arbeitende Teil 29 im Betrieb immer willkürliche vertikale Bewegungen ausführt.
Es können drei oder mehrere Befestigungslöcher 31 je nach der Grösse des Impulsmotors oder des arbeitenden Teils der Maschine verwendet werden.