CH653494A5

CH653494A5 - Gleichstrom-linearmotor mit permanentmagneten.

Info

Publication number: CH653494A5
Application number: CH6655/80A
Authority: CH
Inventors: Lawrence W Langley
Original assignee: Kollmorgen Tech Corp
Priority date: 1979-09-05
Filing date: 1980-09-04
Publication date: 1985-12-31
Also published as: GB2062362B; IT8049611A0; CA1158291A; FR2464591B1; DE3050927A1; DE3050927C2; FR2464591A1; IT1129027B; IE801856L; NL8004807A; US4369383A; GB2062362A; DE3031781C2; DE3031781A1; IE50533B1; JPS5646658A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Linearmotor mit Permanentmagneten, welcher als Servomotor oder als Stellmotor bestimmt ist.

Im Vergleich zu den elektrischen Rotationsmaschinen sind elektrische Motoren mit linearer Bewegung vergleichsweise neu. Diese Motoren finden jedoch immer mehr Anwendungsbereiche, weil sie weder ein Getriebe noch andere Vorrichtungen zur Umwandlung der rotierenden in eine lineare Bewegung erfordern. Eine Übersicht über Linearmotoren kann man beispielsweise in dem Buch «Linear Motion Elec-tricMachines», veröffentlicht von Wiley, verfasst von S.A. Nasar und I. Boldea, finden. Frühere Entwicklungen konzentrierten sich in erster Linie auf lineare Synchron- oder Induktionsmotoren. Ein zweiseitiger, linearer Induktionsmotor wird beispielsweise in US-PS 3 895 585 beschrieben. Lineare Synchronmotoren sind durch die US-PS 3 796 922 und 3 594 622 bekannt geworden. Eine Antriebseinrichtung mit einem Linearmotor wird in US-PS 3 884 154 beschrieben und ein linearer Schrittmotor ist aus US-PS 4 037 122 bekannt.

Für einige Anwendungsbereiche sind lineare Gleichstrommotoren den linearen Induktions- oder Synchronmotoren vorzuziehen. So sind beispielsweise lineare Gleichstrommotoren ganz besonders gut für «Kurztakt-Motoren» geeignet. Einer der Gründe für die bisher nur vereinzelte Anwendung elektrischer Linear-Motoren war ihr bisher sehr niedriger Wirkungsgrad, der seine Ursache darin hat, dass immer nur einige Windungen gleichzeitig unter den Polen, alle Windungen aber mit Strom versorgt sind. Dies ist der begrenzende Faktor bei dem sogenannten «Voice Coil»- oder Schwingspulen-Motor. Aus diesem Grund haben Schwingspulenmotoren mit Hüben über 2,5 cm einen sehr niedrigen Wirkungsgrad. Ein anderer begrenzender Faktor ist die hohe Anziehungskraft der einzelnen Bauteile des Motors, die einen sehr widerstandsfähigen Aufbau und/oder das Einhalten sehr genauer Toleranzen der Luftspalte zwischen entgegengesetzten Elementen erforderlich macht. Ein solcher Aufbau ist ausserordentlich kostspielig. Schliesslich war bis vor wenigen Jahren die maximale Kraft, die ein Linearmotor liefern konnte,

durch den Entmagnetisierungseffekt begrenzt. Ausgenommen hiervon waren nur keramische Magnete, deren Verhältnis von Energie zu Gewicht aber so niedrig liegt, dass sie für praktische Anwendungen nicht in Frage kommen.

Beim Gleichstrom-Linearmotor gemäss der vorliegenden Erfindung sind die obengenannten Nachteile vermieden. Nach der Erfindung weist der Linearmotor die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf.

Die Wicklungseinheit kann stationär oder beweglich angeordnet sein. Sie kann mehrere Kommutiersegemente enthalten, welche mit den Wicklungen verbunden sind. Neben den Kommutiersegmenten können auch Schleifschienen vorhanden sein, an welche eine Gleichstromquelle anschliessbar ist. Entsprechend kann die Feldeinheit beweglich oder stationär angeordnet sein. Ist die Feldeinheit beweglich, so kann

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sie als Gleiter ausgebildet sein, welcher entlang der Wicklungseinheit auf dieser gleitet. Wenn die Wicklungseinheit mit Schleifschienen und Kommutiersegmenten versehen ist, kann die Feldeinheit Schleifschienenbürsten und Kommuta-trobürsten aufweisen, welche in schleifender elektrischer Berührung mit den Schleifschienen bzw. dem Kommutiersegmenten stehen, wobei die Schleifschienenbürsten mit den Kommutatorbürsten elektrisch verbunden sind, so dass bestimmte Wicklungen der Wicklungseinheit mit Strom versorgt werden. Zur Kommutation können auch Halbleiterschalter vorgesehen werden.

Die vom vorliegenden Linearmotor erzeugte Kraft hat eine Grössenordnung, die direkt proportional dem Strom in den Wicklungen ist, und eine Richtung, die eine Funktion der Richtung dieses Stromes ist. Da vorzugsweise nur die Wicklungen mit Strom versorgt sind, die unter den Polen der Feldeinheit sind, bilden die übrigen, nicht mit Strom versorgten Wicklungen und der Wicklungsträger aus magnetischem Material einen grossen Kühlblock, der zur hohen und andauernden Stromausbeute beiträgt.

Der Motor nach der vorliegenden Erfindung ist mit einer Trägeranordnung zur Aufrechterhaltung eines Luftspaltes zwischen der Feldeinheit und der Wicklungseinheit versehen. Mit «Luftspalt» wird in diesem Zusammenhang ein Zwischenraum zwischen der Feldeinheit und der Wicklungseinheit bezeichnet, der mit nicht-magnetischem Material, vorzugsweise mit Luft, gefüllt ist; es können aber auch andere, nicht-magnetische Materialien zum Ausfüllen des Spaltes verwendet werden.

In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die Permanentmagnete der Feldeinheit seltene Erden enthaltende Magnete. In einer weiteren Ausführungsform ist die Wicklungseinheit mit seitlichen Laufflächen versehen, die aus einem wärmeabstrahlenden Material wie rostfreiem Stahl bestehen. Zur weiteren Kühlung können diese Laufflächen mit Flügeln versehen und/oder mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt sein. In einer weiteren Ausführungsform besteht die Feldeinheit aus zwei Teilen mit annähernd gleich grossen Luftspalten.

In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist die Trägeranordnung mit Rädern versehen, die an der Feldeinheit befestigt sind, um auf den an der Wicklungseinheit angebrachten Laufflächen abzurollen. Weiterhin kann die Wicklungseinheit auch am Rahmen einer Maschine befestigt werden, und die Feldeinheit kann in diesem Fall von einem Gleitstück getragen werden, welches ebenfalls Teil dieser Maschine ist. In einer solchen Ausführungsform werden die Luftspalte durch das Verhältnis zwischen dem Gleitstück und dem Rahmen der Maschine bestimmt.

Der erfindungsgemässe Linearmotor wird vorzugsweise für Servopositionierung, insbesondere für Präzisions-Positionierung mit kurzen Anlaufzeiten verwendet. Ferner kann der Motor als gesteuerter Kraftmotor verwendet werden, in dem die entwickelte Kraft eine Funktion des Stromes und positionsunabhängig ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Hochgeschwindigkeits-Positionierung, da der erfindungsgemässe Motor nicht durch eine Stellschraubenspindel oder ähnliche mechanische Vorrichtungen behindert ist.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer vorzugsweisen Ausgestaltungsform des erfindungsgemässen Gleichstrom-Linearmotors.

Fig. 2 ist eine Vorderansicht des in Fig. 1 dargestellten Motors;

Fig. 3 ist eine Ansicht von oben des in Fig. 1 dargestellten Motors;

Fig. 4 ist eine Ansicht von unten des in Fig. 1 dargestellten

Motors;

Fig. 5 ist eine Aufsicht auf die Wicklungseinheit des Motors der Fig. 1 mit den Wicklungen in schematischer Darstellung;

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht der Wicklungseinheit entlang der Linie VII-VII der Fig. 2;

Fig. 7 ist ein Ausschnitt einer Aufsicht einer zweiten Ausführungsform des erfinderischen Motors.

Fig. 8 ist ein Querschnitt entlang der Linie X-X der Fig. 7.

Fig. 1 zeigt die sich in Längsrichtung erstreckende Wicklungseinheit 10. Eine bewegliche Feldeinheit 12 kann entlang der Wicklungseinheit 10 in der Längsrichtung bewegt werden.

Die stationäre Wicklungseinheit 10 enthält eine Vielzahl von Wicklungen 14, die schematisch in den Fig. 3 und 5 dargestellt sind. In der vorzugsweisen Ausführungsform von Fig. 1 werden die Wicklungen 14 dadurch hergestellt, dass die magnetische Einheit in ihrer Längsachse gedreht wird und so Spulen bildet, die durch die gegenüberliegenden Schlitze der Wicklungseinheit verlaufen (Fig. 6). Derartige Wicklungen haben die minimale Länge des Spulenkopfes und dadurch einen minimalen Widerstandsverlust. Auch diese Massnahme trägt zur hohen Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Motors bei. Die Enden der Wicklungen 14 sind mit benachbarten Kommutierungssegmenten 16 verbunden (Fig. 5). Selbstverständlich können auch andere Techniken zur Herstellung der Windungen angewendet werden.

Die Wicklungseinheit 10 weist zudem Schleifschienen 18 und 20 auf (Fig. 4), die so ausgerüstet sind, dass sie mit einer Gleichstromquelle, beispielsweise einem Servorverstärker, verbunden werden können, welcher Stand der Technik und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Die Wicklungseinheit 10 kann auf Trägern 36 montiert werden (Fig. 1).

Die bewegliche Feldeinheit 12 ist entlang der Wicklungseinheit 10 auf Rädern 32 verschiebbar (Fig. 1 und 2), welche auf Laufflächen 31 der Wicklungseinheit 10 abrollen. Die Feldeinheit 12 besteht, wie ersichtlich, aus zwei Teilen mit oberen und unteren Rollen 32, wobei die beiden Teile durch Seitenplatten 33 miteinander verbunden sind. Die Rollen 32 und die Seitenplatten 33 bilden demnach eine Trägeranordnung, welche für je einen Luftspalt gegebener Grösse zwischen der Wicklungseinheit 10 und jedem Teil der Feldeinheit 12 sorgt. Vorzugsweise sind diese beiden Luftspalte etwa gleich gross.

Die Feldeinheit 12 weist Schleifschienenbürsten 22 und 24 (Fig. 4), Kommutatorbürsten 26A, 26B und 28 (Fig. 3) und Permanentmagnete 30 (Fig. 2, 3 und 4) auf. Die Schleifschienenbürsten 22 und 24 stellen einen gleitenden Kontakt mit den Schleifschienen 18 und 20 her. Die Kommutatorbürsten 26A und 26B sind mit der Schleifschienenbürste 22 verbunden, während die Kommutatorbürste 28 mit der Schleifschienenbürste 24 verbunden ist. Die Kommutatorbürsten 26A, 26B und 28 sind in Kontakt mit den einzelnen Kommutiersegmenten 16 und versorgen so die Wicklungen 14 mit Strom.

Die Permanentmagnete 30 erzeugen einen Magnetfluss, der sich in gegenseitiger Einwirkung dem Stromfluss in den Wicklungen 14 überlagert und dadurch die Bewegung der Feldeinheit 12 entlang der Wicklungseinheit 10 bewirkt.

In der vorzugsweisen Ausführungsform gemäss Fig. 1 sind die Permanentmagnete aus seltenen Erden; solche Magnete bewirken eine überraschend hohe Kraftausbeute und einen sehr gleichmässigen Lauf. Der gleichmässige Lauf ist ebenfalls ein Ergebnis der Anordnung der Polstücke relativ zu den Schlitzen in der Wicklungseinheit.

In der vorzugsweisen Ausführungsform gemäss Fig. 1 werden nur die Wicklungen unter den Polen der Feldeinheit 12 mit Strom versorgt. Die übrigen, nicht mit Strom versorgten Windungen dienen der Kühlung und tragen so zur hohen Energieausbeute des Motors bei. Zusätzlich ist die Wick-

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lungseinheit 10 mit Kühlflächen 34 versehen (Fig. 2 und 6), die vorzugsweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie rostfreiem Stahl, hergestellt werden und zur weiteren Wärmeableitung dienen. Ebenfalls eignet sich rostfreier Stahl sehr gut als Laufflächen 31 für die Räder 32 der Feldeinheit 12.

Sollte die Wärmeableitung noch nicht ausreichend sein, so können die Kühlflächen 34 noch mit Kühllamellen versehen werden oder mit einer Kühlflüssigkeit in diesen anzubringenden Kanälen zusätzlich gekühlt werden. Die Kühlflächen 34 können zusätzlich zur Formung der Feldeinheit 12 aus Epoxy verwendet werden.

Die Ströme unter den Polen der Permanentmagnete 30 fliessen in entgegengesetzten Richtungen. So weist das eine Ende der Feldeinheit 12 ein Paar Nordpole auf, das andere Ende dagegen ein Paar Südpole (Fig. 2). So bewirken die entgegengesetzt fliessenden Ströme Hilfskräfte in einer Richtung, die von der Stromrichtung in den Wicklungen 14 abhängig ist.

Nachstehend werden Daten eines Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 des erfindungsgemässen Linearmotors angegeben.

1. Abmessungen Wicklungseinheit :

Höhe

Breite

Gewicht pro Längeneinheit

Feldeinheit:

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Breite

Länge

Gewicht

2. Betriebsdaten Spitzenkraft Dauerkraft

Leistungsaufnahme bei Spitzenkraft (25 °C)

Leistungszahl (25°)

Geschwindigkeit ohne Last

Elektrische Zeitkonstante

Statische Reibung

Maximale Wicklungstemperatur

Temperaturanstieg pro Watt

Welligkeit (Durchschnitt zu Spitze)

Frequenz der Welligkeit pro Längeneinheit

Maximale Beschleunigung

Trägheit

4,8 cm 9,8 cm 23,8 kg/m

9,4 cm 11,8 cm 17,5 cm 2,45 kg

245 N HIN 570 W 10 N/W 226 cm/s 4,6 ms 5,6 N 155 °C 0,44 °C/W 4,5%

1,2 Hz/cm 100 m/s2 0,25 kg s2/m

3. Wicklungsparameter Spannung bei Spitzenkraft Spitzenstrom

Stromabhängigkeit der Kraft Rück-EMF Konstante Gleichstromwiderstand (25 °C) Induktivität

29,3 V 19,5 A 12,5 N/A 0,13 V por cm/s 1,5 ±0,2 Q 6,9 mH

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Gleichstrom-Linearmotors. Der Motor von Fig. 7 besteht aus einer Feldeinheit 40 mit den Perma-i5 nentmagneten 41 und 42 und der Wicklungseinheit 45, die mit acht Wicklungen 46 bis 53, gewickelt auf einer mit Schlitzen versehenen magnetischen Anordnung, versehen ist. Die Wicklungen 46 bis 53 sind Schleifenwicklungen und haben eine Steilheit entsprechend der der Permanentmagnete 41 und 42. 20 Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist in Fig. 7 nur eine Windung gezeigt; für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass die Wicklungen 46 bis 53 aus einer Vielzahl von Windungen bestehen.

Während der Motor entsprechend Fig. 1 eine zweiteilige 25 Feldeinheit aufweist, weist der Motor nach Fig. 7 eine zweiteilige Wicklungseinheit auf. In der Ausführungsform nach Fig. 7 sind die Luftspalte zwischen der Feldeinheit 40 und der Wicklungseinheit 45 vorzugsweise gleich gross und die Permanentmagnete 41 und 42 bestehen vorzugsweise aus selte-30 nen Erden.

Fig. 8 zeigt die Feldeinheit 40 getragen von den Rädern 54 und 55, die in den Kanälen 56 und 58 auf den Laufflächen 59 und 60 laufen. So werden die Luftspalte zwischen Feldeinheit 40 und Wicklungseinheit 45 aufrechterhalten, und die Feld-35 einheit 40 kann auf der Längsachse der Wicklungseinheit 45 gleiten, wenn die Wicklungen unter Spannung stehen.

In der Ausführungsform von Fig. 7 hat der Motor einen begrenzten Hub. Alle Wicklungen werden gleichzeitig mit Strom versorgt, wobei die Richtung der Bewegung durch die 40 Stromrichtung gegeben ist. In der Ausführungsform entsprechend Fig. 7 wird keine Kommutation benutzt und dieser Motor kann deshalb als eine Spezialausführung eines bürstenlosen Motors angesehen werden.

Die hierin gegebene ausführliche Beschreibung bezieht 45 sich auf einen Motor mit stationärer Wicklungseinheit und beweglicher Feldeinheit. Der erfindungsgemässe Motor kann aber auch mit stationärer Feldeinheit und beweglicher Wicklungseinheit konstruiert werden.

4 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Gleichstrom-Linearmotor mit Permanentmagneten, welcher als Servomotor oder als Stellmotor bestimmt ist, gekennzeichnet a) durch eine Wicklungseinheit (10), welche eine Mehrzahl von Wicklungen (14), einen mit Schlitzen versehenen Träger aus magnetischem Material und eine den Wicklungen (14) zugeordnete Kommutierungseinrichtung (16) aufweist;

b) durch eine Feldeinheit (12), welche Permanentmagnete (30) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes sowie Stromzufuhreinrichtungen (26A, 26B, 28) zur Stromversorgung mindestens einzelner der Wicklungen (14) der Wicklungseinheit (10) aufweist, wobei die Wicklungseinheit (10) und die Feldeinheit (12) relativ zueinander linear verschiebbar angeordnet sind, derart, dass sich die Feldeinheit (12) unter der Wechselwirkung zwischen dem von den Permanentmagneten (30) erzeugten magnetischen Feld und dem magnetischen Feld der der mit Strom versorgten Wicklungen (14) relativ zur. Wicklungseinheit (10) linear verschiebt; und c) durch eine Trägeranordnung (32, 33) zur Aufrechterhaltung eines Luftspaltes vorgegebener Grösse zwischen der Wicklungseinheit (10) und der Feldeinheit (12).

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinrichtung der Wicklungseinheit (10) mit den Wicklungen (14) verbundene Kommutiersegmente (16) aufweist, und dass die Stromzufuhreinrichtungen der Feldeinheit (12) Kommutatorbürsten (16A, 26B, 28) enthalten, welche dazu ausgebildet sind, in gleitender elektrischer Berührung mit den Kommutiersegmenten (16) zu stehen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungseinheit (10) stationär angeordnet ist und zudem Schleifschienen (18, 20) zum Anschluss an eine Gleichstromquelle aufweist, und dass die Feldeinheit (12) zudem mit Schleifschienenbürsten (22,24) versehen ist, welche mit den Schleifschienen (18,20) in elektrischer Berührung stehen.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungseinheit (10) mindestens zwei Schleifschienen (18,20) aufweist und dass die Feldeinheit (12) mit mindestens zwei zugeordneten Schleifschienenbürsten (22,24) sowie mit mindestens drei Kommutatorbürsten (26A, 26B, 28) versehen ist, welche dazu bestimmt sind, einzelne, jedoch nicht alle Wicklungen (14) der Wicklungseinheit (10) gleichzeitig mit Gleichstrom zu versorgen, wobei die zweite Kommutatorbürste (28) geometrisch zwischen der ersten (26A) und der dritten (26B) Kommutatorbürste entlang der Längsachse der Wicklungseinheit (10) angeordnet und mit einer (24) der Schleifschienenbürsten elektrisch verbunden ist, während die erste (26A) und dritte (26B) Kommutatorbürste mit der anderen Schleifssschienenbürste (22) verbunden sind.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeinheit (12) aus zwei Teilen besteht, wobei die durch die beiden Teile mit der Wicklungseinheit (10) gebildeten Luftspalte etwa gleich gross sind.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägeranordnung Rollen (32) umfasst, welche an der Feldeinheit (12) angebracht sind und auf seitlichen Laufflächen (31) der Wicklungseinheit (10) abrollen.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungseinheit (10) mit seitlichen Flächen (34) versehen ist, die dazu bestimmt sind, die in den Wicklungen (14) erzeugte Wärme abzuführen.

8. Motor nach Anspruch 1, mit beschränktem Hub, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wicklungen (46 bis 53) der Wicklungseinheit (45) gleichzeitig mit Strom versorgt sind, derart, dass die Richtung der Relativbewegung der Feldeinheit (40) und der Wicklungseinheit (45) durch die Stromrichtung bestimmt ist.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungseinheit (45) stationär und die Feldeinheit (40) zur Wicklungseinheit (45) beweglich angeordnet ist.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungseinheit (45) aus zwei Teilen besteht, wobei die durch die beiden Teile mit der Feldeinheit (40) gebildeten Luftspalte etwa gleich gross sind.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (30; 41,42) aus seltene Erden enthaltenden Magneten bestehen.