CH717782B1

CH717782B1 - Modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftführung und einen Linearmotor-Stator mit einer Statoroberfläche

Info

Publication number: CH717782B1
Application number: CH000088/2022A
Authority: CH
Inventors: Yang Lee Shien; Jie Tan Wei
Original assignee: Akribis Systems Pte Ltd
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2024-02-15
Also published as: US11984785B2; WO2021015670A1; DE112020003445T5; CN114175476A; US20220278600A1; JP2022541878A; KR20220035113A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung und einen Linearmotor-Stator (20) mit einer Statoroberfläche (22) offenbart. Dabei umfasst der Linearmotor-Forcer (i) einen Eisenkern (10), der von einem Gehäuse (13) mit einer Oberseite (11) und einer Unterseite (12) umschlossen ist, wobei auf dem Eisenkern (10) eine Vielzahl von Spulenwicklungen (16) angebracht ist, und eine Vielzahl von Luftzufuhrkanälen (50) im Wesentlichen vertikal von der Oberseite (11) zur Unterseite (12) des Gehäuses (13) verlaufend vorgesehen ist, und jeder der Luftzufuhrkanäle (50) an der Unterseite (12) in einer oder mehreren Düsenöffnungen ausläuft und Druckluft über die Vielzahl der Luftzufuhrkanäle (50) in einen magnetischen Luftspalt einblasbar ist, der zwischen der Unterseite (12) und der Statoroberfläche (22) des Linearmotor-Stators (20) gebildet ist, sodass ein vorgespannter tragender Luftfilm (41) erzeugbar ist, und der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer reibungsfrei auf dem Linearmotor-Stator (20) beweglich ist.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

[0001] Für die vorliegende Patentanmeldung wird die Priorität der vorläufigen Anmeldungen in Singapur mit jeweils Anmeldenr. 10201906690X, eingereicht am 19. Juli 2019, und Anmeldenr. 10201911803U vom 07. Dezember 2019 beansprucht.

GEBIET DER ERFINDUNG

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Luftlagerführung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung und einen Linearmotor-Stator mit einer Statoroberfläche mit Selbstregulierung des Laufspiels zwischen Forcer und Stator des Linearmotors.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0003] Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die magnetische Anziehungskraft zwischen Forcer und Stator eines offenseitigen eisenbehafteten Linearmotors als Vorspannungsquelle für Luftlager genutzt werden kann. Dies ist im US-Patent Nr. 6150740 offenbart, das ein System und ein Verfahren zum Vorspannen von linearen Lagern beschreibt, welche angeordnet sind, sich zwischen zwei orthogonalen Oberflächen jeweils einer Schiene und eines diese überlappenden Schlittens zu bewegen, wobei ein elektrischer Linearmotor mit Permanentmagnet mit hoher Anziehungskraft zwischen den Spulen und den Magneten in einem spitzen Winkel zu den Oberflächen geneigt angeordnet ist, sodass sich berührungsfreie lineare Bewegungsachsen ergeben. Der Stand der Technik beruht jedoch auf der Kombination von einzelnen Luftlagerelementen mit eisenbehafteten Linearmotoren in einer Baugruppe. Bei einer derartigen Konstruktion wird eine Vorspannkraft an einer anderen Stelle als der Luftfilm des Lagers angelegt, und aufgrund der Motorbeschleunigung wirken Kräfte vom Steifigkeitszentrum jedes Lagerelements weg, sodass im Hinblick auf günstige Systemdynamik und hohe geometrische Genauigkeit eine sorgfältige mechanische Ausführung erforderlich ist.

[0004] Im deutschen Patent Nr. DE102007057833 ist eine Linearführung mit integriertem Linearmotor mit einem ortsfesten, in Führungsrichtung verlaufenden Träger, einem in Führungsrichtung beweglichen Tisch und einem Linearmotor, dessen beweglicher Teil mit dem Tisch und dessen ortsfester Teil mit dem Träger verbunden ist, offenbart. Die Linearführung verfügt zudem über ein integriertes Positionsmesssystem mit Maßstab und Abtastköpfen, mit dem die Position des Tisches sowohl in Führungsrichtung als auch in einer Abweichungsrichtung, die quer zur Führungsrichtung und parallel zu einer Ebene eines Luftspalts des Linearmotors verläuft, erfassbar ist.

[0005] Im US-Patent Nr. 6707200 ist ein Motor mit integriertem Magnetlager offenbart, welcher einen Rotor mit einer Vielzahl von Permanentmagneten und einen Stator mit einer Vielzahl von unabhängig gesteuerten Spulensegmenten, die magnetisch mit den Permanentmagneten gekoppelt sind, umfasst. Die Motorsegmente sind ausgelegt, um Tangentialkräfte zu erzeugen, wodurch infolge der Tangentialkräfte sowohl Drehmoment- als auch Lagerkräfte auf den Stator und den Rotor erzeugt werden.

[0006] Im europäischen Patent Nr. EP 3460273 ist ein aktives Luftlager offenbart, das eine untere Platte mit einem zentralen Aussparungsbereich mit einer Düsenöffnung umfasst, die eine Einlassdrossel für Druckluft aus einer zentralen Düse bildet. Ein Luftspalt ist zwischen einer Führungsfläche und der unteren Platte gebildet.

[0007] Das aktive Luftlager umfasst einen Kraft-Aktuator, der unter Verformung der unteren Platte die Form des Luftspalts verändert. Der Aktuator bewirkt eine konische Verformung der ersten Platte. Vorzugsweise bilden die erste Platte, eine zweite Platte und vier Drehpunkte ein Parallelogramm, wobei die Form des Parallelogramms durch Betätigung des Aktuators verändert werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

[0008] Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung bereitzustellen, bei dem das Lagerelement, das Vorspannelement und das Betätigungselement zu einer einzigen Einheit kombiniert sind. Eine solche kombinierte Einheit ergibt ein in sich geschlossenes Bewegungselement mit inhärenter Ausrichtung zwischen dem Trägheitszentrum, dem Steifigkeitszentrum und dem Kraftzentrum. Diese inhärent ausbalancierten Elemente sind ohne weiteres in Systeme integrierbar, reduzieren die Gesamtzahl der Teile und haben geringere Masse und Größe - alles Eigenschaften mit erheblichem potenziellen Nutzen bei der Konstruktion von Präzisionsbewegungssystemen.

[0009] Eine weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung und einen Linearmotor-Stator mit einer Statoroberfläche bereitzustellen, wobei: (i) der Linearmotor-Forcer einen Eisenkern umfasst, der von einem Gehäuse mit einer Oberseite und einer Unterseite umschlossen ist, wobei auf dem Eisenkern eine Vielzahl von Spulenwicklungen montiert ist, und eine Vielzahl von Luftzufuhrkanälen im Wesentlichen vertikal von der Oberseite zur Unterseite des Gehäuses vorgesehen ist, und jeder der Luftzufuhrkanäle an der Unterseite in einer oder mehreren Düsenöffnungen ausläuft; und

[0010] Druckluft über die Vielzahl der Luftzufuhrkanäle und durch die Düsenöffnungen in einen magnetischen Luftspalt eingeblasbar ist, der zwischen der Unterseite und der Statoroberfläche des Linearmotor-Stators gebildet ist, sodass ein vorgespannter tragender Luftfilm erzeugbar ist, und der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer reibungsfrei auf dem Linearmotor-Stator beweglich ist.

[0011] Eine weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung und einen Linearmotor-Stator mit einer Statoroberfläche bereitzustellen, wobei der Linearmotor-Forcer umfasst: (i) einen Eisenkern, der von einem Gehäuse mit einer Oberseite und einer Unterseite umschlossen ist, wobei auf dem Eisenkern eine Vielzahl von Spulenwicklungen montiert ist; und (ii) eine Vielzahl von Injektionsleitungen mit jeweils einem Innenvolumen, die an der Unterseite angebracht ist, und einer Vielzahl von Düsenöffnungen, die die Innenvolumen der Injektionsleitungen mit der Unterseite verbinden; undwobei Druckluft über die Injektionsleitungen in einen magnetischen Luftspalt einblasbar ist, der zwischen der Unterseite des Linearmotor-Forcers und der Statoroberfläche gebildet ist, sodass ein vorgespannter tragender Luftfilm in dem magnetischen Luftspalt des Linarmotor-Stators erzeugbar ist, und der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer reibungsfrei auf dem Linearmotor-Stator beweglich ist.

[0012] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftführung zur Verfügung zu stellen, bei dem die Vielzahl von Düsenöffnungen an den Injektionsleitungen an der Unterseite des Linearmotor-Forcers mittels einem Lasergerät oder dergleichen erzeugt wird.

[0013] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen Linearmotor mit Eisenkern und integrierter Luftlagerführung bereitzustellen, bei dem die Injektionsleitung unterhalb der Unterseite des Eisenkerns vorgesehen ist.

[0014] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung bereitzustellen, bei dem die obere abriebfeste Schicht und die untere abriebfeste Schicht ein hohes Maß an Ebenheit aufweisen.

[0015] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung bereitzustellen, bei dem der Linearmotor-Stator eine Anordnung von Permanentmagneten enthält und der Linearmotor-Forcer sich relativ zum Linearmotor-Stator bewegt, und die Statoroberfläche des Linearmotor-Stators ein hohes Maß an Ebenheit und Oberflächengüte aufweist.

[0016] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung bereitzustellen, bei dem die Oberfläche des Linearmotor-Stators als Führung für den Eisenkern-Forcer fungiert.

[0017] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung bereitzustellen, bei dem die Oberseite des Linearmotor-Stators und die Unterseite als Laufflächen für das Luftlager dienen. Zwischen diesen beiden Oberflächen befindet sich ein Luftfilm, der durch die magnetische Anziehungskraft zwischen Forcer und Stator des Linearmotors vorgespannt ist und dessen Dicke vorzugsweise zwischen 0,1 Mikrometer und 100 Mikrometer beträgt.

[0018] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung bereitzustellen, bei dem zwischen dem Linearmotor-Stator und der Unterseite des Linearmotor-Forcers ein vorgespannter Zwischenraum-Luftfilm oder ein Luftspalt-Luftfilm vorgesehen ist, sodass der Linearmotor in geeigneter magnetischer Luftspalthöhe läuft.

[0019] Bei Vorstehendem handelt es sich lediglich um eine Zusammenfassung, die zwangsläufig Vereinfachungen und Verallgemeinerungen enthält und bei der Einzelheiten ausgelassen wurden; der Fachmann wird daher verstehen, dass die Zusammenfassung lediglich der Veranschaulichung dient und in keiner Weise als Einschränkung gedacht ist.

[0020] Weitere Aspekte, Erfindungsmerkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die ausschließlich durch die Ansprüche definiert sind, ergeben sich nachstehend aus der nicht einschränkenden detaillierten Beschreibung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0021] Die beigefügten Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie der Verdeutlichung ihrer zahlreichen Aufgaben, Merkmale und Vorteile für den Fachmann. Soweit in verschiedenen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet werden, bezeichnen diese ähnliche oder identische Elemente.

[0022] Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht einer modularen Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integriertem Luftlager gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei auf dem Linearmotor-Forcer eine Vielzahl von Luftzufuhrkanälen zum Einblasen von Druckluft in den magnetischen Luftspalt des eisenbehafteten Linearmotors ausgebildet ist; Fig. 1A eine Schnittansicht der Düsenöffnung der Luftzufuhrkanäle gemäß vorliegender Erfindung; Fig. 2 eine Schnittansicht einer modularen Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integriertem Luftlager gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Vielzahl von Injektionsleitungen an der Unterseite des Linearmotor-Forcers zum Einblasen von Druckluft in den magnetischen Luftspalt des eisenbehafteten Linearmotors ausgebildet ist; Fig. 3 ein Diagramm, das die Tragfähigkeit des Luftfilms in Abhängigkeit von der Luftfilmdicke für ein Luftlager mit düsenöffnungskompensiertem Druck gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; Fig. 4 ein Diagramm, das die Stator-Forcer-Anziehungskraft eines Linearmotors in Abhängigkeit von dem Luftspalt eines eisenbehafteten Linearmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

[0023] Die folgenden Ausführungen dienen lediglich der detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und sind keineswegs als Einschränkung der Erfindung an sich gedacht. Vielmehr kann eine beliebige Anzahl von Varianten in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen, wie er in den auf die Beschreibung folgenden Ansprüchen definiert ist.

[0024] Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer modularen Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer (100) mit integriertem Luftlager gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der auf dem Linearmotor-Forcer (100) eine Vielzahl von Luftzufuhrkanälen (50) zum Einblasen von Druckluft in den magnetischen Luftspalt des eisenbehafteten Linearmotors ausgebildet ist. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform umfasst der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer (100) mit integrierter Luftlagerführung (i) einen von einem Gehäuse umschlossenen Eisenkern (10); und (ii) einen Linearmotor-Stator (20) mit einer Statoroberfläche. Der Eisenkern (10) ist in dem Gehäuse (13) mit einer Oberseite (11) und einer Unterseite (12) angebracht. Mehrere Spulenwicklungen (16) sind auf dem Eisenkern (10) vorgesehen, wobei mehrere Luftzufuhrkanäle (50) im Wesentlichen senkrecht von der Oberseite (11) zur Unterseite (12) des Gehäuses (13) verlaufen. Jeder der Luftzufuhrkanäle (50) läuft an der Unterseite (12) in einer oder mehreren Düsenöffnungen (32) aus, wie es in Fig. 1A zu sehen ist, die die Düsenöffnung (32) der Luftzufuhrkanäle (50) gemäß vorliegender Erfindung zeigt. Über die Vielzahl der Luftzufuhrkanäle (50) wird Druckluft in einen zwischen der Unterseite (12) des Linearmotor-Forcers (100) und der Statoroberfläche (22) des Linearmotor-Stators (20) gebildeten magnetischen Luftspalt eingeblasen, wodurch ein vorgespannter tragender Luftfilm (41) erzeugt wird. Der Linearmotor (100) mit Eisenkern (10) bewegt sich reibungsfrei auf dem Linearmotor-Stator (20).

[0025] Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer modularen Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integriertem Luftlager gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem an der Unterseite des Linearmotor-Forcers eine Vielzahl von Injektionsleitungen zum Einblasen von Druckluft in den magnetischen Luftspalt des eisenbehafteten Linearmotors ausgebildet ist. Der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer (100) umfasst einen Eisenkern (10); eine Vielzahl von Spulenwicklungen (16); eine Vielzahl von Injektionsleitungen (30) mit jeweils einem Innenvolumen, die unterhalb der Unterseite (12) des Eisenkerns (10) angebracht sind. Der Eisenkern (10) ist von einem Gehäuse (13) umschlossen und hat eine Oberseite (11) und eine Unterseite (12), und der Eisenkern (10) ist mit einer Vielzahl von Spulenwicklungen (16) versehen. Die Vielzahl der Injektionsleitungen (30) befindet sich an der Unterseite (12) des Eisenkerns (10), und jede der Injektionsleitungen (30) läuft einzeln in einer Düsenöffnung (32) an der Unterseite (12) aus. Der Stator (20) des Linearmotors hat eine Statoroberfläche (22) mit einem hohen Maß an Ebenheit und Oberflächengüte. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird Druckluft über die Injektionsleitungen (30) in einen magnetischen Luftspalt eingeblasen, der zwischen der Unterseite (12) und der Statoroberfläche (22) gebildet ist, sodass ein vorgespannter tragender Luftfilm (41) erzeugt wird, und sich der Eisenkern (10) reibungsfrei auf dem Linearmotor-Stator (20) bewegt.

[0026] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine obere abriebfeste Schicht (121) an der Unterseite (12) des Eisenkerns (10) und eine untere - dieser gegenüberliegende - abriebfeste Schicht (21) an der Statoroberfläche (22) des Linearmotor-Stators (20) vorgesehen sein. Sowohl die obere abriebfeste Schicht (121) als auch die untere - dieser gegenüberliegende - abriebfeste Schicht (21) sind mit einem hohen Maß an Ebenheit und Oberflächengüte ausgeführt, sodass sie als Luftlagerfläche dienen. Über die Vielzahl von Düsenöffnungen (32) ist das Innenvolumen der Injektionsleitungen (30) mit der Unterseite (12) des Linearmotor-Forcers (100) verbunden.

[0027] Die Düsenöffnungen (32) verbinden die Injektionsleitung (30) mit dem Luftfilm (41) des Luftlagers, und die Düsenöffnungen (32) der Injektionsleitung (30) an der Unterseite (12) des Eisenkerns (10) werden mittels eines Lasergeräts oder dergleichen gebildet.

[0028] Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, ist eine Vielzahl von Spulenwicklungen (16) in den Eisenkern (10) eingebettet, und der Eisenkern (10) ist von dem Gehäuse (13) umschlossen. Das Gehäuse (13) besteht aus Polymermaterial. Die Injektionsleitung (30) ist unterhalb der Unterseite des Eisenkerns (10) vorgesehen.

[0029] Die obere abriebfeste Schicht (121) und die untere abriebfeste Schicht (21) weisen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein hohes Maß an Ebenheit auf.

[0030] Im Betrieb bewegt sich der Linearmotor-Forcer (100) relativ zum Linearmotor-Stator (20), der eine Anordnung von Permanentmagneten enthält. Die Statoroberfläche des Stators (20), die der Luftlagerschicht (41) auf dem Linearmotor-Forcer (100) gegenüberliegt, ist ebenfalls mit einem hohen Maß an Ebenheit und Oberflächengüte ausgeführt, sodass sie als Führung für den eisenbehafteten Linearmotor-Forcer mit integriertem Luftlager dient. Die geometrische Genauigkeit der Verlaufsbahn des geführten Linearmotor-Forcers hängt vom Maß der Ebenheit der gegenüberliegenden Lagerflächen (12, 22) am Forcer (100) bzw. am Stator (20) des Linearmotors ab.

[0031] Bei den bevorzugten Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 sind diese Präzisionsoberflächen (12, 22) durch Polymerreplikation gemäß präzisionsgefertigter Vorlage hergestellt. Um günstige Trockenlaufeigenschaften zu erzielen, werden Polymermischungen verwendet, die für die Nachbildung von Gleitlageroberflächen ausgelegt sind. Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Luftlager- und Führungsflächen, die auf andere Weise, beispielsweise durch Schleifen, Läppen, Polieren usw., hergestellt werden.

[0032] Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Tragfähigkeit des Luftfilms in Abhängigkeit von der Luftfilmdicke für ein Luftlager mit düsenöffnungskompensierten Druck gemäß vorliegender Erfindung zeigt. Bei jeder individuellen Luftlagerausführung wird die Dicke des Luftfilms durch die Größe der zur Kompression des Luftfilms wirkenden Kraft bestimmt. Für bestimmte Präzisionsbewegungs-Anwendungen ist es wünschenswert, das Luftlager in einem Luftfilmumfang mit einer hohen Steifigkeit entsprechenden Dicken zu betreiben.

[0033] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung im Hinblick auf eine Maximierung der Steifigkeit und geometrischen Genauigkeit des Luftlagers konstruiert, um ein hohes Maß an geometrischer Genauigkeit und Bewegungswiederholbarkeit zu geringeren Kosten als bei herkömmlichen Bewegungstischkonstruktionen zu erzielen.

[0034] Im Vergleich zu Bewegungstischen mit eigenständigen Linearmotoren und Lagern lässt sich der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer mit integrierter Luftlagerführung durch die effiziente Nutzung des herkömmlicherweise nicht genutzten magnetischen Luftspaltvolumens in kleinerer Baugröße ausführen. Die Integration von Luftlagern und Aktuatoren in nur einer Baueinheit führt auch zu einer verringerten Anzahl der Teile einer Einheit und niedrigeren Kosten im Vergleich zu eigenständigen Konstruktionen. Wie bereits erwähnt, führt die enge Integration von Spulenwicklung und Luftlagern auch zu einer inhärenten Abstimmung der Trägheits-, Steifigkeits- und Kraftzentren aufeinander, was eine Verbesserung der Dynamik zur Folge hat.

[0035] Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das die Stator-Forcer-Anziehungskraft eines Linearmotors in Abhängigkeit von dem magnetischen Luftspalt eines eisenbehafteten Linearmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

[0036] Je nach Linearmotorkonstruktion hängt die Größe der Anziehungskraft zwischen dem Forcer und dem Stator vom Abstand zwischen diesen ab. Dieser Abstand wird als magnetischer Luftspalt bezeichnet und hat Auswirkungen auf die Leistungsmerkmale des Linearmotors, beispielsweise dessen Kraftkonstante.

[0037] Je nach Linearmotorkonstruktion gibt es eine Reihe von vorteilhaften magnetischen Luftspalten.

[0038] Bei der vorliegenden Erfindung kann die geometrische Beziehung zwischen magnetischem Luftspalt und Luftfilmdicke während des Herstellungsprozesses bestimmt werden, was unter kontrollierten Bedingungen problemlos erfolgen kann. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, bei dem die Einstellung des magnetischen Luftspalts von Linearmotoren eine Präzisionsbearbeitung und sorgfältige Montage erfordert. Bei der vorliegenden Erfindung stellt sich die Größe der Lagerluftfilmdicke von selbst ein. Dies ist bedingt durch ein statisches Kräftegleichgewicht zwischen der Tragfähigkeit des Luftfilms und der magnetischen Anziehungskraft zwischen dem Eisenkern des Forces und den Permanentmagneten im Stator (20). Die magnetische Anziehungskraft ändert sich annähernd quadratisch in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Stator (20) und dem Forcer-Eisenkern (10) des Linearmotors, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, während sich die Tragfähigkeit des Luftfilms in der charakteristischen nichtlinearen Weise ändert, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Gleichgewichtsdicke des Luftfilms wird durch die Wahl eines geeigneten Abstands zwischen dem Linearmotor-Forcer-Eisenkern (10) und der Unterseite (12) des Linearmotor-Forcers eingestellt. Je nach Konstruktionsziel kann der Gleichgewichtsluftfilm frei in unterschiedlichen Dicken eingestellt werden (beispielsweise im Hinblick auf maximale Steifigkeit, Schwingungsdämpfung usw.). Diese selbstregulierende Eigenschaft vereinfacht die Montage von Bewegungstischen erheblich, da der Abstand zwischen den magnetischen Vorspannelementen sowie zwischen den Luftlagerelementen nicht mehr einzeln und präzise eingestellt werden muss.

[0039] Schließlich kann der Linearmotor aufgrund der direkten Nutzung der Stator- (20) und Forcer-Oberflächen als Luftlager-Laufflächen mit kleineren magnetischen Luftspalten betrieben werden als dies bei herkömmlichen Konstruktionen mit eigenständigen Motoren und Lagern möglich ist, da bei letzteren die Parallelität und ein gleichmäßiger Forcer-Stator-Abstand über den gesamten Hub des Tischs nicht ohne weiteres sichergestellt werden kann.

[0040] Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verursacht jedwede Welligkeit in den Laufflächen des eisenbehafteten Linearmotor-Forcers (100) und des Linearmotor-Stators (20) entsprechende geometrische Fehler in der Forcer-Bahn, während die Dicke des Luftfilms (41) und der magnetische Luftspalt beibehalten bleiben. Diese Eigenschaft verhindert unerwünschte Kollisionen zwischen Forcer und Stator des Linearmotors. Die Verkleinerung des dünnsten möglichen magnetischen Luftspalts erhöht die Gestaltungsfreiheit bei der Motorkonstruktion und kann zu Linearmotoren mit höherem Wirkungsgrad oder Kraftdichte beitragen.

[0041] Obwohl voranstehend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft beschrieben sind, versteht es sich für den Fachmann, dass Änderungen an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dabei vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer (100) mit integrierter Luftlagerführung und einen Linearmotor-Stator (20) mit einer Statoroberfläche (22), wobei: (i) der Linearmotor-Forcer (100) einen Eisenkern umfasst, der von einem Gehäuse (13) mit einer Oberseite (11) und einer Unterseite (12) umschlossen ist, wobei auf dem Eisenkern (10) eine Vielzahl von Spulenwicklungen (16) angebracht ist, und eine Vielzahl von Luftzufuhrkanälen (50) im Wesentlichen vertikal von der Oberseite (11) zur Unterseite (12) des Gehäuses (13) vorgesehen ist, und jeder der Luftzufuhrkanäle (50) an der Unterseite (12) in einer oder mehreren Düsenöffnungen (32) ausläuft; und (ii) Druckluft über die Vielzahl der Luftzufuhrkanäle (50) in einen magnetischen Luftspalt einblasbar ist, der zwischen der Unterseite (12) und der Statoroberfläche (22) des Linearmotor-Stators (20) gebildet ist, sodass ein vorgespannter tragender Luftfilm (41) erzeugbar ist, und der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer (100) reibungsfrei auf dem Linearmotor-Stator (20) beweglich ist.

2. Modulare Baueinheit umfassend einen eisenbehafteten Linearmotor-Forcer (100) mit integrierter Luftlagerführung und einen Linearmotor-Stator (20) mit einer Statoroberfläche (22), wobei der Linearmotor-Forcer (100) umfasst: (i) einen Eisenkern (10), der von einem Gehäuse (13) mit einer Oberseite (11) und einer Unterseite (12) umschlossen ist, wobei auf dem Eisenkern (10) eine Vielzahl von Spulenwicklungen (16) montiert ist, und (ii) eine Vielzahl von Injektionsleitungen (30) mit jeweils einem Innenvolumen, die an der Unterseite (12) angebracht ist, und einer Vielzahl von Düsenöffnungen (32), die die Innenvolumen der Injektionsleitungen (30) mit der Unterseite (12) verbinden; und (iii) wobei Druckluft über die Injektionsleitungen (30) in einen magnetischen Luftspalt einblasbar ist, der zwischen der Unterseite (12) des Linearmotor-Forcers und der Statoroberfläche (22) gebildet ist, sodass ein vorgespannter tragender Luftfilm (41) in dem magnetischen Luftspalt des Linearmotor-Stators erzeugbar ist, und der eisenbehaftete Linearmotor-Forcer (100) reibungsfrei auf dem Linearmotor-Stator (20) beweglich ist.

3. Modulare Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren umfassend eine abriebfeste Schicht (121) an der Unterseite (12) und eine dieser gegenüberliegende abriebfeste Schicht (21) an der Statoroberfläche (22).

4. Modulare Baueinheit nach Anspruch 2, bei dem die Vielzahl von Düsenöffnungen (32) an der Injektionsleitung (30) an der Unterseite (12) mittels eines Lasergeräts ausgebildet ist.

5. Modulare Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Stator (20) eine Anordnung von Permanentmagneten enthält und der Eisenkern (10) relativ zum Stator (20) beweglich ist.

6. Modulare Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Statoroberfläche (22) des Linearmotor-Stators (20) und die Unterseite (12) als Lauffläche des Luftlagers dienen und die Dicke des Luftfilms (41) zwischen 0,1 Mikrometer und 100 Mikrometer beträgt.

7. Modulare Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Statoroberfläche (22) des Linearmotor-Stators (20) als Führungsbahn für den eisenbehafteten Linearmotor-Forcer (100) dient.

8. Modulare Baueinheit nach Anspruch 1, bei dem die Luftzufuhrkanäle (50) am Eisenkern (10) durch zerspanende Bearbeitung, insbesondere durch Bohren, ausgebildet sind.

9. Modulare Baueinheit nach Anspruch 8, bei dem die Vielzahl von Luftzufuhrkanälen (50) im Eisenkern des eisenbehafteten Linearmotor-Forcers (100) angeordnet sind.

10. Modulare Baueinheit nach Anspruch 1, bei dem die Luft in den Zufuhrkanälen (50) komprimierbar und in den magnetischen Luftspalt zwischen der Unterseite (12) und der Statoroberfläche (22) des Linearmotor-Stators (20) abgebbar ist.