DE10055080A1 - Elektrische Linearmaschine - Google Patents
Elektrische LinearmaschineInfo
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Abstract
Es wird eine elektrische Linearmaschine mit einem Stator (10), der eine Mehrzahl von um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Statorpole (11) aufweist, die einerseits Spulen (14) einer Statorwicklung und andererseits auf ihren freien Stirnseiten Permanentmagnete (15) mit an in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorpolen (11) wechselnder Polarität tragen, und mit einem vom Stator (10) umschlossenen, koaxialen Oszillator (12) aus magnetisch leitfähigem Material angegeben, der in Achsrichtung relativ zum Stator (10) verschiebbar ist und zwischen sich und den Permanentmagneten (15) Luftspalte (17) ausbildet. Zwecks Stabilisierung des Oszillators (12) in seiner koaxialen Mittenposition und zur Vermeidung von den Oszillator (12) aus dieser Mittenposition auslenkenden Seitenkräften, ist die Form von Oszillator (12) und Statorpolen (11) so aufeinander abgestimmt, daß in jedem der von den Permanentmagneten (15) gebildeten Magnetkreisen zwei Luftspalte (17) vorhanden sind, die vom Magnetfluß (16) nur eines einzigen Magnetkreises durchsetzt sind (Fig. 2).
Description
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Linearmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer bekannten, wahlweise als Motor oder Generator
betreibbaren elektrischen Linearmaschine dieser Art
(US 5 654 596, Fig. 1A-3A) ist der Oszillator, dort als
Mover bezeichnet, hantelartig von zwei voneinander
beabstandeten, zylindrischen Eisenblechpaketen gebildet, die
den zylindermantelsegmentförmigen Stirnflächen der radial vom
Rückschlußjoch abstehenden Statorpole mit radialem
Spaltabstand gegenüberliegen. Der ebenfalls lamellierte
Stator hat vier in Achsrichtung nebeneinander angeordnete
lamellierte Statoreinheiten mit jeweils vier in
Umfangsrichtung um gleiche Winkel versetzten Statorpolen. In
jeder Statoreinheit ist auf der freien Stirnfläche der
Statorpole ein schalensegmentförmiger Permanentmagnet
angeordnet, der mit dem einen oder anderen zylindrischen
Blechpaket des Movers einen Luftspalt begrenzt. Die
Permanetmagnete der in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden
Statorpole in jeder Statoreinheit weisen wechselnde
Polarität, also Nord-Süd-Nord-Süd-Polärität, auf. Die auf
axial fluchtenden Polen der vier Statoreinheiten
nebeneinander angeordneten Permanentmagnete besitzen
ebenfalls in Axialrichtung aufeinanderfolgend wechselnde
Polarität. Auf jeweils vier in Achsrichtung fluchtende
Statorpolen ist eine Spule der Statorwicklung aufgewickelt.
Bei der bekannten Linearmaschine bilden sich über Stator und
Mover pro Statoreinheit von den vier Permanentmagneten jeder
Statoreinheit erzeugte Magnetkreise mit einem Magnetfluß aus,
wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Diese
Magnetflußausbildung hat zur Folge, daß bei einer
Exzentrizität des Movers, wie sie in Fig. 1 strichliniert
dargestellt ist, aufgrund sich dadurch einstellender,
unterschiedlich großer Luftspalte zwischen dem Mover und den
Permanentmagneten die magnetische Flußdichte in den
Magnetkreisen unterschiedliche Stärken aufweist. Dadurch
entstehen radial gerichtete Seitenkräfte, die den Mover im
Sinne einer weiteren Verkleinerung des bereits durch die
Exzentrizität reduzierten Luftspaltes beaufschlagen und die
Exzentrizität zu vergrößern suchen. Um solche Seitenkräfte
aufzufangen und mechanischen Kontakt zwischen den
Permanentmagneten und dem Mover zu vermeiden, sind bei der
bekannten Linearmaschine zylinderförmige Blattfedern
einerseits am Mover und andererseits am Stator befestigt, die
zwischen sich einen kreisförmigen Ringspalt einschließen, der
kleiner ist als der Luftspalt zwischen Permanentmagneten und
Mover.
Die erfindungsgemäße elektrische Linearmaschine hat
demgegenüber den Vorteil, daß durch die erfindungsgemäße
Formgebung von Oszillator und Statorpolen mit der dadurch
erzielten Durchsetzung zweier in einem Magnetkreis
einbezogener Luftspalte mit dem Magnetfluß nur eines einzigen
Magnetkreises bei Exzentrizität des Oszillators die Summe der
Luftspaltbreiten in einem Magnetkreis konstant bleibt, sich
dadurch die Flußdichte des Magnetkreises nicht ändert und
damit keine Seitenkräfte auftreten. Damit nimmt der
Oszillator in seiner radialen Ausrichtung innerhalb des
Stators eine stabile Mittelposition ein, und des bedarf
keiner besonderen Maßnahmen, um im Betrieb der Maschine einen
mechanischen Kontakt zwischen dem Oszillator und den
Permanentmagneten zuverlässig zu unterbinden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im
Anspruch 1 angegebenen elektrischen Linearmaschine möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
jeweils zwei einander zugekehrte Permanentmagnete
unterschiedlicher Polarität, die auf in Umfangsrichtung
aufeinanderfolgenden Statorpolen sitzen, parallel zueinander
ausgerichtet und nehmen unter Bildung der beiden Luftspalte
einen Teil des Oszillators zwischen sich auf.
Zur Realisierung dieser Parallelität sind in einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Stirnseiten der
Statorpole dachartig mit zwei einen Firstwinkel
einschließenden, spiegelsymmetrischen Dachflächen ausgebildet
und auf jeder Dachfläche ein Permanentmagnet mit gleicher
Polarität angeordnet. In die Zwischenräume zwischen jeweils
zwei einander zugekehrten permanentmagnetbelegten Dachflächen
von aufeinanderfolgenden Statorpolen ragt der Oszillator
hinein.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung weist
beispielsweise der Stator dabei insgesamt vier Statorpole
auf, der Firstwinkel beträgt 90° und der Oszillator ragt mit
vier kreuzweise angeordneten Armen in die vorstehend
genannten Zwischenräume hinein.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Draufsicht auf Stator und Oszillator der
bekannten Linearmaschine nach US 5 654 596,
Fig. 2 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen
und 3 Linearmaschine gemäß zweier
Ausführungsbeispiele.
Die in Fig. 2 und 3 in Draufsicht schematisch skizzierte
elektrische Linearmaschine weist in bekannter Weise einen
hohlzylindrischen Stator 10 mit einer Mehrzahl von um gleiche
Umfangswinkel zueinander versetzt angeordneten, radial von
einem Rückschlußring 18 nach innen vorspringenden, sog.
ausgeprägten Statorpolen 11 und einen vom Stator 10
umschlossenen, koaxialen Oszillator 12 aus magnetisch
leitfähigem Material auf, der längs der Statorachse relativ
zuni Stator 10 verschiebbar ist. Im Ausführungsbeispiel der
Fig. 2 weist der Stator 10 vier um jeweils 90° zueinander
versetzte Statorpole 11, im Ausführungsbeispiel der Fig. 3
sechs um jeweils 60° zueinander versetzte Statorpole 11 auf.
Stator 10 und Oszillator 12 sind in bekannter Weise
lamelliert, vorzugsweise aus axial aneinandergereihten,
gestanzten Blechprofilen zusammengesetzt. Das Eisenblechpaket
des Oszillators 12 sitzt dabei fest auf einer Schubstange 13.
Auf jedem Statorpol 11 ist eine Spule 14 einer Statorwicklung
aufgewickelt, und auf den freien Stirnseiten der Statorpole
11 sind Permanentmagnete 15 mit an im Umfangsrichtung
aufeinanderfolgenden Statorpolen 11 wechselnder Polarität
angeordnet, so daß im Umfangsrichtung jeweils auf einen
Statorpol 11 mit Nord-Polarität aufweisenden
Permanentmagneten 15 ein Statorpol 11 mit Süd-Polarität
aufweisenden Permanentmagneten 15 folgt. Wie hier nicht
weiter dargestellt ist, ist zur Induzierung einer
Wechselspannung in der Statorwicklung auf jeden Statorpol 11
mindestens ein weiterer Permanentmagnet mit inverser
Polarität angeordnet, wobei folgerichtig die in einer zu der
in Fig. 2 dargestellten Querschnittsebene des Stators 10
axial versetzten Querschnittsebene liegenden weiteren
Permanentmagnete auf aufeinanderfolgenden Statorpolen
ebenfalls wechselnde Polarität besitzen.
Insoweit stimmt die Linearmaschine gemäß Fig. 2 mit der
Linearmaschine gemäß Fig. 1 überein, die den Stand der
Technik z. B. nach US 5 654 496 repräsentiert. In Fig. 1 ist
dabei auf die Darstellung der Spulen 14 auf den nur
abschnittsweise dargestellten Statorpolen 11 verzichtet
werden.
Bei der bekannten Linearmaschine gemäß Fig. 1 sind die
Permanentmagnete 15 in Form von bogenartigen Schalensegmenten
auf die zylindermantelabschnittförmigen, dem Oszillator 12
zugekehrten, freien Stirnseiten der Statorpole 11 aufgesetzt.
Der Oszillator 12 selbst hat Zylinderform. In den vier sich
ergebenden magnetischen Kreisen bildet sich ein Magnetfluß
aus, dessen Flußlinien in Fig. 1 mit 16 angedeutet sind. Der
zylindrische Oszillator 12 ist koaxial im Stator 10
angeordnet, kann aber fertigungsbedingt eine gewisse
Exzentrizität aufweisen, wie sie in Fig. 1 strichliniert
dargestellt ist. Erfährt der Oszillator 12 eine solche
Verschiebung aus seiner Mittelposition, so ändert sich die
magnetische Flußdichte in den Magnetkreisen. Je kleiner der
Luftspalt wird, desto größer ist die magnetische Flußdichte
und umgekehrt. Da die magnetische Flußdichte in den
magnetischen Kreisen unterschiedlich wird, treten
Seitenkräfte auf, die die Exzentrizität des Oszillators 12
noch zu vergrößern suchen. Die koaxiale Lage des Oszillators
12 innerhalb des Stators 10 ist damit instabil, so daß es -
wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden - jederzeit zu
einem mechanischen Kontakt zwischen den Permanentmagneten 15
und dem Oszillator 12 kommen kann.
Um diese Instabilität des Oszillators 12 in seiner koaxialen
Mittelposition zu vermeiden, ist bei der erfindungsgemäßen
Linearmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die
Form des Oszillators 12 und der permanentmagnetbesetzten
Statorpole 11 so aufeinander abgestimmt, daß jeweils zwei
Permanentmagnete 15 mit unterschiedlicher Polarität, die auf
in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorpolen 11
angeordnet sind, im wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtet sind. Hierzu sind die Stirnseiten der
Magnetpole 11 dachartig mit zwei einen Firstwinkel α
einschließenden, spiegelsymmetrischen Dachflächen 111, 112
ausgebildet, und auf jeder Dachfläche 111, 112 ist ein
Permanentmagnet 15 gleicher Polarität angeordnet. Im
Ausführungsbeispiel der Fig. 2 beträgt bei insgesamt vier
Statorpolen 11 der Firstwinkel α = 90°. In den verbleibenden
Zwischenräumen zwischen aufeinanderfolgenden Statorpolen 11,
die von den einander zugekehrten parallelen Permanentmagneten
15 unterschiedlicher Polarität begrenzt werden, ragt der
Oszillator 12 unter Belassung entsprechender Luftspalte 17 zu
den Permanentmagneten 15 hinein. Im Ausführungsbeispiel der
Fig. 2 weist hierzu der Oszillator 12 vier kreuzweise
angeordnete Arme 121 auf, die mit voneinander abgekehrten
parallelen Seitenflächen 121a und 121b den Luftspalt 17 zu
den auf den Statorpolen 11 angeordneten Permanentmagneten 15
begrenzen.
Durch die beschriebene Ausbildung der
permanentmagnetbesetzten Statorpole 11 und des Oszillators
12, bildet sich in jedem der vier Magnetkreise ein Magnetfluß
16 aus, der jeweils nur zwei parallel zueinander
ausgerichtete Luftspalte 17 durchsetzt. Die vorhandenen vier
parallelen Luftspaltpaare werden dabei jeweils von dem
Magnetfluß 16 nur eines einzigen Magnetkreises durchsetzt,
wie dies anhand der eingezeichneten, über Stator 10 und
Oszillator 12 sich schließenden Flußlinien 16 der
Magnetflüsse in Fig. 2 ersichtlich ist. Verschiebt sich nun
der Oszillator 12 in Fig. 2 nach oben oder seitwärts, so
verändert sich die Breite der Luftspalte 17 in den einander
diametral gegenüberliegenden Magnetkreisen. In jedem
Magnetkreis wird der von dem Magnetfluß 16 durchsetzte eine
Luftspalt 17 kleiner und der andere Luftspalt 17 entsprechend
größer. Die Summe der Luftspaltbreiten bleibt aber konstant,
so daß die magnetische Flußdichte sich nicht ändert und somit
keine Seitenkräfte entstehen. Die koaxiale Mittelposition des
Oszillators 12 ist stabil.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der
Linearmaschine unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 2 durch
das Vorsehen von sechs - anstatt von vier - Statorpolen 11,
wobei der Firstwinkel α zwischen den Dachflächen 111 und 112
der Statorpole 11 60° beträgt. Der Oszillator 12 weist
insgesamt sechs Arme 121 auf, die um 60° Umfangswinkel
jeweils zueinander versetzt angeordnet sind und in die
Zwischenräume zwischen einander zugekehrten Permanentmagneten
15 auf aufeinanderfolgenden Statorpolen 11 unter Belassung
zweier Luftspalte 17 hineinragen. Das Wirkungsprinzip bei
diesem Aufbau der Linearmaschine ist das gleiche wie zu Fig.
2 beschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 und 3 beschränkt. So müssen
die einander zugekehrten Permanentmagnete 15
unterschiedlicher Polarität auf in Umfangsrichtung
aufeinanderfolgenden Statorpolen 11 nicht unbedingt parallel
zueinander verlaufen. Sie können auch gegeneinander geneigt
sein, wobei die Seitenflächen 121a und 121b der Arme 121 dann
zueinander keilförmig verlaufen und dabei konvergieren oder
divergieren können, so daß sich wieder zwei parallele
Luftspalte 17 zwischen einem Arm 121 des Oszillators 12 und
den beiden einander zugekehrten Permanentmagneten 15 auf
aufeinanderfolgenden Statorpolen 11 ergeben.
Claims (7)
1. Elektrische Linearmaschine mit einem Stator (10), der
eine Mehrzahl von um gleiche Umfangswinkel zueinander
versetzt angeordnete, radial ausgerichtete Statorpole
(11) aufweist, auf die einerseits Spulen (14) einer
Statorwicklung aufgewickelt und auf deren freien
Stirnseiten andererseits Permanentmagnete (15) mit an in
Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorpolen (11)
wechselnder Polarität angeordnet sind, und mit einem vom
Stator (10) umschlossenen, koaxialen Oszillator (12) aus
magnetisch leitfähigem Material, der längs der
Statorachse relativ zum Stator (10) verschiebbar ist und
zwischen sich und den Permanentmagneten (15) vom
Magnetfluß (16) der Permanentmagnete (15) durchsetzte
Luftspalte (17) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß
die Form von Oszillator (12) und
permanentmagnetbesetzten Statorpolen (11) so aufeinander
abgestimmt ist, daß in jedem der von den
Permanentmagneten (15) gebildeten Magnetkreise zwei
Luftspalte (17) vorhanden sind, die vom Magnetfluß (16)
nur eines einzigen Magnetkreises durchsetzt sind.
2. Linearmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils zwei einander zugekehrte Permanentmagnete
(15) unterschiedlicher Polarität, die auf in
Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorpolen (11)
sitzen und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet
sind, zwischen sich einen Teil des Oszillators (12)
unter Bildung der beiden Luftspalte (17) einschließen.
3. Linearmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnseiten der Statorpole (11) dachartig mit
zwei einen Firstwinkel (α) einschließenden,
spiegelsymmetrischen Dachflächen (111, 112) ausgebildet
sind, daß auf jeder Dachfläche (111, 112) ein
Permanentmagnet (15) gleicher Polarität angeordnet ist
und daß der Oszillator (12) zwischen jeweils zwei auf
aufeinanderfolgenden Statorpolen (11) angeordneten,
permanentmagnetbesetzten Dachflächen (111, 112)
hineinragt.
4. Linearmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stator (10) m Statorpole (11) aufweist, der
Firstwinkel (α) 360°/m beträgt und der Oszillator (12) m
um 360°/m zueinander am Umfang versetzte, sich radial
zwischen den Statorpolen (11) erstreckende Arme (121)
aufweist, die mit voneinander abgekehrten Seitenflächen
(121a, 121b) jeweils einen Luftspalt (17) zu den auf den
Statorpolen (11) angeordneten Permanentmagneten (15)
begrenzen, wobei m eine ganze Zahl größer 1 ist.
5. Linearmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stator (10) vier Statorpole (11) aufweist, der
Firstwinkel 90° beträgt und der Oszillator (12) vier
kreuzweise angeordnete Arme (121) hat.
6. Linearmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stator (10) mit Statorpolen (11)
lamelliert, vorzugsweise aus gestanzten Blechprofilen
zusammengesetzt, ist.
7. Linearmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Oszillator (12) mindestens ein
auf einer Schubstange (13) sitzendes Eisenblechpaket
aufweist.
Priority Applications (1)
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DE2000155080 DE10055080C2 (de) | 2000-11-07 | 2000-11-07 | Elektrische Linearmaschine |
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DE2000155080 Expired - Fee Related DE10055080C2 (de) | 2000-11-07 | 2000-11-07 | Elektrische Linearmaschine |
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DE (1) | DE10055080C2 (de) |
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---|---|
DE10055080C2 (de) | 2002-08-29 |
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