DE10158562A1 - Linearmotor - Google Patents
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- H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
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Abstract
Die Erfindung stellt einen Multiphasenspulenaufbau bereit, welcher eine erste Spule aufweist, welche einen ersten oberen und unteren Zweig in einer ersten Ebene und einen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet; einer zweiten Spule, welche einen zweiten oberen und unteren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart des rechten Zweigs der ersten Spule positioniert ist; und einer dritten Spule, welche einen dritten oberen und unteren Zweig in einer dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, und so positioniert ist, dass sie den rechten Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der dritte obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift; wobei die erste, zweite und dritte Spule so angeordnet sind, um sich mit den zentralen Teilen in der zweiten Ebene zu bewegen, welche eine Dicke aufweisen, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht und die oberen und unteren Zweige, wenn sie jeweils ineinander greifen, eine konstante Dicke aufweisen, die der zweifachen Dicke gleicht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor.
Linearmotoren bieten viele Vorteile, wie sehr hohe Beschleu
nigung (bis zu 10 g) und Positionierungsgenauigkeit im unteren
Mikrometerbereich und kann ideal sein für neue Maschinenanla
gen oder Aufrüstungen. Andere Nutzen beinhalten, dass sie nur
einen beweglichen Teil aufweisen, welches zur Vereinfachung
und Zuverlässigkeit führt ohne Rückwirkung und hoher Steif
heit. Der berührungsfreie Betrieb reduziert ebenfalls die Ab
nutzung, welches zu einer langen Lebensdauer und einer Reduk
tion der Wartung führt. Linearmotoren werden in einer Viel
zahl von Verwendungen eingesetzt. Zum Beispiel werden sie in
Halbleiterherstellungsausrüstung eingesetzt, Fabrikautomati
onsmaschinenanlagen mit mikrolithographischen Instrumenten
und den anderen Präzisionsbewegungseinrichtungen zum präzisen
Steuern der Position von Einrichtungen und Instrumenten.
Ein herkömmlicher synchroner Linearmotor weist eine Magnetan
ordnung auf, welche elektromagnetisch mit einer Spulenanord
nung in Wechselwirkung tritt. Elektromagnetische Kräfte (Lo
renzkräfte genannt) werden bei der Spulenanordnung in Zusam
menarbeit mit der Magnetanordnung erzeugt, und die elektro
magnetischen Kräfte auf die Spulenanordnung veranlassen die
Spulenanordnung, bezüglich der Magnetanordnung, angetrieben
zu werden oder umgekehrt. Somit können Linearmotoren eine
ortsfeste Magnetanordnung (bei der die Spulenanordnung ange
trieben wird) oder eine ortsfeste Spulenanordnung (bei der
die Magnetanordnung angetrieben wird) umfassen. Die Spulenan
ordnung ist typischerweise mechanisch an einer Translati
onsstufe (oder Schlitten) befestigt, welche verschiebbar mit
einem Schienensatz in Verbindung steht.
Typischerweise stellt ein herkömmlicher Linearmotor vom Typ
mit beweglicher Spule Permanentmagnete an beiden Seiten eines
beweglichen Spulenaufbaus bereit. Die Magnete sind auf den
Innenoberflächen von zwei Schienen angebracht, so dass sie
sich gegenüberstehen. Die Magnete sind nebeneinander befes
tigt, wobei jeder nachfolgende Magnet eine Polung aufweist,
die entgegengesetzt der des vorigen Magneten ist.
Der Spulenaufbau ist aus mehreren, in einer Epoxydharzplatte
eingebetteten, Spulen hergestellt. Jede Spule weist einen
Draht auf, der um einen im Wesentlichen rechteckigen Rahmen
mit einer Öffnung in der Mitte des Rahmens gewickelt ist. Der
Draht ist in einer Richtung gewickelt, die rechtwinklig zu
den magnetischen Flüssen des von den Permanentmagneten er
zeugten magnetischen Feldes ist. Eine Reihe von Spulen sind
benachbart und zwischen den zwei gegenüberliegenden Perma
nentmagnetanordnungen angeordnet. Die auf die Spulen gewi
ckelten Drähte schneiden die Flusslinien zwischen den entge
gengesetzten Permanentmagnetanordnungen und ein Anlegen von
Elektrizität an die Drähte verursacht eine Lorenzkraft, um
die Spulen zu bewegen.
Um die Leistung des Motors zu steigern, muss die Fläche der
Spulenrahmen vergrößert werden, so dass mehr magnetischer
Fluss durch die Spulen hindurchtreten kann. Um die Fläche des
Rahmens durch die magnetischer Fluss hindurch tritt zu ver
größern, können die Spulen gestapelt werden, um die inaktiven
Räume in der Mitte der Spulen auszunutzen. In solch einer An
ordnung kann eine Seite des Spulenrahmens in der Öffnung ei
nes anderen Spulenrahmens positioniert sein. Fig. 1 zeigt ei
ne solche Anordnung. Wie darin dargestellt, sind fünf recht
winklige Spulen 22, 24, 26, 28 und 30 relativ zueinander ge
stapelt. Die Spule 22 hat zwei horizontale Seiten 22a und
22b, zwei longitudinale Seiten 22c und 22d und eine Öffnung
220. Ähnlich hat die Spule 24 zwei horizontale Seiten 24a und
24b und zwei longitudinale Seiten 24c und 24d. Die Seite 24c
ist in der Öffnung 22o der Spule 22 angeordnet, um den magne
tischen Fluss, der durch die Öffnung 22o hindurchtritt, ein
zufangen.
Für einen Drei-Phasen-Motor werden typischerweise drei Spulen
nebeneinander in einer Reihe angeordnet. Ein dreiphasiges
Netz hat drei "heiße" Drähte, die 120° phasenverschoben zu
einander sind. Die Drei-Phasen-Leistung ist kosteneffektiv,
effizient und stellt ein hohes Startmoment bereit. Für jede
Phase wird eine Spule eingesetzt, und somit werden für einen
Drei-Phasen-Motor drei Spulen als eine Einheit eingesetzt,
und sie können gestapelt werden. Fig. 2 stellte eine Seiten
ansicht der gestapelten Spulen für ein dreiphasiges Netz dar.
Wie ersichtlich, kann die Dicke oder Höhe des Aufbaus der
Spulen 22 und 24 drei mal die Dicke jeder einzelnen Spule,
aufgrund der Stapelung der drei Spulen an bestimmten Stellen,
betragen. Die Dicke variiert und eine Dickenabfolge ist 1d,
2d, 3d, 2d, 1d, wobei d die Dicke einer Spule ist. Die 3d-
Dicke ist nicht wünschenswert für die Herstellung, da 3d so
dick ist, dass die Spulen an bestimmten Stellen stark gebogen
werden müssen und solch eine Kraft kann die strukturelle In
tegrität der Spulen zerbrechen und/oder reduzieren. Darüber
hinaus ist die Variation der Dicke (d, 2d, 3d, 2d, d Dicken
abfolge) nicht wünschenswert.
Das US-Patent US 4,314,295 von Frandsen legt eine Anordnung
von Flachspulenaktuatoren offen, wobei jeder Aktuator eine
Anzahl von Flachspulenwindungen auf zumindest einer Seite ei
nes ebenen Substrats beinhaltet, wobei dieses Substrat ange
ordnet ist, um zwischen gegenüberliegenden Magnetpolstücken
entlang eines durch ein Paar gegenüberliegender Laufbahnen
definierten Pfades zu laufen, wobei diese Spulen in "überlap
pender" Beziehung relativ zueinander und zu jeweiligen Pol
stücken angeordnet sind und somit kann das Substrat, wenn ge
wählte Spulenwindungen bestromt werden, steuerbar in eine
translatorische Bewegung versetzt und positioniert werden.
Das US-Patent US 4,390,827 von Imahashi zeigt einen zweipha
sigen Linearmotor, der einen D.C. Strom einsetzt und in wel
chem magnetische Felder abwechselnd umkehrende Richtungen
magnetischer Pfade aufweisen, wobei die magnetischen Felder
in gleichen Intervallen entlang einer geraden Linie ausge
formt sind. Im Patent von Imahashi ist eine Einheit von zwei
Spulen in diesem magnetischen Feld angeordnet und in einer
solchen Weise positioniert, dass, wenn eine der Spulen die
Linien der magnetischen Kraft in maximalem Ausmaß kreuzt, die
andere Spule die Linie der magnetischen Kraft in minimalem
Ausmaß kreuzen kann. Eine große Anzahl von Permanentmagnet
paaren sind angeordnet, die Richtungen des magnetischen Fel
des, welches durch diese Permanentmagnetpaar erzeugt wird,
sind abwechselnd umgekehrt. Zwei Spulen sind durch eine halbe
Polteilung gestaffelt voneinander angeordnet. Die Teile der
Spulen, die innerhalb des magnetischen Feldes angeordnet wer
den, sind in flacher Ausführung gewickelt, und die Breite der
Windungen der Spulen und Breite des Raumes innerhalb der Spu
le werden näherungsweise gleich hergestellt. In einem Spulen
paar sind die Spulen in einer solchen Konfiguration angeord
net, dass eine Spulenseite einer Spule in den inneren Raum
der anderen Spule eingepasst werden kann, und in einem ande
ren Beispiel des Spulenpaares zwei Spulen einfach nebeneinan
der angeordnet und miteinander verbunden werden können.
Das US-Patent US 4,758,750 von Itagaki, et al. legt einen Li
nearmotor vom Typ mit sich bewegender Spule offen, in welchem
eine sich bewegende Multiphasenspule eine Vielzahl von Spu
leneinheiten beinhaltet, wobei jede nicht breiter als die
longitudinale Länge eines Permanentmagneten, der ein statio
näres Teil bildet, geteilt durch die Anzahl der Spulenphasen
ist, und die Spuleneinheiten nachfolgend in der gleichen Ebe
ne mit zentralen Teilen, die sich nicht benachbart überlap
pen, angeordnet sind. Die zentralen Teile der sich bewegenden
Spuleneinheiten haben eine Dicke gleich der einer Einzelpha
se, trotz der multiplen Phasen der sich bewegenden Spule. In
dem Patent von Itagaki weist die sich bewegende Spule drei
Spuleneinheiten auf, die innerhalb der Breite ein Drittel der
Breite des Permanentmagneten in einer Ebene parallel zu dem
Blatt gewickelt ist. Die Spuleneinheiten werden von der Spu
leneinheit ersetzt, deshalb werden die zentralen Teile der
Spuleneinheiten nicht eine auf eine andere gelegt, so dass
der zentrale Teil der sich bewegenden Spule in einer Dicke
gleich der einer Phase verbleibt. Die oberen und unteren En
den, die nicht in entgegengesetzter Beziehung mit den Magne
ten sind, weisen einen solch weitläufigen Raum um sie herum
auf, dass sie in verschiedenen Gestalten ausgeformt werden
können. Die dargestellten oberen und unteren Enden können ei
ne Dicke aufweisen, die jeweils gleich der einer Phase, zwei
Phasen und drei Phasen entspricht. Aufgrund des Stapelns kann
der zentrale Teil der sich bewegenden Spule eine Dicke zwi
schen einem und dreimal der Dicke der Spule aufweisen.
Das US-Patent US 4,839,543 von Beakley, et al. zeigt einen
Linearmotor mit sich bewegender Spule, der eine zentrale Rei
he abwechselnder Permanentmagnete mit Multichasen, Multipol
spulenaufbauten, die an beiden Seiten der Magnetreihe ange
ordnet sind, aufweist. Ergänzungsmaterial des magnetischen
Kreises ist näherungsweise in der selben Höhe wie die Magnete
und außerhalb des Spulenaufbaus angeordnet. Die Spulenaufbau
ten werden aus einer Reihe einzelner Spulen, die in einem
Multiphasenmultipolverhältnis verbunden sind, ausgeformt. An
anderen Stellen als den Enden des Spulenaufbaus sind die ein
zelnen Spulen einer Phase benachbart und so verbunden, dass
ein Strom durch sie in einer gleichförmigen Richtung fließt.
Die Gesamtbreite einer Einzelspule ist gleich der Distanz von
einem Punkt auf einen Magneten zu demselben Punkt des benach
barten Magneten, wobei die Dicke der Einzelspule die Gesamt
breite geteilt durch zweimal der Anzahl der Phasen ist.
Um die Leistung des Motors weiter zu steigern, können zwei
Motoruntereinheiten gestapelt werden. Fig. 3 zeigt einen sol
chen Motor 50, mit einer ersten Motoruntereinheit 60, die ü
ber einer zweiten Motoruntereinheit 70 befestigt ist. Die Mo
toruntereinheit weist ein Joch 61, welches Ober- und Unter
teile 61a und 61b aufweist, auf. An jedem Ober- und Unterteil
61a und 61b ist eine Permanentmagnetanordnung 63a oder 63b
mit Magnetstreifen befestigt, welche Enden aufweisen, die in
einer abwechselnden Nord-/Südpol-Konfiguration angeordnet
sind. Eine verlängerte Spule 65 ist zwischen den Magnetanord
nungen 63a und 63b positioniert. Entsprechend weist die Mo
toruntereinheit 70 ein Joch 71 auf, welches Ober- und Unter
teile 71a und 71b aufweist. An jedem der Ober- und Unterteile
71a und 71b ist eine Permanentmagnetanordnung 73a oder 73b
mit Magnetstreifen befestigt, welche Enden aufweist, die in
einer abwechselnden Nord-/Südpolkonfiguration angeordnet
sind. Eine verlängerte Spule 75 ist zwischen den Magnetanord
nungen 73a und 73b positioniert. Wenn Ströme an die Spulen 65
und 75 angelegt werden, wird eine Lorenzkraft erzeugt und
treibt eine Stufe an, die an beiden Spulen 65 und 75 befes
tigt ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, weisen magnetische Feld
linien 67 und 77 getrennte Rückflusspfade für jede der Motor
untereinheiten 60 und 70 auf. Obwohl die magnetischen Feldli
nien 67 und 77 in dieselbe Richtung zeigen und sich somit in
Fig. 3 addieren, können sie ebenfalls in entgegengesetzte
Richtungen zeigen (oder sich subtrahieren). Außerdem trennt
eine Distanz 69 (welche der Dicke der Teile 61b und 71a
gleicht) aufgrund der Stapelung die Magnetanordnungen 63b und
73a. Der Pfad des Flusses ist verlängert durch (1), die Ge
genwart der Motorgehäuse der Motoren 60 und 70, welche die
Distanz 69 vergrößern und (ii) die getrennten Rückpfade des
Flusses.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Multiphasen
spulenaufbau eine erste Spule, die einen ersten oberen und
unteren Zweig in einer ersten Ebene und einem ersten zentra
len Teil der Spule aufweist, welcher einen linken und rechten
Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet; eine zweite Spule,
die einen zweiten oberen und unteren Zweig in der ersten Ebe
ne und einen zweiten zentralen Teil der Spule aufweist, wel
cher einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene be
inhaltet, wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart
des rechten Zweigs der ersten Spule positioniert ist; und ei
ne dritte Spule, die einen dritten oberen und unteren Zweig
in einer dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten
Spule aufweist, welcher einen linken und rechten Zweig in der
zweiten Ebene beinhaltet und positioniert ist, um den rechten
Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule
zu beinhalten; wobei der dritte obere Zweig in den ersten und
zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in
den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift; die erste,
zweite und dritte Spule sind angeordnet, um sich mit den
zentralen Teilen in der zweiten Ebene zu bewegen, welche eine
Dicke aufweisen, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht,
und die oberen und unteren Zweige jeweils, wenn sie ineinan
dergreifen, eine konstante Dicke aufweisen, die etwa der
zweifachen Dicke gleicht.
Die Ausführungen des obengenannten Aspekts können eines oder
mehr des Folgenden beinhalten. Jede der Spulen ist knickflü
gelförmig gestaltet. Weiter kann jede der Spulen doppelt ge
faltet sein. Die Spule kann eine 45° Biegung, der jeweils die
linken und rechten Zweige mit jedem der oberen und unteren
Arme verbindet, aufweisen. Die erste Ebene ist von der zwei
ten Ebene durch ½-mal der Dicke beabstandet. Die Spulen kön
nen angeordnet sein, um sich in einer Spalte in der longitu
dinalen Richtung eines magnetischen Feldes zu bewegen. Zu
sätzliche Spulen können zu dem Aufbau hinzugefügt werden, mit
benachbarten Spulen, die eine Dicke aufweisen, die der Dicke
gleicht. Folglich kann eine vierte Spule hinzugefügt werden,
die einen vierten oberen und unteren Zweig in der ersten Ebe
ne und ein zentrales Teil der vierten Spule aufweist, welcher
einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhal
tet. Eine fünfte Spule kann hinzugefügt werden, die einen
fünften oberen und unteren Zweig in der dritten Ebene und ein
zentrales Teil der fünften Spule aufweist, welcher einen lin
ken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, wobei
der linke Zweig der fünften Spule benachbart des rechten
Zweiges der dritten Spule positioniert ist. Die erste, zwei
te, dritte, vierte und fünfte Spule können sich mit den zent
ralen Teilen bewegen, welche eine Dicke aufweisen, die der
Dicke einer einzelnen Spule gleicht, und die oberen und unte
ren Zweige jeweils, wenn sie ineinander greifen, eine Dicke
aufweisen, die der zweifachen Dicke gleicht. Ein Joch kann
eingesetzt werden, wobei das Joch eine erste Nut zum Aufneh
men des Spulenaufbaus und eine zweite Nut, welche zum Aufneh
men eines zweiten Spulenaufbaus geeignet ist, aufweist. Jede
Nut weist zwei gegenüberliegende Flächen auf, wobei jede ge
genüberliegende Fläche des weiteren eine Vielzahl von Magne
ten aufweist, die in einer Reihe eine Magnetebene bildend an
einander gereiht sind, und eine longitudinale Achse aufwei
sen, wobei die Magnete mit abwechselnden Polorientierungen
auf den Flächen der Magnetebene aneinandergereiht sind.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein Jochaufbau
eines Linearmotors einen ersten und zweiten Spulenaufbau auf,
wobei jeder Spulenaufbau von einer Vielzahl von Spulen gebil
det wird; und ein Gehäuse mit zwei im Wesentlichen langgezo
genen Nuten, welche angepasst sind, den ersten und zweiten
Spulenaufbau aufzunehmen, wobei jede langgezogene Nut zwei
gegenüberliegende Flächen aufweist, wobei jede der gegenüber
liegenden Flächen eine Vielzahl von Magneten beinhaltet, die
in einer Reihe aneinandergereiht sind und eine longitudinale
Achse aufweisen, und die Magnete mit abwechselnden Polorien
tierungen auf den Flächen der Magnetebene aneinandergereiht
sind.
Ausführungen des Jochaufbaus des Linearmotors können eines
oder mehrere des Folgenden aufweisen. Eine magnetischen Feld
linie kann bei dem Joch vorhanden sein, welche die Magnete
auf der ersten und zweiten Nut in einer einzelnen Schleife
durchquert. Jeder Spulenaufbau kann eine erste Spule, welche
einen oberen und unteren Zweig in einer ersten Ebene und ei
nen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, welcher einen
linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet;
eine zweite Spule, welche einen zweiten oberen und unteren
Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zwei
ten Spule aufweist, welcher einen linken und rechten Zweig in
der zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der zwei
ten Spule benachbart dem rechten Zweig der ersten Spule posi
tioniert ist; und eine dritte Spule, welche einen dritten
oberen und unteren Zweig in einer dritten Ebene und einen
zentralen Teil der dritten Spule aufweist, welcher einen lin
ken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet und po
sitioniert ist, dass er den rechten Zweig der ersten Spule
und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der
dritte obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig
eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zwei
ten unteren Zweig eingreift; die erste, zweite und dritte
Spule sind angeordnet, um sich mit den zentralen Teilen in
der zweiten Ebene zu bewegen, welche eine Dicke aufweist, die
der Dicke einer einzelnen Spule gleicht und die oberen und
unteren Zweige jeweils, wenn sie ineinander greifen, eine
konstante Dicke aufweisen, die etwa der zweifachen Dicke
gleicht. Die zwei Nuten können acht Magnete aufweisen, welche
auf den Flächen der zwei Nuten befestigt sind, wobei der Pfad
des magnetischen Flusses die acht Magnete in der einzelnen
Schleife durchquert. Das Gehäuse kann in W-Form gestaltet
sein. Jeder Spulenaufbau weist einen zentralen Teil mit einer
Dicke gleich einer Dicke einer einzelnen Spule auf, wobei je
der Spulenaufbau obere und untere Teile aufweist, die eine
Dicke gleich der zweifachen Dicke aufweisen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Li
nearmotor erste und zweite Spulenaufbauten auf, wobei jeder
Spulenaufbau beinhaltet: eine erste Spule, welche einen ers
ten oberen und unteren Zweig in einer ersten Ebene und einen
zentralen Teil der ersten Spule aufweisen, welcher einen lin
ken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet; eine
zweite Spule, welche einen zweiten oberen und unteren Zweig
in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spu
le aufweist, welcher einen linken und rechten Zweig in der
zweiten Ebene beinhaltet; wobei der linke Zweig der zweiten
Spule benachbart dem rechten Zweig der ersten Spule positio
niert ist; und eine dritte Spule, welche einen dritten oberen
und unteren Zweig in einer dritten Ebene und einen zentralen
Teil der dritten Spule aufweist, welcher einen linken und
rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet und so positio
niert ist, dass der rechte Zweig der ersten Spule und der
linke Zweig der zweiten Spule beinhaltet ist, wobei der drit
te obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig ein
greift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten
unteren Zweig eingreift; die erste, zweite und dritte Spule
sind angeordnet, um sich mit den zentralen Teilen in der
zweiten Ebene zu bewegen, welche eine Dicke aufweist, die der
Dicke einer einzelnen Spule gleicht und die oberen und unte
ren Zweige jeweils, wenn sie ineinander greifen, eine kon
stante Dicke aufweisen, die etwa der zweifachen Dicke
gleicht; und ein Gehäuse mit zwei im wesentlichen langgezoge
nen Nuten, welche angepasst sind, den ersten und zweiten Spu
lenaufbau aufzunehmen, wobei jede langgezogene Nut zwei gege
nüberliegende Flächen aufweist, wobei jede der gegenüberlie
genden Flächen eine Vielzahl von Magneten aufweist, die in
einer Reihe aneinandergereiht sind und eine longitudinale
Achse aufweisen und die Magnete mit abwechselnden Polorien
tierungen auf den Flächen der Magnetebene aneinandergereiht
sind.
Vorteile des Systems können eines oder mehrere des Folgenden
beinhalten. Die gestapelte Spulenzusammenstellung erzielt ei
ne hohe magnetische Flussdichte bei minimieren seines Profils
oder seiner Abmessungen. Die gestapelte Spulenzusammenstel
lung erzielt die Dicke einer Spule im Zentralbereich und eine
Dicke von zwei Spulen an den Enden der Spulenzusammenstel
lung. Die Dicke an jedem Spulenende ist konstant zweimal die
Spulendicke unabhängig von der Anzahl der gestapelten Spulen.
Dies ist besser als die Stapeltechniken des Standes der Tech
nik, welche variable Enddicken (wie 1d, 2d, 3d, 2d und 1d,
wobei d die Dicke der Spule ist) in Abhängigkeit der Stapel
position aufweisen. Die zweifache Faltung der Spule ist eben
falls vorteilhaft, da es den Spulen erlaubt in einem leichten
Wickel im Vergleich zu einem steilen Winkel gebogen zu wer
den. Solches Biegen reduziert die Belastung der Spulen und
trägt somit zur Gesamtzuverlässigkeit bei.
Des weiteren wird die hohe Flussdichte erzielt, ohne dass
teure Kernmaterialien wie Stahllegierungen benötigt werden,
welche einen hohen magnetischen Sättigungspegel und eine hohe
magnetische Permeabilität aufweisen, um eine gleich hohe mag
netische Flussdichte herstellen zu können. Somit unterstützt
die gestapelte Spulenzusammensetzung synergetisch einen leis
tungsfähigen Linearmotor, wobei erzielt wird, dass er kosten
günstig und mit einem niedrigen Profil ausgestattet ist.
Die Spulenzusammensetzung des Linearmotors ist dünn und kom
pakt. Eine dünnere Spulenwicklungsstruktur steigert die Mo
torkraftkonstante und reduziert das Gewicht des Schlittens.
Eine Steigerung der Motorkraftkonstanten und das reduzierte
Gewicht des Schlittens erhöht die Leistung und steigert die
mögliche Beschleunigung. Mit dreiphasiger Kommutierung ist
die gesteigerte Kraft, die vom Linearmotor zur Geltung ge
bracht wird immer noch relativ konstant über die gesamte Län
ge des Motors.
Wenn die gestapelte Spulenzusammensetzung mit den integrier
ten, zweifachen Motoruntereinheiten eingesetzt wird, werden
die synergetischen Effekte noch mehr verstärkt. In den integ
rierten, zweifachen Motoruntereinheiten fließen magnetische
Feldlinien durch das gesamte Joch, dringen ein und verlassen
die oberen und unteren Kanten des Jochs und fließen durch al
le Magnetanordnungen. Dies unterscheidet sich von herkömmli
chen Linearmotoren, in denen die Feldlinien in gegenüberlie
gende Magnetanordnungen eindringen und aus ihnen heraustre
ten, als ein Feldliniensatz eindringen und gegenüberliegende
Magnetanordnungen als einen anderen Feldliniensatz verlassen.
Zur Veranschaulichung fließt folglich der magnetische Fluss
durch acht Magnete im Gegensatz zu vier Magneten, wie in her
kömmlichen Linearmotoren.
Die Jochgestalt erlaubt den gegenüberliegenden Magnetanord
nungen nahe beieinander bewegt zu werden, um den Pfad des
magnetischen Flusses zu reduzieren. Der Pfad des magnetischen
Flusses wird aufgrund der Entfernung eines Flusspfades weiter
reduziert, wenn der Motor erfindungsgemäß gestapelt wird. Die
reduzierte Weglänge steigert die Flussdichte, um einen leis
tungsfähigen Linearmotor zu unterstützen. Die reduzierte Weg
länge erlaubt aufgrund der Gestalt des Pfades den Einsatz
dünner Magnete.
Die Gestaltung mit integrierter, zweifacher Motoruntereinheit
bietet eine hohe magnetische Dichte, welches einen Hochleis
tungslinearmotor unterstützt. Der resultierende Linearmotor
ist dünn und bietet eine kompakte Anordnung. Des weiteren
bietet die Joch- und Spulenzusammensetzung eine hohe magneti
sche Flussdichte, und produziert große Kräfte für den Linear
motor. Als zusätzlichen Nutzen erlauben die Abmessungen des
Motors den Einsatz des Linearmotors in Anwendungen mit Grö
ßenbeschränkungen. Für Anwendungen, welche zusätzliche Leis
tung benötigen, kann der Motor dimensioniert werden, um mehr
als zwei Motoren zu stapeln. In solchen Fällen können die be
nötigten Magnete noch dünner als die Magnete der zweifachen
Motoruntereinheiten, wie oben angesprochen, sein. Der Motor
ist ebenfalls effizient und niedrig in den Betriebskosten. Er
ist außerdem stark auf die Bedürfnisse der Anwendung anpass
bar.
Weitere Vorteile und Merkmale werden durch die folgende Be
schreibung deutlich, welche Zeichnungen und Ansprüche bein
haltet.
Fig. 1 zeigt eine gestapelte Spulenanordnung gemäß des
Standes der Technik.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Sicht der Spulenanord
nung nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen gestapelten Motor mit zwei Motorunter
einheiten gemäß des Standes der Technik.
Fig. 4A, 4B und 4C zeigen eine perspektivische Sicht, eine
Querschnittssicht und eine vergrößerte Sicht je
weils eines Abschnitts eines Linearmotors.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Sicht eines Motorjochs.
Fig. 6 zeigt exemplarische magnetische Feldlinien durch
das Joch nach Fig. 5.
Fig. 7 u. 8 zeigen eine perspektivische Sicht und eine Quer
schnittssicht einer Ausführungsform eines Spulen
aufbaus.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt von Drähten in den Wicklun
gen nach Fig. 7 bis 8.
Fig. 10 zeigt eine Querschnittssicht eines vereinfachten
Motors.
Fig. 11 zeigt den magnetischen Fluss im Motor nach Fig. 10.
Fig. 12 zeigt Bewegungsabfolgen für den Motor nach Fig. 10.
Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform eines Linearmotors, der
eine zweite Spulenaufbauausführungsform einsetzt.
Fig. 14 zeigt einen Querschnitt der Spulenaufbauausfüh
rungsform nach Fig. 13.
In den Zeichnungen, auf die jetzt detaillierter eingegangen
werden soll, sind Strukturdiagramme für einen Linearmotor
veranschaulicht. Es wird verstanden, dass die erhöhte Motor
leistung durch einen Spulenaufbau erzielt wird, der eine An
zahl von Spulen in einer Anordnung stapelt, deren Dicke eine
Spulendicke an dem Punkt, wo der Spulenaufbau mit Permanent
magnetanordnungen in Wechselwirkung tritt, ist. Die Motor
leistung wird außerdem durch Stapeln von Motoruntereinheiten
in einem integrierten Joch erhöht, wie es durch ein Studium
der Diagramme umfassender verständlich wird.
Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigen eine perspektivische Sicht, ei
ne Querschnittssicht und eine vergrößerte Sicht jeweils eines
Abschnittes eines Linearmotors 401. Der Linearmotor 401 hat
zwei langgezogene Lager 406a und 406b, die als Schienen für
den Linearmotor 401 dienen. Die Lager 406a und 406b befinden
sich über einer langgezogenen Trägerplatte 402. Die Lager
406a und 406b sind Gleitlager, welche einer Last wie einem
Schlitten oder einer Plattform erlauben, eine Distanz, den
Linearmotor 401 einsetzend, zu durchfahren.
Ein Aktuatoraufbau 403 ist oberhalb der Trägerplatte 402 und
zwischen den Lagern 406a und 406b positioniert. Der Aktuato
raufbau 403 wird weiter unten detaillierter in den Fig. 4c, 5
und 6 beschrieben. Eine Abschlussplatte 405 ist über den La
gern 406a und 406b und dem linearen Aktuator 403 positio
niert. Die Abschlussplatte 405 weist einen unteren Vorsprung
auf, der in Verbindung mit dem linearen Aktuator 403 den Ak
tuator 403 an den Rest des Motors 401 sichert. Ein Position
sencoder 404 ist an der Abschlussplatte 405 befestigt und
zwischen der Abschlussplatte 405 und der Trägerplatte 402 po
sitioniert. Der Encoder 404 detektiert die gegenwärtige Posi
tion des Linearmotors 401. Verschiedene Typen von Positions
sensoren können eingesetzt werden, welche optische Positions
sensoren, resistive (potentiometrische) Positionssensoren und
magnetische Positionssensoren (induktionsabhängig) beinhal
ten. In einem optischen Sensor wird eine beweglich Codeplatte
aus einer Glasplatte hergestellt, auf welcher Chrom aufge
dampft wurde oder aus einer Metallplatte wie Edelstahl, Ni
ckel, Kupfer oder dergleichen, und lichtübertragende Ab
schnitte durch Ätzen in Teilen ringförmiger Gebiete geformt
werden, welche durch lichtemittierende Elemente (LED) einer
Lichtquelle abgetastet werden. Die Lichtquelle und ein licht
empfangender Abschnitt werden an jeder Seite der beweglichen
Codeplatte bereitgestellt. Die Lichtquelle und der lichtemp
fangende Abschnitt setzen sich jeweils aus einer vorbestimm
ten Anzahl von lichtemittierenden Elementen (in der Zeichnung
ausgelassen) und Photorezeptorelementen zusammen. Wenn ein
lichtübertragender Abschnitt vor einem Photorezeptorelement
positioniert ist, wird Licht, welches von der Lichtquelle zu
der beweglichen Codeplatte projiziert wird, wird durch den
lichtübertragenden Abschnitt übertragen und dringt in das zu
gehörige Photorezeptorelement ein und ein Signal, welches das
empfangene Licht repräsentiert wird durch das Photorezeptor
element ausgegeben. Ein potentiometrischer Sensor ist im we
sentlichen ein Spannungsteiler, der einen gleitenden Kontakt
aufweist, welcher einen Streifen eines Karbonfilms oder ande
re elektrische Widerstandseinrichtungen ankuppelt und so der
Wert der Ausgangsspannung von dem Sensor eingesetzt werden
kann, um eine Anzeige der detektierten oder gemessenen Posi
tionen bereitzustellen. Der magnetische Positionssensor ver
wendet eine Vielzahl von Rechteckwellenwindungen, die auf der
Oberfläche eines stationären Elementes befestigt sind und ei
ne Spule, welche an eine Wechselstromquelle angeschlossen
ist, welche auf einem beweglichen Element befestigt ist. Die
Rechteckwellenwindungen umfassen jeweils eine Vielzahl von
"high" und "low" Teilen und haben unterschiedliche Perioden.
Das System bestimmt die Position des beweglichen Elements re
lativ zum stationären Element durch Detektieren der Abwei
chung der Wechselinduktivität zwischen der Spule und der
Vielzahl von Rechteckwellenwindungen. Wenn die Stromquelle
die Spule mit Energie versorgt, wird ein großer Strom in ei
ner Rechteckwellenwindung induziert, wenn die Spule benach
bart eines "high"-Teils ist. Nur ein kleiner Strom wird in
einer Windung induziert, wenn die Spule benachbart eines
"low"-Teils ist. Deshalb kann die Position des beweglichen
Elements entlang der Länge des stationären Elements bestimmt
werden aus den Signalen der Windungen.
Fig. 4C zeigt den Aktuatoraufbau 403 detaillierter. Der Aktu
atoraufbau 403 beinhaltet ein Joch 511, welches drei Gabeln
oder Teile 511b, 511a und Silo aufweist, welche zwei Ausspa
rungen 530a und 530b definieren. Die drei Gabeln oder Teile
511b, 511a und Sllc sind an einem Ende durch ein gemeinsames
Teil 511d verbunden und die Teile 511a bis 512d definieren
zwei Aussparungen 530a und 530b. Auf jeder Fläche (oberer und
unterer) der Aussparungen 530a und 530b ist eine Permanent
magnetanordnung 512a, 512b, 512c oder 512d von Magnetstreifen
befestigt, welche Enden aufweisen, die in einer abwechselnden
Nord-/Südpolanordnung platziert sind. Die im wesentlichen
langgezogenen Spulen 514a und 514b sind in den Aussparungen
530a und 530b positioniert. Die Spulen 514a und 514b sind in
einer Richtung senkrecht zum magnetischen Fluss des magneti
schen Feldes gewickelt, das durch die Permanentmagnete er
zeugt wird. Wenn Ströme an die Spulenanordnung angelegt wer
den, wird eine Lorenzkraft erzeugt, und treibt eine Plattform
in dem Aufbau 403 an, sich zu bewegen. Das Joch 511 wird de
taillierter in den Fig. 5 und 6 beschrieben, während eine ex
emplarische Spule wie die Spule 514a detailliert in Fig. 7
beschrieben wird.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Sicht des Jochs 511. Das
Joch 511 kann aus einem Material bestehen, dass eine hohe
magnetische Permeabilität und einen hohen Sättigungspegel
aufweist, wie Permalloy oder Supermalloy. Eine Permanentmag
netänordnung 512a ist auf der inneren Oberfläche (zum Bei
spiel in Richtung des Zentrums der Aussparung 530a) des obe
ren Jochs 511b befestigt und eine Permanentmagnetanordnung
512b ist an der inneren und oberen Oberfläche des mittleren
Jochs 511a befestigt. Dementsprechend ist eine Permanentmag
netanordnung 512c auf der inneren Oberfläche (zum Beispiel in
Richtung des Zentrums der Aussparung 530b) des mittleren
Jochs 511a befestigt, und eine Permanentmagnetanordnung 512d
ist an der inneren Oberfläche des unteren Jochs 511c befes
tigt. Die Permanentmagnetanordnungen 512a, 512b, 512c und
512d weisen eine Anzahl von Permanentmagnetstreifen auf und
abwechselnde Permanentmagnetstreifen sind so angeordnet, dass
sie abwechselnde Polaritäten aufweisen.
Die Streifen 512a bis 512d sind permanent magnetisierte
Streifen in Richtung der Dicke des Streifens magnetisiert.
Die Breite eines Permanentmagnetstreifens entspricht der Ab
messung des Permanentmagnetstreifens entlang der Bewegungs
richtung des Motors. In einer Ausführungsform hat jeder der
magnetischen Streifen der permanentmagnetischen Streifen im
wesentlichen die gleiche Breite. Die Permanentmagnetstreifen
können aus jedem permanentmagnetischen Material wie Neodymi
um-Eisen-Bor (NdFeß) geformt werden. Permanentmagnetstreifen
können an dem oberen Joch 511b dem unteren Joch 511c und dem
mittleren Joch 511a jeweils in einer Weise befestigt werden,
die Klebstoff oder Epoxydharz aufweist. Zusätzliche Mechanis
men zur Befestigung permanentmagnetischer Streifen jeweils an
den Jochteilen 511a, 511b und 511c beinhalten mechanisches
Festklemmen und magnetische Anziehung. Die Magnetanordnungen
haben eine durchgängige Dicke, so dass ihre Oberflächen einen
konstanten Abstand über den Oberflächen der Spulenaufbauten
eines Armaturenaufbaus (nicht dargestellt) aufweisen. Die
Magnete sind so gestaltet, dass sie entlang einer Bewegungs
achse eine im wesentlichen sinusförmige Flussverteilung pro
duzieren um mit den Feldern in Wechselwirkung zu treten, die
durch die Spulenaufbauten produziert werden.
Die Struktur der Fig. 5 ist vorteilhaft gegenüber dem Stand
der Technik, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, der einfach
zwei Gehäuse von Motoruntereinheiten zusammenstapelt. Erstens
weisen die gestapelten Motoren nach Fig. 3 zwei Stücke auf,
welche ein dickes einstückiges Mitteljoch schaffen, welches
demzufolge zwei getrennt Flussschleifen schafft. Wenn die Di
cke der gestapelten Motorgehäuse, welche das Mitteljoch des
Standes der Technik schafft, reduziert wird, würden die gege
nüberliegenden Magnete voneinander angezogen werden und die
Gestalt der Gehäuse verzerren. Im Gegensatz dazu erfährt die
Struktur nach Fig. 5 entgegenwirkende magnetische Kräfte der
vier Magnetanordnungen und ist solchen Verzerrungen nicht
ausgesetzt. Die integrierte Mittelgabel 511a aus einem Stück
kann somit dünner hergestellt werden, als die getrennten Mo
torgehäuse 61b und 71a nach Fig. 3. Des weiteren können auf
grund des reduzierten Flusspfades die Magnetanordnungen 512a
bis 512d ebenfalls dünner hergestellt werden.
Fig. 6 zeigt exemplarische magnetische Feldlinien 632, die
durch das Joch 511 fließen. Wie darin dargestellt, durchlau
fen eine Vielzahl von Feldlinien 632 longitudinal durch das
Joch 511, dringen ein und verlassen die oberen und unteren
Kanten des gesamten Jochs 511 und fließe durch alle Magnetan
ordnungen 512a, 512b, 512c und 512d (Fig. 5). Die einzelne
Feldlinie über alle Magnete der zwei Motoruntereinheiten 60
und 70 reduziert den Flusspfad. Der Flusspfad wird durch Ent
fernen des dicken Gehäuses herkömmlicher Motoruntereinheiten
weiter reduziert. Dies ist im Gegensatz zu herkömmlichen Li
nearmotoren mit langgezogenen Flusspfaden so, aufgrund der
Stapelung zweier separater Motorgehäuse und außerdem aufgrund
des multiplen Feldliniensatzes. Durch Reduzieren des Fluss
pfades wird die Flussstärke gesteigert, welches in einem
leistungsfähigen Motor resultiert.
Das Joch nach den Fig. 5 und 6 ist dünn und stellt eine kom
pakte Anordnung bereit. Des weiteren stellt die Joch und Spu
lenzusammensetzung eine hohe magnetische Flussdichte bereit
und produziert große Kräfte für den Linearmotor. Darüber hin
aus kann eine frei wählbare Anzahl von N Motoren gestapelt
werden, um die Motorleistung zu steigern, obwohl das Joch 511
nur zwei Motoruntereinheiten oder Stufen 60 und 70 aufweist.
Bei einem solchen Stapeln von N Motoruntereinheiten kann die
Dicke der Magneten reduziert werden, da die Gestalt des
Flusspfades verkürzt wird.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine perspektivische Sicht und eine
Querschnittssicht einer Ausführungsform eines Spulenaufbaus
690, der die Spulen 692 bis 708 beinhaltet. Da die Spulen
struktur identisch ist, werden lediglich die repräsentativen
Spulen 692 bis 698 und ihre Beziehungen zueinander genauer
erörtert.
Die Spule 692 weist einen im wesentlichen rechteckigen mono
lithischen Körper auf, der jeweils einen oberen Zweig 692a,
einen unteren Zweig 692b und einen linken und rechten Zweig
692c und 692d aufweist. Zusammen definieren die Zweige 692a
bis 692d eine Öffnung 692o. In einer Ausführungsform sind der
obere und untere Zweig 692a, 692b kürzer als die verlängerten
Zweige 692c und 692d. Jedoch können die Zweige 692a bis 692d
symmetrisch oder unsymmetrisch sein und können jede Gestalt
einnehmen. Der obere und untere Zweig 692a und 692b sind in
einer unterschiedlichen Ebene relativ zu der Ebene des linken
und rechten Zweigs 692c und 692d positioniert.
Aufgrund der unterschiedlichen Erhebung der Zweige 692c und
692d, wie in Fig. 8 dargestellt, ist die Spule 692, wenn man
sie von dem Zweig aus mit den Zweigen 692c und 692d unten und
den Zweigen 692a und 692b oben betrachtet, knickflügelförmig
mit zwei Faltungen in der Spule: eine Faltung tritt auf, wenn
die Spule 692 vom Punkt 680 zum Punkt 682 übergeht und eine
zweite Faltung tritt auf, wenn die Spule 692 vom Punkt 682
zum Punkt 684 übergeht. Die Zweifaltenstruktur ist vorteil
haft, weil die Spulen nur um einen kleinen Winkel gebogen
werden müssen. Eine solche graduelle Biegung minimiert die
mechanische Belastung der Spule während der Herstellung und
bewahrt die Struktur der Spulen und resultiert folglich in
einem robusteren und zuverlässigeren Linearmotor.
Entsprechend beinhaltet die Spule 694 einen im wesentlichen
rechteckigen monolithischen Körper, der jeweils einen oberen
Zweig 694a, einen unteren Zweig 694b und ein Paar eines sich
gegenüberliegenden linken und rechten Zweigs 694c und 694d
aufweist. Zusammen definieren die Zweige 694a bis 694d eine
Öffnung 6940. Die Zweige 694a und 694b sind kürzer als die
Zweige 694c und 694d und sind relativ zu den verlängerten
Zweigen 694c und 694d erhöht. Entsprechend weist die Spule
696 einen im wesentlichen rechteckigen monolithischen Körper
auf, der jeweils einen oberen Zweig 696a, einen unteren Zweig
696b und ein Paar aus einem sich gegenüberliegenden linken
und rechten Zweig 696c und 696d aufweist. Zusammen definieren
die Zweige 696a bis 696d eine Öffnung 696o.
Ein rechter Teil der Öffnung 692o empfängt den Zweig 694c ob
wohl der linke Teil der Öffnung 692o einen rechten Zweig ei
ner Spule empfangen würde, die links der Spule 692 (nicht
dargestellt) positioniert wäre. Entsprechend ist der Zweig
694d im linken Teil der Öffnung 696o positioniert, während
der Zweig 698c den rechten Teil der Öffnung 696o besetzt.
Diese Abfolge wird entlang der Länge des Spulenaufbaus fort
gesetzt.
Die Knickflügelgestalt der Spulen 692 bis 694 erlaubt zwei
Spulen zusammengestapelt zu werden und noch immer die Dicke
lediglich einer Spule bei der zentralen Öffnung 692o, 694o
und 696o aufzuweisen, wie in Fig. 8 veranschaulicht. Für die
se Ausführungsform ist die Spule zwischen den Punkten 682 und
684 um ½d in einem 45° Winkel gebogen. Wie darin dargestellt
ist die Spulendicke bei der Öffnung 692o d. Die Dicke d ist
geringfügig kleiner als der Abstand zwischen den magnetischen
Anordnungen 512a und 512b, welcher der Spule erlaubt sich zu
bewegen.
Der Multiphasenspulenaufbau nach Fig. 8 beinhaltet die erste
Spule 692, welche einen ersten oberen und unteren Zweig 692a
und 692b in einer ersten Ebene aufweist, die sich zwischen
dem Zentrum der Zweige 692a und 692b erstreckt, und einen
zentralen Teil einer ersten Spule, welche einen linken und
rechten Zweig 692c und 692d in einer zweiten Ebene beinhal
tet, die sich zwischen dem Zentrum des linken und des rechten
Zweigs 692c und 692d erstreckt. Der Aufbau weist ebenfalls
eine zweite Spule (in Fig. 8 nicht dargestellt) auf, die ei
nen zweiten oberen und unteren Zweig 696a und 696b in der
ersten Ebene und einen zentralen Teil einer zweiten Spule
aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten
Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der zweiten Spule be
nachbart dem rechten Zweig der ersten Spule positioniert ist.
Der Aufbau nach Fig. 8 weist ebenfalls eine dritte Spule 694
auf, die einen dritten oberen und unteren Zweig 694a und 694b
in einer dritten Ebene beinhaltet, die sich zwischen dem
Zentrum der Zweige 694a und 694b erstreckt, und einen zentra
len Teil einer dritten Spule aufweist, der einen linken und
rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet und so positio
niert ist, dass er den rechten Zweig der ersten Spule und den
linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der dritte
obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift
und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren
Zweig eingreift. In Fig. 8 sind die erste, zweite und dritte
Spule angeordnet, um sich mit ihren zentralen Teilen in der
zweiten Ebene zu bewegen, wobei sie eine Dicke aufweisen, die
der Dicke d einer einzelnen Spule gleicht, und die oberen und
unteren Zweige jeweils, wenn sie ineinander greifen, eine
konstante Dicke von etwa der zweifachen Dicke 2d aufweisen.
Spulen gemäß des Standes der Technik können im Vergleich,
wenn sie gestapelt sind, eine Dicke zwischen dem zwei- und
dreifachen der Dicke einer Spule aufweisen. In diesem Bei
spiel wird diese Dünnheit erzielt, obwohl man das Gebiet zum
Einfangen magnetischen Flusses der gegenüberliegenden Magnet
anordnungen verdoppelt. Aufgrund der Dünnheit der Spule wird
der magnetische Fluss gesteigert, während der magnetische
Pfad reduziert wird, wobei beides die Leistung des Linearmo
tors synergistisch steigert. Zusätzlich wird die strukturelle
Stärke stark erhöht durch das Aufrechterhalten einer konstan
ten Dicke 2d entlang des Spulenaufbaus.
Ein Querschnitt der Drähte in den Spulen 692 bis 698 ist in
Fig. 9 dargestellt, und wie darin gezeigt sind die Drähte der
Spulen 692 bis 708 in einer planaren Reihenfolge mit einer
einheitlichen Breite d angeordnet. Eine Wicklung aus einer
Vielzahl von Schichten, besteht aus Windungen eines elekt
risch leitfähigen Materials in Drahtform mit einem Polymerma
terial, welches die einzelnen Windungen aus dem Drahtmaterial
elektrisch voneinander isoliert. Die einzelnen Wicklungen der
Spule werden eingeschlossen mit der Hilfe einer aushärtenden
Epoxydharzzusammensetzung. In einer Ausführungsform wird die
se Zusammensetzung mit passenden aushärtenden Zusammensetzun
gen zum Ausführen der Ummantelung thermisch ausgehärtet. Der
Querschnitt der exemplarischen Anordnung von Spulen beinhal
tet eine Anordnung von acht Spulen, die in einer planaren
Weise positioniert sind, wobei jede der beteiligten Spulen
einen quadratischen Querschnitt mit einer Wicklungsanordnung
von 7 × 7 Drähten aufweist.
Die Fig. 10 bis 12 veranschaulichen den Betrieb eines verein
fachten Motors. Wenn man sich jetzt der Fig. 10 zuwendet,
wird eine Querschnittssicht eines vereinfachten Motors darge
stellt. Der Motor hat einen Spulenaufbau 902, der zwischen
den gegenüberliegenden Magnetanordnungen 904 bis 906 positio
niert ist und entgegengesetzte magnetische Polaritäten auf
weist. Somit wird zum Beispiel ein Magnet 914 in der Magnet
anordnung 904 direkt gegenüber einem Magnet 916 in der Mag
netanordnung 906 positioniert. Des weiteren weist der Magnet
914 einen magnetischen Nordpol auf, während der Magnet 916
einen magnetischen Südpol aufweist. Darüber hinaus kann ein
Strom an den Spulenaufbau 902 an jede der drei elektrischen
Phasen BAC zur Steuerung der Bewegung des Motors für jede der
Magnetanordnungen gelegt werden. In diesem Fall weist der
Spulenaufbau 902 Spulenzweige auf, welche auf die folgende
dreiphasige Bestromungsreihenfolge A_BA'CB'AC'BA'CB'_C' rea
gieren. Die Ströme in den Spulen A, B und C sind Sinuswellen
mit jeweils 120° Phasenverschiebung. Die gestrichene Größe
verdeutlicht, dass die Stromrichtung entgegengesetzt derjeni
gen ohne Strich verläuft. Zum Beispiel ist die Stromrichtung
des Stromes bei A entgegengesetzt der bei A".
Fig. 11 zeigt den magnetischen Fluss dem der Spulenaufbau 902
ausgesetzt ist, und Fig. 12 zeigt die resultierende Bewegung.
Wenn man sich jetzt auf Fig. 12 bezieht, wird eine exemplari
sche Bewegung für den Motor 900 veranschaulicht. Der Motor
900 hat eine Anordnung von 12 Spulenzweigen, die auf die
nachfolgende Reihenfolge A_BA'CB'AC'BA'CB'_C' reagiert. Zu
erst ist der Strom für die Phase A null und der magnetische
Fluss fließt von Nord (N) nach Süd (S). Da der Strom null
ist, trägt der Zweig der auf Phase A reagiert kein Ergebnis
auf den Motor bei. Wenn man sich jetzt Phase B zuwendet, ist
der Strom in Phase B positiv und der magnetische Fluss fließt
von Nord (N) nach Süd (S). Die Lorenzkraft veranlasst den
Zweig B der Spule sich nach rechts, wie durch die Leistung
der Phase B angetrieben, zu bewegen. Wenn man sich jetzt dem
Spulenzweig zuwendet, der auf die Leistung der Phase C rea
giert, ist der Strom für C negativ und der magnetische Fluss
fließt von S zu N. Die Lorenzkraft würde die Spule ebenfalls
dazu veranlassen, sich nach rechts zu bewegen. Infolgedessen
ist das Ergebnis, dass der Motor 900 dazu veranlasst wird,
sich nach rechts zu bewegen. Dieser Prozess wird für fünf zu
sätzliche Zyklen b bis f mit dem Ergebnis wiederholt, dass
der Motor sich für jeden Zyklus der Zeit f vorwärts bewegt.
Obwohl das Beispiel nach Fig. 12 eine Vorwärtsbewegung dar
stellt, kann sich der Motor frei vorwärts oder rückwärts be
wegen oder stillliegend verbleiben.
Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform eines Linearmotors mit ei
ner Spalte zwischen den ineinandergreifenden Spulen 1033 und
1035. Die Spule 1033 weist einen oberen Zweig 1033a und einen
unteren Zweig 1033b auf, und entsprechend weist die Spule
1035 einen oberen Zweig 1035a und einen unteren Zweig 1035b
auf. Anstatt eng ineinander zu greifen, sind die oberen Zwei
ge 1033a und 1035a durch eine Spulenbreite getrennt. In ähn
licher Weise sind die oberen Zweige 1033b und 1035b durch ei
ne Spulenbreite mit dem Ergebnis getrennt, dass die verbunde
nen Spulen 1033 und 1035 die Dicke einer Spule im Zentrum
aufweisen, aber eine Dreispulendicke an ihren Enden aufwei
sen. Fig. 14 zeigt eine Querschnittssicht der Spulenwindungen
des Motors nach Fig. 13. Wie zuvor ist die Spulenwicklung ei
ne 7 × 7 Anordnung von Drahtschleifen.
Die Erfindung wurde hierin in beachtlichem Detail beschrie
ben, um den Patentsatzungen nachzukommen, und um dem Fachmann
die benötigte Information bereitzustellen, um die neuen Prin
zipien anwenden zu können und solche spezialisierten Kompo
nenten, wie sie benötigt werden, zu konstruieren und einzu
setzen. Jedoch sei verstanden, dass die Erfindung durch spe
zifisch verschiedene Ausrüstungen und Einrichtungen ausge
führt werden kann und das verschiedene Modifikationen sowohl
an Details der Ausrüstung als auch an Betriebsprozeduren aus
geführt werden können, ohne den Bereich der Erfindung selbst
zu verlassen.
Claims (17)
1. Multiphasenspulenaufbau mit:
einer ersten Spule, welche einen ersten oberen und unte ren Zweig in einer ersten Ebene und einen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, welche einen linken und rech ten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet;
einer zweiten Spule, welche einen zweiten oberen und un teren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spule aufweist, welche einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart des rechten Zweigs der ersten Spule positioniert ist; und
einer dritten Spule, welche einen dritten oberen und un teren Zweig in einer dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten Spule aufweist, welche einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, und so positioniert ist, dass sie den rechten Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der dritte obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift;
wobei die erste, zweite und dritte Spule so angeordnet sind, dass sie sich mit den zentralen Teilen in der zweiten Ebene bewegen, welcher eine Dicke aufweist, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht und die oberen und unteren Zweige, wenn sie jeweils ineinander greifen, eine konstante Dicke aufweisen, die etwa der zweifachen Dicke entspricht.
einer ersten Spule, welche einen ersten oberen und unte ren Zweig in einer ersten Ebene und einen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, welche einen linken und rech ten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet;
einer zweiten Spule, welche einen zweiten oberen und un teren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spule aufweist, welche einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart des rechten Zweigs der ersten Spule positioniert ist; und
einer dritten Spule, welche einen dritten oberen und un teren Zweig in einer dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten Spule aufweist, welche einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, und so positioniert ist, dass sie den rechten Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der dritte obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift;
wobei die erste, zweite und dritte Spule so angeordnet sind, dass sie sich mit den zentralen Teilen in der zweiten Ebene bewegen, welcher eine Dicke aufweist, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht und die oberen und unteren Zweige, wenn sie jeweils ineinander greifen, eine konstante Dicke aufweisen, die etwa der zweifachen Dicke entspricht.
2. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1,
wobei jede der Spulen knickflügelförmig ist.
3. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1,
wobei jede der Spulen zweifach gefaltet ist.
4. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1,
wobei jede der Spulen eine 45° Biegung aufweist, welche
den linken und rechten Zweig jeweils mit dem oberen und
unteren Zweig verbindet.
5. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1,
wobei die erste Ebene von der zweiten Ebene durch eine
halbe Dicke beabstandet ist.
6. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1,
wobei die Spulen so angeordnet sind, um sich in einem
Spalt in longitudinaler Richtung eines magnetischen Fel
des zu bewegen.
7. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1,
der des weiteren zusätzliche Spulen umfasst, die an die
erste Spule gekoppelt sind und mit benachbarten Spulen,
die eine Dicke aufweisen, die der Dicke gleicht.
8. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1 mit:
einer vierten Spule, die einen vierten oberen und unte ren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der vierten Spule aufweist, welche einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet;
einer fünften Spule, die einen fünften oberen und unte ren Zweig in der dritten Ebene und einen zentralen Teil der fünften Spule aufweist, welche einen linken und ei nen rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der fünften Spule benachbart des rechten Zweigs der dritten Spule positioniert ist; und
wobei die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Spule so angeordnet sind, um sich mit ihren zentralen Teilen zu bewegen, welche eine Dicke aufweisen, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht, und wobei die oberen und unteren Zweige, wenn sie jeweils ineinander greifen, ei ne Dicke aufweisen, die der zweifachen Dicke gleicht.
einer vierten Spule, die einen vierten oberen und unte ren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der vierten Spule aufweist, welche einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet;
einer fünften Spule, die einen fünften oberen und unte ren Zweig in der dritten Ebene und einen zentralen Teil der fünften Spule aufweist, welche einen linken und ei nen rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der fünften Spule benachbart des rechten Zweigs der dritten Spule positioniert ist; und
wobei die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Spule so angeordnet sind, um sich mit ihren zentralen Teilen zu bewegen, welche eine Dicke aufweisen, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht, und wobei die oberen und unteren Zweige, wenn sie jeweils ineinander greifen, ei ne Dicke aufweisen, die der zweifachen Dicke gleicht.
9. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 1,
welcher weiterhin mit einem Joch ausgestattet ist, wel
ches eine erste Nut zum Aufnehmen des Spulenaufbaus und
eine zweite Nut, die den zweiten Spulenaufbau aufnehmen
kann, aufweist.
10. Multiphasenspulenaufbau nach Anspruch 9,
wobei jede Nut zwei gegenüberliegende Flächen aufweist,
wobei jede der gegenüberliegenden Flächen des weiteren
eine Vielzahl von Magneten beinhaltet, die in einer Rei
he aneinander gereiht sind und eine Magnetebene formen
und eine longitudinale Achse aufweisen, wobei die Magne
te mit abwechselnden Polorientierungen auf den Flächen
der Magnetebene aneinandergereiht sind.
11. Jochaufbau eines Linearmotors mit:
einem ersten und zweiten Spulenaufbau, wobei jeder Spu lenaufbau aus einer Vielzahl von Spulen geformt ist; und
einem Gehäuse mit zwei im wesentlichen langgezogenen Nu ten, die angepasst sind, den ersten und zweiten Spulen aufbau aufzunehmen, wobei jede verlängerte Nut zwei ge genüberliegende Flächen aufweist, wobei jede der gegenü berliegenden Flächen eine Vielzahl von Magneten auf weist, die in einer Reihe aneinander gereiht sind und eine longitudinale Achse aufweisen, wobei die Magnete mit abwechselnden Polorientierungen auf den Flächen der Magnetebene aneinandergereiht sind.
einem ersten und zweiten Spulenaufbau, wobei jeder Spu lenaufbau aus einer Vielzahl von Spulen geformt ist; und
einem Gehäuse mit zwei im wesentlichen langgezogenen Nu ten, die angepasst sind, den ersten und zweiten Spulen aufbau aufzunehmen, wobei jede verlängerte Nut zwei ge genüberliegende Flächen aufweist, wobei jede der gegenü berliegenden Flächen eine Vielzahl von Magneten auf weist, die in einer Reihe aneinander gereiht sind und eine longitudinale Achse aufweisen, wobei die Magnete mit abwechselnden Polorientierungen auf den Flächen der Magnetebene aneinandergereiht sind.
12. Jochaufbau eines Linearmotors nach Anspruch 11,
des weiteren mit einer magnetischen Feldlinie ausgestat
tet, welche die Magnete in der ersten und zweiten Nut in
einer einzelnen Schleife durchquert.
13. Jochaufbau eines Linearmotors nach Anspruch 11,
wobei jeder Spulenaufbau des weiteren beinhaltet:
eine erste Spule, die einen ersten oberen und unteren Zweig in einer ersten Ebene und einen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet;
eine zweite Spule, welche einen zweiten oberen und unte ren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet; wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart dem rechten Zweig der ersten Spule positioniert ist; und
eine dritte Spule, welche einen dritten oberen und unte ren Zweig in einer dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet und so po sitioniert ist, dass sie den rechten Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der dritte obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift;
wobei die erste, zweite und dritte Spule so angeordnet sind, dass sie sich mit den zentralen Teilen in der zweiten Ebene bewegen, wobei sie eine Dicke aufweisen, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht, und die oberen und unteren Zweige jeweils, wenn sie ineinander eingreifen, eine konstante Dicke von etwa der zweifachen Dicke aufweisen.
eine erste Spule, die einen ersten oberen und unteren Zweig in einer ersten Ebene und einen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet;
eine zweite Spule, welche einen zweiten oberen und unte ren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet; wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart dem rechten Zweig der ersten Spule positioniert ist; und
eine dritte Spule, welche einen dritten oberen und unte ren Zweig in einer dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet und so po sitioniert ist, dass sie den rechten Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der dritte obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift;
wobei die erste, zweite und dritte Spule so angeordnet sind, dass sie sich mit den zentralen Teilen in der zweiten Ebene bewegen, wobei sie eine Dicke aufweisen, die der Dicke einer einzelnen Spule gleicht, und die oberen und unteren Zweige jeweils, wenn sie ineinander eingreifen, eine konstante Dicke von etwa der zweifachen Dicke aufweisen.
14. Jochaufbau eines Linearmotors nach Anspruch 11,
wobei die zwei Nuten mindestens acht Magnete aufweisen
und wobei der magnetische Flusspfad acht Magnete in ei
ner einzelnen Schleife durchquert.
15. Jochaufbau eines Linearmotors nach Anspruch 11,
wobei das Gehäuse W-förmig ist.
16. Jochaufbau eines Linearmotors nach Anspruch 11,
wobei jeder Spulenaufbau einen zentralen Teil mit einer
Dicke aufweist, die der Dicke einer einzelnen Spule
gleicht, wobei jeder Spulenaufbau obere und untere Teile
aufweist, die eine Dicke aufweisen, die der zweifachen
Dicke gleicht.
17. Linearmotor mit:
einem ersten und zweiten Spulenaufbau, wobei jeder Spu lenaufbau beinhaltet:
eine erste Spule, welche einen ersten oberen und unteren Zweig in einer ersten Ebene und einen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet;
eine zweite Spule, welche einen zweiten oberen und unte ren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart dem rechten Zweig der ersten Spule positioniert ist; und
eine dritte Spule, welche einen dritten oberen und unte ren Zweig in der dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, und so positio niert ist, dass sie den rechten Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift;
wobei die erste, zweite und dritte Spule angeordnet sind, um sich mit den zentralen Teilen in der zweiten Ebene zu bewegen, die eine Dicke aufweisen, die der Di cke einer einzelnen Spule gleicht und die oberen und un teren Zweige, wenn sie jeweils ineinander greifen, eine konstante Dicke aufweisen, die etwa der zweifachen Dicke gleicht; und
einem Gehäuse mit zwei im wesentlichen langgezogenen Nu ten, die angepasst sind, den ersten und zweiten Spulen aufbau aufzunehmen, wobei jede langgezogene Nut zwei ge genüberliegende Flächen aufweist, wobei jede der gegenü berliegenden Flächen eine Vielzahl von Magneten beinhal tet, die in einer Reihe aneinandergereiht sind und eine longitudinale Achse aufweisen, wobei die Magnete mit ab wechselnden Polorientierungen auf den Flächen der Mag netebene aneinandergereiht sind.
einem ersten und zweiten Spulenaufbau, wobei jeder Spu lenaufbau beinhaltet:
eine erste Spule, welche einen ersten oberen und unteren Zweig in einer ersten Ebene und einen zentralen Teil der ersten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet;
eine zweite Spule, welche einen zweiten oberen und unte ren Zweig in der ersten Ebene und einen zentralen Teil der zweiten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in einer zweiten Ebene beinhaltet, wobei der linke Zweig der zweiten Spule benachbart dem rechten Zweig der ersten Spule positioniert ist; und
eine dritte Spule, welche einen dritten oberen und unte ren Zweig in der dritten Ebene und einen zentralen Teil der dritten Spule aufweist, der einen linken und rechten Zweig in der zweiten Ebene beinhaltet, und so positio niert ist, dass sie den rechten Zweig der ersten Spule und den linken Zweig der zweiten Spule beinhaltet, wobei der obere Zweig in den ersten und zweiten oberen Zweig eingreift und der dritte untere Zweig in den ersten und zweiten unteren Zweig eingreift;
wobei die erste, zweite und dritte Spule angeordnet sind, um sich mit den zentralen Teilen in der zweiten Ebene zu bewegen, die eine Dicke aufweisen, die der Di cke einer einzelnen Spule gleicht und die oberen und un teren Zweige, wenn sie jeweils ineinander greifen, eine konstante Dicke aufweisen, die etwa der zweifachen Dicke gleicht; und
einem Gehäuse mit zwei im wesentlichen langgezogenen Nu ten, die angepasst sind, den ersten und zweiten Spulen aufbau aufzunehmen, wobei jede langgezogene Nut zwei ge genüberliegende Flächen aufweist, wobei jede der gegenü berliegenden Flächen eine Vielzahl von Magneten beinhal tet, die in einer Reihe aneinandergereiht sind und eine longitudinale Achse aufweisen, wobei die Magnete mit ab wechselnden Polorientierungen auf den Flächen der Mag netebene aneinandergereiht sind.
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: JUSTEK, INC., PYEONGTAEK, KYONGGI, KR |
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |