DE102005051235A1

DE102005051235A1 - Electro-dynamic linear motor, has magnet rings magnetized in radial, axial and reverse axial and radial manner, where length of axially magnetized rings is ten to ninety percentages lesser than length of radially magnetized rings

Info

Publication number: DE102005051235A1
Application number: DE200510051235
Authority: DE
Inventors: Christian Welk
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2008-03-13

Abstract

The motor has a stator (10) and a rotor (14) formed in a rotation symmetric manner, and are arranged concentric to each other, where the stator is formed by a coil arrangement (12) with a number of field coils (13) and the rotor is formed by a permanent magnet arrangement (16) with base segments (17) having magnet rings (18-21) that have different magnetization directions. The rings are magnetized in a radial, axial and reverse axial and radial manner. The length of axially magnetized rings is 10 to 90 percentages lesser than the length of radially magnetized rings.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Linearmotor mit einem Stator und einem linear verfahrbaren Läufer, die rotationssymmetrisch ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei einer der beiden durch eine aus einer Vielzahl von in Reihe angeordneten Erregerspulen bestehende Spulenanordnung und der andere durch eine aus einer Vielzahl von in Reihe angeordneten Magnetringen bestehende Permanentmagnetanordnung gebildet wird, und wobei die Magnetringe abwechselnd unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweisen.The The invention relates to an electrodynamic linear motor with a Stator and a linearly movable rotor, the rotationally symmetrical are formed and arranged concentrically with each other, wherein one the two by one of a plurality of arranged in series Exciter coils existing coil assembly and the other by a consisting of a plurality of magnetic rings arranged in series Permanent magnet assembly is formed, and wherein the magnetic rings have alternately different magnetization directions.

Derartige Linearmotoren sind beispielsweise aus der DE 19906628 C1 , der DE 19748647 A1 oder der EP 0643470 A1 bekannt. Die Schubkraft ist proportional zum fließenden Strom durch die Spulenanordnung und proportional zur magnetischen Flussdichte des durch die Permanentmagnetanordnung erzeugten Magnetfeldes. Aus thermischen Gründen kann der fließende elektrische Strom nicht beliebig groß gewählt werden. Die magnetische Flussdichte im Bereich der elektrischen Leiter der Spulenanordnung ist daher entscheidend für die erzielbare Motorkraft. Aus wirtschaftlichen Gründen wird dabei ein möglichst geringes Magnetvolumen angestrebt, da die verwendeten Magnetmaterialien, wie zum Beispiel NeFeB, sehr kostenintensiv sind.Such linear motors are for example from the DE 19906628 C1 , of the DE 19748647 A1 or the EP 0643470 A1 known. The thrust force is proportional to the flowing current through the coil assembly and proportional to the magnetic flux density of the magnetic field generated by the permanent magnet assembly. For thermal reasons, the flowing electric current can not be chosen arbitrarily large. The magnetic flux density in the region of the electrical conductors of the coil arrangement is therefore crucial for the achievable engine power. For economic reasons, the aim is to achieve the lowest possible magnet volume, since the magnetic materials used, such as NeFeB, are very cost-intensive.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, zur Erzielung höherer Antriebskräfte bei einem vorgegebenen Magnetvolumen die magnetische Flussdichte im für die Antriebskraft relevanten Bereich zu verbessern.The Object of the present invention is therefore to achieve higher driving forces at a given magnetic volume, the magnetic flux density im for to improve the driving force relevant area.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrodynamischen Linearmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a electrodynamic linear motor with the features of claim 1 solved.

In vorteilhafter Weise können erfindungsgemäß bei gleichem Magnetvolumen und gleichem Magnetmaterial größere magnetische Flussdichten und damit höhere Antriebskräfte erzielt werden. Dies bedeutet beispielsweise auch, dass bei im Vergleich zu den bekannten Magnetanordnungen gleicher Flussdichte ein geringeres Magnetvolumen und damit geringere Kosten und ein geringeres Gesamtvolumen erreicht werden können. Dieser überraschende und vorteilhafte Effekt beruht lediglich auf einfach zu realisierenden unterschiedlichen Längen der unterschiedlich magnetisierten Magnetringe der Permanentmagnetanordnung.In can advantageously according to the invention at the same Magnetic volume and same magnetic material larger magnetic flux densities and thus higher driving forces be achieved. This also means, for example, that in comparison to the known magnet arrangements of the same flux density a smaller one Magnet volume and thus achieved lower costs and a lower total volume can be. This surprising and advantageous effect is based only on easy to implement different lengths the differently magnetized magnetic rings of the permanent magnet arrangement.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Linearmotors möglich.By in the subclaims listed activities are advantageous developments and improvements of the claim 1 specified linear motor possible.

Während gemäß dem Hauptanspruch die Länge der beiden axial magnetisierten Magnetringe eines Grundsegments 10 % bis 90 % geringer als die Länge der beiden radial magnetisierten Magnetringe ist, kann ein noch besserer Effekt im Bereich einer zwischen 30 % bis 70 % geringeren Länge erzielt werden.While according to the main claim the length the two axially magnetized magnetic rings of a basic segment 10% to 90% less than the length is the two radially magnetized magnetic rings, can still better effect in the range of between 30% to 70% lower Length can be achieved.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Permanentmagnetanordnung im Inneren der Spulenanordnung linear verschiebbar angeordnet, wobei die magnetische Flussdichte noch weiter dadurch verbessert werden kann, dass die Magnetringe einen weichmag netischen, rundstabförmigen Kern umgreifen. Die Permanentmagnetanordnung bildet dabei zweckmäßigerweise den Läufer.In a preferred embodiment is the permanent magnet arrangement inside the coil arrangement arranged linearly displaceable, the magnetic flux density can be further improved by the fact that the magnetic rings embrace a weichmag netic, round rod-shaped core. The Permanent magnet arrangement forms expediently the rotor.

Alternative Ausgestaltungen sind prinzipiell ebenfalls möglich, bei denen die Permanentmagnetanordnung die Spulenanordnung umgreift, wobei auch die Spulenanordnung als Läufer ausgebildet sein kann.alternative Embodiments are also possible in principle, in which the permanent magnet arrangement the coil assembly engages, wherein the coil arrangement as runner can be trained.

Da einstückige radial magnetisierte Magnetringe sehr schwierig herzustellen sind, können solche Magnetringe auch aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt sein, die jeweils entsprechend magnetisiert sind.There one-piece radially magnetized magnetic rings are very difficult to manufacture can such Magnetic rings also be composed of individual ring segments, each magnetized accordingly.

Da endseitige Magnetringe mit axialer Magnetisierung keinen wirksamen Beitrag zur Flussdichte leisten, werden endseitige Grundsegmente zweckmäßigerweise ohne äußeren stirnseitigen Magnetring mit axialer Magnetisierung hergestellt.There End-side magnetic rings with axial magnetization no effective Contribute to the flux density, become end-side basic segments expediently without outer frontal Magnetic ring made with axial magnetization.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:One embodiment The invention is illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail. It demonstrate:

1 eine Längsschnittdarstellung eines elektrodynamischen Linearmotors mit innerhalb einer Spulenanordnung angeordneter Permanentmagnetanordnung als Läufer als Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 a longitudinal sectional view of an electrodynamic linear motor with arranged within a coil assembly permanent magnet assembly as a rotor as an embodiment of the invention,

2 eine Darstellung der erzielten Motorkräfte im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, 2 a representation of the achieved engine forces compared to conventional solutions,

3 eine perspektivische Ansicht eines aus vier Magnetringen bestehenden Grundsegments der Permanentmagnetanordnung und 3 a perspective view of a consisting of four magnetic rings basic segment of the permanent magnet assembly and

4 einen Vergleich der erzielten magnetischen Flussdichten im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen. 4 a comparison of the achieved magnetic flux densities compared to conventional solutions.

Bei dem in 1 als Ausführungsbeispiel dargestellten elektrodynamischen Linearmotor besteht ein rotationssymmetrischer Stator 10 aus einem weichmagnetischen Tragrohr 11, das einen magnetischen Rückschluss für eine läuferseitige Permanentmagnetanordnung 16 bildet. Die Spulenanordnung 12 besteht aus einer Vielzahl von aneinandergereihten Einzelspulen 13 zur Erzeugung der für den Linearantrieb erforderlichen elektrodynamischen Kräfte und werden in einer geeigneten von der Läuferposition abhängigen Weise bestromt. Dies ist im eingangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben, sodass sich ein näheres Eingehen darauf erübrigt, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, dass die elektrische Steuerung der Spulenanordnung 12 in üblicher Weise erfolgt und nicht den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung bildet.At the in 1 As an exemplary embodiment illustrated electrodynamic linear motor is a rotationally symmetric stator 10 from a soft magnetic support tube 11 that has a magneti rule conclusion for a rotor-side permanent magnet assembly 16 forms. The coil arrangement 12 consists of a large number of individual coils arranged side by side 13 to generate the necessary for the linear drive electrodynamic forces and are energized in a suitable dependent on the rotor position way. This is described in detail in the prior art described above, so that it is unnecessary to take a closer look at it, in particular with regard to the fact that the electrical control of the coil arrangement 12 takes place in the usual way and does not form the subject of the present patent application.

Im Innern des Stators 10 ist ein ebenfalls rotationssymmetrischer Läufer 14 konzentrisch angeordnet und linear in der Längsrichtung des Linearmotors verschiebbar. Auf die Darstellung einer gegebenenfalls erforderlichen Lagerhülse für den Läufer 14 wurde zur Vereinfachung der Darstellung verzichtet. Der Läufer besteht aus einem ringstabförmigen, weichmagnetischen Kern 15, auf dem die rohrförmige Permanentmagnetanordnung 16 fixiert ist. Der Kern 15 verbessert die magnetische Flussdichte, wobei auch Ausführungen ohne Kern oder mit Kernen aus unmagnetischem Material möglich sind. Der Durchmesser des Kerns kann je nach Aufbau variieren und kann im Grenzfall zu null werden.Inside the stator 10 is a likewise rotationally symmetric rotor 14 arranged concentrically and linearly displaceable in the longitudinal direction of the linear motor. On the representation of an optionally required bearing sleeve for the runner 14 was omitted to simplify the presentation. The rotor consists of a ring rod-shaped, soft magnetic core 15 on which the tubular permanent magnet assembly 16 is fixed. The core 15 improves the magnetic flux density, although versions without a core or cores made of non-magnetic material are possible. The diameter of the core can vary depending on the structure and can become zero in the limit.

Der Läufer 14 kann zur Kraft- beziehungsweise Bewegungsübertragung beispielsweise mit einer nicht dargestellten Abtriebsstange oder dergleichen versehen sein.The runner 14 can be provided for force or motion transmission, for example, with an output rod, not shown, or the like.

Die Permanentmagnetanordnung besteht aus aneinandergereihten und sich in gleicher Weise wiederholenden Grundsegmenten 17, wobei jedes Grundsegment 17 aus vier Magnetringen 18–21 besteht. Der erste Magnetring 18 ist radial und der dritte Magnetring 20 entgegengesetzt radial magnetisiert, wobei der zweite, dazwischenliegende Magnetring 19 axial magnetisiert und der dritte Magnetring 21 entgegengesetzt axial magnetisiert ist. Die beiden entgegengesetzten axial magnetisierten Magnetringe 19 und 21 weisen eine geringere Länge als die der beiden anderen radial magnetisierten Magnetringe 18 und 20 auf. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die axial magnetisierten Magnetringe 19 und 21 ungefähr halb so lang wie die radial magnetisierten Magnetringe 18 und 20. Allgemein müssen die axial magnetisierten Magnetringe 19 und 21 eine um 10 % bis 90 % geringere Länge als die radial magnetisierten Magnetringe 18 und 20 aufweisen, um die erfindungsgemäße Verbesserung der magnetischen Eigenschaften zu erreichen. Ein bevorzugter Bereich ist eine 30 % bis 70 % geringere Länge der axial magnetisierten Magnetringe 19 und 21.The permanent magnet arrangement consists of juxtaposed and repeating in the same way basic segments 17 , where each basic segment 17 from four magnet rings 18 - 21 consists. The first magnetic ring 18 is radial and the third magnet ring 20 radially magnetized opposite, wherein the second, intermediate magnetic ring 19 axially magnetized and the third magnet ring 21 axially magnetized opposite. The two opposite axially magnetized magnetic rings 19 and 21 have a shorter length than the other two radially magnetized magnetic rings 18 and 20 on. In the illustrated embodiment, the axially magnetized magnetic rings 19 and 21 about half as long as the radially magnetized magnet rings 18 and 20 , Generally, the axially magnetized magnet rings 19 and 21 a 10% to 90% shorter length than the radially magnetized magnet rings 18 and 20 in order to achieve the improvement of the magnetic properties according to the invention. A preferred range is a 30% to 70% shorter length of the axially magnetized magnet rings 19 and 21 ,

In 3 ist ein solches Grundsegment 17 perspektivisch dargestellt. Da ein radial magnetisierter Magnetring schwierig herzustellen ist, wird dieser in der Praxis aus einzelnen Ringsegmenten 18a beziehungsweise 20a zusammengesetzt, die vor dem Zusammensetzen entsprechend magnetisiert wurden.In 3 is such a basic segment 17 shown in perspective. Since a radially magnetized magnetic ring is difficult to produce, this is in practice of individual ring segments 18a respectively 20a assembled, which were magnetized prior to assembly accordingly.

Beim Ausführungsbeispiel besitzt der Läufer 14 eine Permanentmagnetanordnung 16, die aus drei Grundsegmenten 17 mit insgesamt zwölf Magnetringen besteht. Die Länge des Läufers 14 und damit die Zahl der Grundsegmente beziehungsweise Magnetringe ist selbstverständlich nicht auf diesen Wert begrenzt, sondern kann größer oder kleiner sein.In the embodiment, the runner owns 14 a permanent magnet arrangement 16 consisting of three basic segments 17 with a total of twelve magnetic rings. The length of the runner 14 and thus the number of basic segments or magnetic rings is of course not limited to this value, but may be larger or smaller.

Die optimale Längendifferenz zwischen radial und axial magnetisierten Magnetringen hängt neben den Materialkennlinien von den gewählten geometrischen Abmessungen ab. Gemäß 2 erfolgt ein Vergleich des Grundsegments 17 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit bekannten Grundsegmenten von bekannten Permanentmagnetanordnungen. Es handelt sich dabei um ein Grundsegment 22 mit zwei gegensinnig axial magnetisierten Magnetringen, um ein Grundsegment 23 mit einer Magnetringanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1, jedoch mit gleichlangen Magnetringen, und um ein Grundsegment 24 mit zwei gegensinnig radial magnetisierten Magnetringen. Zur Vereinfachung wurde jeweils als zusätzliche Rahmenbedingung ein bestimmtes Magnetvolumen vorgegeben, wodurch der Kerndurchmesser dk festgelegt ist und bei allen zu vergleichenden Grundsegmenten identisch ist. Da durch die Polteilung des Linearmotors die Gesamtlänge der Grundsegmente vorgegeben ist, legt die Wahl der Länge rh des radial magnetisierten Magnetrings gleichzeitig die Länge des axial magnetisierten Magnetrings fest. Wenn man als maximale Länge für einen radial magnetisierten Magnetring die halbe Grundsegmentlänge definiert, so ergibt sich für das Grundsegment 22 rh = 0, für das Grundsegment 23 rh = 0,5 max, für das Grundsegment 24 rh = max und für das Grundsegment 17 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Länge rh, die zwischen der halben Maximallänge und der ganzen Maximallänge liegt. Im Diagramm sind Linien gleicher Kraft F eingezeichnet. Man kann aus diesem Diagramm dann leicht ablesen, dass bei Verwendung des Grundsegments 17 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die höchste Antriebskraft des Linearmotors erreichbar ist, nämlich F = 0,7 × F max.The optimum length difference between radially and axially magnetized magnetic rings depends not only on the material characteristics of the selected geometric dimensions. According to 2 a comparison of the basic segment takes place 17 according to the in 1 illustrated embodiment with known basic segments of known permanent magnet arrangements. It is a basic segment 22 with two oppositely axially magnetized magnetic rings, around a basic segment 23 with a magnetic ring arrangement according to the exemplary embodiment in FIG 1 , but with the same length of magnet rings, and a basic segment 24 with two oppositely radially magnetized magnetic rings. For simplification, a specific magnet volume was specified in each case as an additional framework condition, as a result of which the core diameter dk is fixed and identical in all base segments to be compared. Since the total length of the base segments is predetermined by the pole pitch of the linear motor, the choice of the length rh of the radially magnetized magnet ring simultaneously determines the length of the axially magnetized magnet ring. If half the basic segment length is defined as the maximum length for a radially magnetized magnetic ring, then this results for the basic segment 22 rh = 0, for the basic segment 23 rh = 0.5 max, for the base segment 24 rh = max and for the basic segment 17 According to the embodiment of the invention, a length rh which is between half the maximum length and the full maximum length. In the diagram, lines of equal force F are drawn. It is easy to read from this diagram that when using the basic segment 17 According to the embodiment of the invention, the highest driving force of the linear motor is achievable, namely F = 0.7 × F max.

4 zeigt den Verlauf der magnetischen Flussdichte T im Luftspalt über einem Magnetpol der Länge L, die der halben Segmentlänge entspricht. Die vier Kurven zeigen den Verlauf für die vier in 2 beschriebenen Grundsegmentarten bei gleichen geometrischen Abmessungen und Materialkennwerten. Dabei ist die Kurve a dem Grundsegment 22, die Kurve b dem Grundsegment 24, die Kurve c dem Grundsegment 23 und die Kurve d dem Grundsegment 17 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zugeordnet. Das Längenverhältnis zwischen radial magnetisiertem Magnetring und axial magnetisiertem Magnetring beim Grundsegment 17 beträgt hier 1,6, was einer um 37,5 verringerten Länge des axial magnetisierten Magnetrings relativ zum radial magnetisierten Magnetring entspricht. Der Anteil des Magnetmaterials am Grundsegment-Gesamtvolumen war bei der Ermittlung dieser Verläufe 47 Auch hier ist deutlich erkennbar, dass der Verlauf d gemäß dem Grundsegment 17 den günstigsten Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt und damit auch die größte Motorkraft erzeugt. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass bei gleicher magnetischer Flussdichte und gleicher Motorkraft die erfindungsgemäßen Grundsegmente 17 kleiner gemacht werden können, was insgesamt zu einem geringeren Gesamtvolumen und zu geringeren Gesamtkosten führt, da die verwendeten Magnetmaterialien, zum Beispiel NeFeB, sehr teuer sind. 4 shows the course of the magnetic flux density T in the air gap over a magnetic pole of length L, which corresponds to half the segment length. The four curves show the course for the four in 2 described basic segment types with the same geometric dimensions and material characteristics. The curve a is the Grundseg ment 22 , the curve b the basic segment 24 , the curve c the basic segment 23 and the curve d the basic segment 17 assigned according to the embodiment of the invention. The aspect ratio between radially magnetized magnet ring and axially magnetized magnet ring in the base segment 17 here is 1.6, which corresponds to a reduced by 37.5 length of the axially magnetized magnet ring relative to the radially magnetized magnetic ring. The proportion of magnetic material in the base segment total volume was in determining these courses 47 Again, it can be clearly seen that the course d according to the basic segment 17 generates the most favorable course of the magnetic flux density in the air gap and thus also the largest engine power. This means, conversely, that at the same magnetic flux density and the same engine power basic segments of the invention 17 can be made smaller, resulting in an overall lower total volume and lower overall costs, since the magnetic materials used, for example NeFeB, are very expensive.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann in an sich bekannter Weise auch die Spulenanordnung des Linearmotors innen angeordnet sein und wird von der rohrförmigen Permanentmagnetanordnung konzentrisch umgriffen. Obwohl in beiden Fällen üblicherweise die Permanentmagnetanordnung den Läufer und die Spulenanordnung den Stator bildet, kann dies prinzipiell auch umgekehrt sein.The Invention is not on the illustrated and described embodiment limited. So can in a conventional manner, the coil assembly of the linear motor be disposed inside and is of the tubular permanent magnet assembly concentrically embraced. Although in both cases usually the permanent magnet arrangement the runner and the coil assembly forms the stator, this can in principle also be the other way around.

Claims

Electrodynamic linear motor having a stator and a linearly movable rotor, which are formed rotationally symmetrical and concentric with each other, wherein one of the existing by one of a plurality of series-arranged excitation coil coil assembly and the other by one of a plurality of magnetic rings arranged in series Permanent magnet arrangement is formed, wherein the magnet rings have alternately different magnetization directions, characterized in that the permanent magnet arrangement ( 16 ) of a plurality of basic segments arranged in series ( 17 ), each having four magnetic rings ( 18 - 21 ), which are magnetized alternately radially, axially, oppositely radially and oppositely axially, wherein the length of the two axially magnetized magnetic rings ( 19 . 21 ) 10% to 90% less than the length of the two radially magnetized magnetic rings ( 18 . 20 ).

Linear motor according to claim 1, characterized in that the length of the two axially magnetized magnetic rings ( 19 . 21 ) of a basic segment 30% to 70% less than the length of the two radially magnetized magnetic rings ( 18 . 20 ).

Linear motor according to claim 1 or 2, characterized in that the permanent magnet arrangement ( 16 ) inside the coil assembly ( 12 ) is linearly displaceable.

Linear motor according to claim 3, characterized in that the magnetic rings ( 18 - 21 ) a soft magnetic, round rod-shaped core ( 15 ) embrace.

Linear motor according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnet arrangement ( 16 ) forms the runner.

Linear motor according to one of the preceding claims, characterized in that the radially magnetized magnetic rings ( 18 . 20 ) each of ring segments ( 18a . 20a ) consist.

Linear motor according to one of the preceding claims, characterized characterized in that end-side basic segments no outer end-side Magnetic ring with axial magnetization have.