DE102006005046A1

DE102006005046A1 - Elektrische Maschine mit ungleichmäßigen Polzähnen

Info

Publication number: DE102006005046A1
Application number: DE102006005046A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hoppe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-09
Also published as: WO2007090776A1; JP2009542167A; US8022587B2; US20100013327A1

Abstract

Elektrische Maschinen, die mit Permanentmagneten erregt werden, sollen in ihrem Gleichlauf und ihren Verlusteigenschaften verbessert werden. Dazu wird eine elektrische Maschine mit einem ersten Aktivteil (40), an dem mindestens ein Elektromagnet (41, 42) und mindestens ein Permanentmagnet (44) angebracht ist, und einem zweiten Aktivteil (43), der eine Vielzahl an Polzähnen (45, 46) aufweist und der mit dem ersten Aktivteil (40) magnetisch zusammenwirkt, vorgeschlagen. Die Polzähne (45, 46) entlang der Verfahrrichtung (3) der elektrischen Maschine sind zueinander ungleichmäßig beabstandet und/oder besitzen untereinander verschiedene mittlere Breite, wobei die jeweilige Breite eines Zahns in Verfahrrichtung (3) gemessen und in der Erstreckung des Zahns quer zur Verfahrrichtung gemittelt ist. Die Zahngeometrie führt zu einer gezielten Beeinflussung der Oberwellen des Magnetfelds. Das zweite Aktivteil lässt sich beispielsweise als einfaches Stanzblechteil kostengünstig realisieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem ersten Aktivteil, an dem mindestens ein Elektromagnet und mindestens ein Permanentmagnet angebracht ist, und einen zweiten Aktivteil, der eine Vielzahl an Polzähnen aufweist und der mit dem ersten Aktivteil magnetisch zusammenwirkt.
Linearmotoren besitzen typischerweise den Aufbau, wie er in 1 schematisch wiedergegeben ist. Ein Primärteil 1 ist über einem Sekundärteil 2 in Verfahrrichtung 3 bewegbar. Der Primärteil weist gleichmäßig breite und gleichmäßig beabstandete Zähne 4 auf. Um jeden dieser Zähne 4 ist eine Spule 5 gewickelt. Man spricht von konzentrierten Spulen im Primärteil 1. Ein derartiger Aufbau eines Linearmotors hat jedoch den Nachteil, dass konstruktionsbedingte Oberwellen des Magnetfelds den Gleichlauf des Motors beeinträchtigen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde ein Linearmotor entwickelt, bei dem der Primärteil unterschiedlich breite Zähne besitzt. Ein derartiger Linearmotor ist in 2 skizziert. Der dortige Primärteil 10 besitzt breite Zähne 11 und schmale Zähne 12. Um jeden breiten Zahn 11 ist eine Spule 13 gewickelt. Der Sekundärteil 14 weist Permanentmagnete 15 auf und ist somit baugleich mit dem Sekundärteil 2 des Linearmotors von 1. Ein Torquemotor dieser Bauart mit einem kleinen Zahn zwischen den Spulen ist unter anderem in den Druckschriften DE 101 24 415 A1 und DE 102 48 771 A1 beschrieben.

Ein Nachteil der Linearmotoren von 1 und 2 besteht darin, dass der Sekundärteil aufwändig zu fertigen ist und teure Permanentmagnete entlang der gesamten Verfahrstrecke notwendig sind. Aus diesem Grund wurde bekanntermaßen ein Linearmotor vorgestellt wie er in 3 skizziert ist. Der Aufbau des Motors ist unter dem Namen „Symplex-Technik" bekannt und beispielsweise in dem Dokument DE 10 2004 045 992.4 beschrieben. Dabei besitzt der Primärteil 20 im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie bei dem Linearmotor von 1. Um die Zähne 21 des Primärteils 20 sind Spulen 22 gewickelt. Die dem Sekundärteil 23 zugewandte Seite des Primärteils 20 ist jedoch zusätzlich mit Permanentmagneten 24 bestückt. Um eine Flussänderung entlang der Verfahrstrecke zu erreichen, ist der Sekundärteil profiliert und mit Polzähnen 25 versehen. Auf diese Weise lässt sich für sehr lange Verfahrstrecken ein kostengünstiger Sekundärteil 23 herstellen. Nachteil dieses Linearmotoraufbaus sind wiederum störende Oberwellen bzw. störende Kraftwelligkeiten entlang der Verfahrrichtung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine kostengünstig herzustellende elektrische Maschine vorzuschlagen, bei der eine verminderte Kraftwelligkeit bzw. eine Reduzierung der Oberwellen beim Betrieb gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem ersten Aktivteil, an dem mindestens ein Elektromagnet und mindestens ein Permanentmagnet angebracht ist, und einem zweiten Aktivteil, der eine Vielzahl an Polzähnen aufweist und der mit dem ersten Aktivteil magnetisch zusammenwirkt, wobei die Polzähne entlang der Verfahrrichtung der elektrischen Maschine zueinander ungleichmäßig beabstandet und/oder untereinander verschiedene mittlere Breite besitzen, wobei die jeweiligen Breite eines Zahns in Verfahrrichtung gemessen und in der Erstreckung des Zahns quer zur Verfahrrichtung gemittelt ist.

In vorteilhafter Weise lassen sich die Oberwellen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einfacher Weise durch den speziellen Blechschnitt des zweiten Aktivteils reduzieren. Auch stören dann keine kleinen Zähne beim Bewickeln größerer Zähne des Primärteils.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann als Elektromotor und insbesondere als Linearmotor ausgestaltet sein. Dabei entspricht der erste Aktivteil dem Primärteil und der zweite Aktivteil dem Sekundärteil des Linearmotors. In diesem Fall tritt dann wieder der besondere Vorteil zutage, dass der Sekundärteil für lange Verfahrstrecken sehr kostengünstig hergestellt werden kann, wobei gleichzeitig eine geringe Kraftwelligkeit durch die ungleichmäßigen Polzähne des Sekundärteils gegeben ist.

Auch ein Torque-Motor kann von der erfindungsgemäßen Technik profitieren. Dann entspricht der erste Aktivteil dem Stator und der zweite Aktivteil dem Rotor, oder umgekehrt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen Maschine besteht darin, dass die Polzähne in einem ersten Abschnitt des zweiten Aktivteils entlang der Verfahrrichtung gleichmäßig und in einem zweiten Abschnitt ungleichmäßig beabstandet sind. Analog hierzu können die Polzähne auch in einem ersten Abschnitt des zweiten Aktivteils entlang der Verfahrrichtung gleiche mittlere Breite und in einem zweiten Abschnitt ungleiche mittlere Breite besitzen. Damit kann beispielsweise bei einem Linearmotor erreicht werden, dass eine mit dem Linearmotor betriebene Werkzeugmaschine in einem Verfahrbereich für die Bearbeitung andere Oberwellen eliminiert hat als in einem Verfahrbereich für den Werkzeugwechsel.

Unter Umständen ist es auch günstig, die Breite eines Polzahns quer zur Verfahrrichtung ungleichmäßig zu gestalten. Auch hierdurch lässt sich die Kraftwelligkeit und die Oberwellen reduzieren, ohne dass die Kosten für den zweiten Aktivteil stark ansteigen.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen üblichen Linearmotor gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Längsschnitt durch einen Linearmotor mit unterschiedlich breiten Zähnen gemäß dem Stand der Technik;
3 einen Längsschnitt durch einen Linearmotor, bei dem die Permanentmagnete am Primärteil angeordnet sind, gemäß dem Stand der Technik;
4 einen Längsschnitt durch einen Linearmotor, dessen Primärteil unterschiedliche Zähne besitzt und die Permanentmagnete trägt;
5 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Linearmotor, dessen Sekundärteil verschieden geformte Zähne besitzt; und
6 eine Zahnverteilung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Zunächst sei jedoch anhand von 4 eine Vorstufe des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Linearmotors dargestellt. Der dort vorgestellte Aufbau des Linearmotors entspricht im Wesentlichen dem von 3. Ein Primärteil 30 ist mit Zähnen 31 ausgestattet, welche jeweils von einer Spule 32 umgeben sind. Zwischen den Spulen 32 befinden sich jedoch wie bei dem Linearmotor von 2 schmale Zähne 33. Sie dienen dazu, störende Oberwellen zu beseitigen. An der dem Sekundärteil 34 zugewandten Seite sind an dem Primärteil 30 Permanentmagnete 35 angeordnet. Der Sekundärteil 34 besitzt gleichmäßig beabstandete und gleichmäßig breite Zähne 36. Diese Ausgestaltung des Linearmotors führt zwar zu dem Vorteil, dass störende Oberwellen reduziert sind, aber die Bewicklung des Primärteils 30 aufgrund der schmalen Zähne 33 schwierig ist. Außerdem ist der Primärteil 30 länger gegenüber dem der 1 und 3, da zusätzlich die schmalen Zähne 33 vorhanden sind.
Ein erfindungsgemäßer Linearmotor ist in 5 im Längsschnitt wiedergegeben. Der Aufbau des Primärteils 40 entspricht dem des Primärteils 20 von 3. Um gleichmäßig beabstandete und geformte Zähne 41 sind Spulen 42 gewickelt. An der dem Sekundärteil 43 zugewandten Seite des Primärteils 40 befinden sich Permanentmagnete 44. Der Primärteil 40 ist somit kompakter gestaltet als der Primärteil 30 von 4, da keine Zähne zwischen den Spulen vorgesehen sind.
Der Sekundärteil 43 weist unterschiedliche Zähne 45 und 46 auf. Im vorliegenden Beispiel sind der Einfachheit halber nur Zähne mit zwei verschiedenen Breiten, die sich fortlaufend abwechseln, im Sekundärteil 43 vorgesehen. Die Zahnform und der Zahnabstand in Verfahrrichtung 3 kann jedoch prinzipiell für jeden Zahn beliebig gewählt werden, so dass die gewünschte Motorcharakteristik zustande kommt.
In 6 ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Zahnschema für den Sekundärteil 43 des Linearmotors wiedergegeben. In einem ersten Abschnitt 50 des Sekundärteils ist eine andere Polzahngestaltung gewählt als in einem zweiten Abschnitt 51 in Verfahrrichtung 3. In dem erstem Abschnitt 50 sind sämtliche Zähne in Verfahrrichtung 3 gleich breit und gleich beabstandet. Sie weisen jeweils die Breite b0 und zum nächsten Zahn den Abstand a0 auf.
In dem zweiten Abschnitt 51 des Sekundärteils sind benachbarte Zähne 53, 54 in ihrer Breite unterschiedlich. Hier besitzt der Zahn 53 die Breite b1 und der Zahn 54 die Breite b2. Zwei benachbarte Zähne können aber auch die gleiche Breite besitzen. Dies ist in 6 mit den Zähnen 54 und 55 angedeutet, die jeweils die Breite b2 besitzen. Auch die Abstände benachbarter Zähne können gleich oder unterschiedlich sein. Im vorliegenden Beispiel sind die Zähne 53 und 54 genauso beabstandet wie die Zähne 54 und 55 (Abstand a1). Demgegenüber sind die Zähne 55 und 56 mit einem kürzeren Abstand a2 und die Zähne 56 und 57 mit einem längeren Abstand a3 beabstandet. Mit anderen Worten, ein erster Zahn 54 hat von einem benachbarten zweiten Zahn 55 einen anderen Abstand a1 als der zweite Zahn 55 von seinem benachbarten Zahn 56 (Abstand a2). Sind darüber hinaus, wie in dem Beispiel von 6 angedeutet, auch die Zähne unterschiedlich breit, so lässt sich dies wie folgt formulieren: Ein erster Zahn 53 besitzt eine Breite b1, während sein benachbarter Zahn 54 eine andere Breite b2 aufweist.
Die im Zusammenhang mit 6 wiedergegebenen Breiten und Abstandsangaben betreffen Erstreckungen in Verfahrrichtung 3. Sind die Zähne allerdings quer zur Verfahrrichtung 3 ungleichmäßig breit, so kann eine mittlere Breite des Zahns in Verfahrrichtung, gemittelt über die Einzelbreiten quer zur Verfahrrichtung, ermittelt werden. Für diese gemittelten Breiten lassen sich dann wieder die oben genannten Vorschriften anwenden.
In vorteilhafter Weise lassen sich die so gestalteten Sekundärteile sehr kostengünstig beispielsweise aus gestanzten Blechen oder Massivteilen herstellen. Die Zahngeometrie im Sekundärteil beeinflusst dann nicht die Fertigung des Primärteils, und insbesondere nicht das Bewickeln der Zähne.
Durch die abschnittsweise unterschiedliche Gestaltung des Sekundärteils lassen sich störende Effekte positionsabhängig eliminieren. So können beispielsweise bei einer Werkzeugmaschine die Oberwellen in einem Bearbeitungsbereich anders beeinflusst werden als in einem Bereich, in dem Werkzeugwechsel stattfinden.
Durch eine geeignete Zahngeometrie können die Oberwellen derart beeinflusst werden, dass beispielsweise eine geringere Kraftwelligkeit oder eine geringere Neigung des Primärteils erreicht werden kann. Damit lässt sich vielfach der Gleichlauf verbessern und die Verluste können gesenkt werden.

Claims

Elektrische Maschine mit – einem ersten Aktivteil (40), an dem mindestens ein Elektromagnet (41, 42) und mindestens ein Permanentmagnet (44) angebracht ist, und – einem zweiten Aktivteil (43), der eine Vielzahl an Polzähnen (45, 46) aufweist und der mit dem ersten Aktivteil magnetisch zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet , dass – die Polzähne (45, 46) entlang der Verfahrrichtung (3) der elektrischen Maschine zueinander ungleichmäßig beabstandet und/oder untereinander verschiedene mittlere Breite besitzen, wobei die jeweiligen Breite eines Zahns in Verfahrrichtung gemessen und in der Erstreckung des Zahns quer zur Verfahrrichtung gemittelt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, die als Elektromotor ausgestaltet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, die als Linearmotor ausgestaltet ist, wobei der erste Aktivteil (40) der Primärteil und der zweite Aktivteil (40) der Sekundärteil des Linearmotors ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, die als Torque-Motor ausgestaltet ist, wobei der erste Aktivteil der Stator und der zweite Aktivteil der Rotor des Torque-Motors ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polzähne (52) in einem ersten Abschnitt (50) des zweiten Aktivteils entlang der Verfahrrichtung (3) gleichmäßig und in einem zweiten Abschnitt (51) ungleichmäßig beabstandet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Polzähne (52) in einem ersten Abschnitt (50) des zweiten Aktivteils entlang der Verfahrrichtung (3) gleiche mittlere Breite und in einem zweiten Abschnitt (51) ungleiche mittlere Breite besitzen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite eines Polzahns quer zur Verfahrrichtung ungleichmäßig ist.