DE102006032989A1 - Elektrischer Linearantrieb - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Linearantrieb mit einem Ständer (1) und einem Läufer (2), wobei zumindest der Ständer (1) Zähne (6, 16) mit je einem Zahnkopf aufweist, wobei zumindest jeder zweite Zahn (16) von einer Zahnspule (3) umgeben ist und wobei der Läufer (2) Permanentmagnete aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektrischen Linearantrieb mit einem Ständer und einem Läufer, wobei zumindest der Ständer Zähne mit je einem Zahnkopf aufweist, wobei zumindest jeder zweite Zahn von einer Zahnspule umgeben ist und wobei der Läufer Permanentmagnete aufweist.
- Linearmotoren sind üblicherweise aus Aktivteilen und Inaktivteile aufgebaut, wobei sich sowohl das aktive Teil als auch das inaktive Teil bei den unterschiedlichsten Motorentypen, wie z.B. Synchronlinearmotor, Asynchronlinearmotor bewegt. Neben den konventionellen Wicklungssystemen, die bei diesen Linearmotoren eingesetzt werden, werden zunehmend auch Zahnspulen eingesetzt.
- Problematisch bei den Linearmotoren ist insbesondere, dass bei typischen Anwendungen der Linearmotoren die Geber genau so lange ausgeführt sein müssen wie sich der Arbeitsbereich des Linearmotors erstreckt. Dies stellt bei elektrischen Linearantrieben mit genauen Lineargebern einen überproportionalen Kostenfaktor dar.
- Ebenso nachteilig ist, dass bei Anordnung dieser Geber, diese dem Staub und dem Schmutz der jeweiligen Einsatzumgebung ausgesetzt sind. Dies erfordert aufwändige Maßnahmen, z.B. Kapselungsmaßnahmen um den Geber funktionsfähig zu gestalten und zu erhalten.
- Prinzipiell einsetzbar bei elektrischen Linearantrieben sind dabei optische Geber (Glasmaßstäbe) oder magnetische Geber, wie z.B. Zahngeber oder Geber, die mittels eines magnetisierten Bandes die Position bestimmen. Beide Arten von Gebern sind prinzipiell gegenüber Verschmutzung und mechanischen äußeren Einwirkungen lediglich ungenügend geschützt. Außerdem verursachen derartige Geber erhebliche Kosten bei den vorgegebenen Applikationen dieser Linearmotoren.
- Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die Position eines Linearmotors in einfacher Art und Weise zu bestimmen.
- Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen elektrischen Linearantrieb mit einem Ständer und einem Läufer, wobei zumindest der Ständer Zähne mit je einem Zahnkopf aufweist, wobei zumindest jeder zweite Zahn von einer Zahnspule umgeben ist, wobei der Läufer Permanentmagnete aufweist, wobei in Bewegungsrichtung des Linearantriebs je eine Pollücke zwischen zwei magnetischen Polen vorgesehen ist, wobei die Differenz der Längenausdehnung von bewickeltem Zahn und Polteilungsbreite größer oder gleich 15% ist.
- Entscheidend dabei ist, dass sich die Zahnbreite BZ des Ständers und die Polteilung τp des Läufers um mindestens 15% unterscheiden, um eine geberlose Regelbarkeit des Linearantriebs zu gewährleisten.
- Dabei ist die Längenausdehnung des Ständerzahns am Luftspalt ausschlaggebend, d.h. falls die Ständerzähne Zahnköpfe ausweisen, die breiter als der Schaft des Ständerzahnes sind, ist diese Breite für die Auslegung zu berücksichtigen.
- Des Weiteren sind von dieser Auslegung nur die mit Zahnspulen versehenen Ständerzähne betroffen.
- Jeder magnetische Pol kann dabei aus einem oder mehreren Permanentmagneten gebildet sein. Von Pol zu Pol wechselt dabei die Magnetisierungsrichtung.
- Vorteilhaft ist außerdem, wenn die Pollücken des Läufers, die etwa 20% einer Polteilung ausmachen sollten, mit magnetisch leitfähigen Material geschlossen sind. Damit ergeben sich die relevanten Unterschiede der Induktivitäten in d- und q-Rich tung von dem Verhältnis Zahn zu Polbreite. Aufgrund dieser Unterschiede der Induktivitäten in d- und q-Richtung kann eine geberlose Regelbarkeit des Linearantriebs gewährleistet werden. Aufgrund dieser geberlosen Regelbarkeit bei Linearantrieb kann auf die teueren linearen Geber verzichtet werden ebenso wie auf die Montage und Justage dieser Geber auf die jeweiligen Anwendungen.
- Dem Linearmotor, der vorteilhafterweise als Synchronlinearmotor ausgeführt ist, ist ein Stromrichter zugeordnet, der den Linearmotor mit Strom versorgt. Dem Linearmotor ist darüber hinaus eine Regelungseinrichtung zugeordnet, die die gemessene Induktivität auswertet und den Stromrichter ansteuert.
- Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß der Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 Teilausschnitt eines Linearantriebs mit parallelflankigen Zähnen, -
2 Teilausschnitt eines Linearantriebs, -
3 Teilausschnitt eines Linearantriebs mit verschieden ausgeführten Pollücken, -
4 Teilausschnitt eines Linearantriebs mit prinzipieller Darstellung einer Regelungseinrichtung und eines Stromrichters. -
1 zeigt einen Teilausschnitt eines Linearantriebs10 , der einen Aktivteil, der als Ständer1 ausgebildet ist, aufweist. Dieser Ständer1 ist geblecht aufgebaut und weist an jedem zweiten Zahn16 eine Zahnspule3 auf, so dass pro Nut7 jeweils eine Spulenseite der Zahnspule3 vorhanden ist. Der Ständer1 weist somit abwechselnd unbewickelte Zähne6 und bewickelte Zähne16 auf. Dem Ständer1 gegenüber durch einen Luftspalt beabstandet befindet sich der Läufer2 , an dessen Oberfläche dem Luftspalt des Linearantriebs10 zugewandt sich senkrecht zum Luftspalt magnetisierte Pole4 befinden, die durch Einzelmagnete oder auch aus mehreren einzelnen Permanentmagneten41 ,42 zusammensetzt einen Pol4 ergeben. Entscheidend ist, dass es die senkrechte Magnetisierungsrichtung nach jeder Pollücke wechselt. - Um nunmehr einen geberlosen Betrieb des Linearmotors realisieren zu können, ist es erforderlich, dass die Differenz der Längenausdehnung von bewickeltem Zahn
16 und Polteilungsbreite τp größer oder gleich 15% ist. Damit wird vorteilhafterweise erreicht, dass ein variierender Induktivitätsverlauf im Linearantrieb10 erzeugt wird, wenn sich der Läufer2 bezüglich seines Ständers1 bewegt. Weiterhin wird aber gerade durch die Wahl des beschriebenen Verhältnisses von Position des Zahnes16 des Ständers1 zur Polteilung τp des Läufers2 der Unterschied zwischen der maximalen Induktivität und der minimalen Induktivität maximiert bzw. erhöht, so dass die Lage des Linearantriebs10 sehr genau bestimmt werden kann. - Die Breite des unbewickelten Zahns
6 ist dabei auch ungleich der breite des bewickelten Zahns16 wählbar. D.h. bei gleich oder ungleich BZ. - Wegen auftretender Messungenauigkeiten und Störungen wird dadurch die Messbarkeit des Induktivitätsunterschieds erheblich erleichtert. Jeder magnetische Pol
4 kann aus einem Permanentmagneten oder aus mehreren Permanentmagneten41 ,42 gebildet sein. Durch das magnetisch leitfähige Material5 in den Pollücken werden die Übergangsstellen zwischen den magnetischen Polen4 stufenlos ausgebildet. Damit wird unter anderem gewährleistet, dass die magnetischen Pole4 und damit die Permanentmagnete optimal am Läufer2 fixiert sind. - Des Weiteren sind dadurch die Permanentmagnete vergleichsweise gut vor mechanischen Einflüssen vor dem Einbau des Läufers in den Linearantrieb geschützt. Alternativ dazu oder auch zusätzlich dazu können die Permanentmagnete
4 durch mit dem Läufer2 verbundenen mechanischen Elementen am Läufer2 fixiert werden. Diese mechanischen nicht näher dargestellten Elemente können dabei einzelne Stege, Nasen oder auch eine komplette Abdeckung der Permanentmagnete beinhalten. So dass sich die Permanentmagnete in Hohlräumen und bzw. Taschen des Läufers2 befinden. - In einer weiteren Ausführungsform sind zumindest die bewickelten Zähne
16 des Ständers1 mit einem Zahnkopf12 versehen. Damit ist die entscheidende Längenausdehnung nicht mehr die Breite des Zahnes sondern die dem Luftspalt zugewandte Breite des Zahnkopfes12 . Um aber damit auch die vorab gefertigten Zahnspulen3 auf die Zähne16 positionieren zu können, ist es erforderlich den Ständer1 mehrteilig aufzubauen. D.h. zumindest die bewickelten Zähne sind durch geeignete Vorrichtungen11 am Blechpaket des Ständers1 zu fixieren. Die unbewickelten Zähne6 können weiterhin mit dem Ständer1 einteilig ausgebildet sein. - In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Läufers
2 nach3 sind die Pollücken bereits durch die Bildung der Bleche des Läufers2 gebildet, so dass die magnetischen Pole4 und damit ihre Permanentmagnete lediglich nunmehr in die verbleibenden Lücken eingesetzt und gegebenenfalls vergossen werden müssen. Die Ausgestaltung der Pollücken durch die Bleche kann dabei wie prinzipiell dargestellt durch reduzierte Stege51 und/oder volle Stege52 und/oder rampenförmig ausgeführte Stege53 ,54 gebildet sein. Ebenso sind andere Formen der Stege, wie z.B. stufenförmig oder rundlich denkbar. - Dem Linearantrieb
10 ist nach4 eine Messeinrichtung30 zur Messung der lageabhängigen Induktivität zugeordnet. Damit wird vorteilhafterweise ein der Lage äquivalentes Signal erzeugt. Alternativ dazu kann die Messeinrichtung auch die Lage aus der Induktivität bestimmen. Dem Linearantrieb10 ist zumindest ein Stromrichter32 zugeordnet, der den Linearantrieb10 mit Strom versorgt. Dem Linearantrieb10 ist darüber hinaus eine Regelungseinrichtung31 zugeordnet, welche die ge messene Induktivität und/oder Lage auswertet und den Stromrichter darüber ansteuert. - Die Breite BZ des bewickelten Zahnes
16 des Ständers1 soll in der Breite mindestens um 15% vom Polteilungswinkel τp abweichen um eine präzise Messung der Lage zu gewährleisten. - Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Linearantriebs
10 kann nunmehr der Lagegeber eingespart werden, da die aktuelle Lage aus der lageabhängigen Induktivität des Linearantriebs10 bestimmt werden kann. Mit Hilfe des Lagesignals kann nun ein Stromrichter32 mittels einer Regelungseinrichtung31 angesteuert werden, um den Linearantrieb10 optimal mit Strom zu versorgen. Die lageabhängige Induktivität des Linearantriebs wird dabei durch eine geeignete Messrichtung30 gemessen und von der Regelungseinrichtung31 zur Ansteuerung des Stromrichters32 verwendet. - Derartige Linearantriebe werden u.a. bei allen Arten von Produktionsmaschinen, wie z.B. Werkzeugmaschinen und Antriebe in der Logistik eingesetzt.
Claims (10)
- Elektrischer Linearantrieb (
10 ) mit einem Ständer (1 ) und einem Läufer (2 ), wobei zumindest der Ständer (1 ) Zähne (6 ,16 ) mit je einem Zahnkopf (12 ) aufweist, wobei zumindest jeder zweite Zahn (16 ) von einer Zahnspule (3 ) umgeben ist, wobei der Läufer (2 ) Permanentmagnete aufweist, wobei in Bewegungsrichtung des Linearantriebs (10 ) je eine Pollücke zwischen zwei magnetischen Polen (4 ) vorgesehen ist, wobei die Differenz der Längenausdehnung von bewickeltem Zahn (16 ) und Polteilungsbreite größer oder gleich 15% ist. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pollücke mit magnetisch leitfähigen Material (5 ) ausgefüllt ist. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pollücken zumindest teilweise durch Stege (51 ,52 ,53 ,54 ) der Bleche des Läufers (2 ) gebildet werden. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsstellen zwischen den magnetischen Polen (4 ) und der Pollücke stetig verläuft. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Pole (4 ) aus zumindest einem Permanentmagneten aufgebaut sind. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Läufer (2 ) positionierten Permanentmagnete, senkrecht zum Luftspalt magnetisiert sind. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass benachbarte magnetische Pole unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (10 ) eine Messeinrichtung (30 ) zur Messung der lageabhängigen Induktivität des Läufers (2 ) zugeordnet ist. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (10 ) durch zumindest einen Stromrichter (32 ) speisbar ist. - Elektrischer Linearantrieb (
10 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (10 ) eine Regelungseinrichtung (31 ) zugeordnet ist, welche die gemessene Induktivität erfasst und den Stromrichter (32 ) dementsprechend ansteuert.
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