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Die
Erfindung betrifft ein Primärteil
für eine elektrische
Maschine, insbesondere einen Linearmotor, wobei das Primärteil zur
Anordnung mit einem Sekundärteil
vorgesehen ist und Primärteil
und Sekundärteil
durch einen ersten Luftspalt voneinander beabstandet sind, das Primärteil zumindest
aus einem Blechpaket gebildet ist, wobei das Blechpaket eine Vielzahl
von geschichteten Einzelblechen aufweist, das Primärteil eine
erste Breite aufweist, die sich quer zur Bewegungsrichtung des Primärteils erstreckt,
und an einer oder beiden Stirnseiten zumindest ein flussführendes
Element zur Reduktion der Kraftwelligkeit aufweist. Ferner betrifft
die Erfindung einen Linearmotor mit einem derartigen Primärteil.
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Linearmotoren
weisen ein Primärteil
und ein Sekundärteil
auf. Dem Primärteil
steht insbesondere das Sekundärteil
gegenüber.
Das Primärteil
ist zur Bestromung mit elektrischem Strom vorgesehen. Das Sekundärteil weist
beispielsweise Permanentmagnete oder bestrombare Wicklungen auf.
Sowohl das Primärteil
als auch das Sekundärteil
weisen aktive magnetische Mittel zur Generierung magnetischer Felder
auf.
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Permanenterregte
Linearmotoren weisen konstruktionsbedingt Kraftschwankungen auf,
welche sich nachteilig auf Gleichlauf und Dynamik auswirken. Die
Kraftschwankungen lassen sich zum Teil auf eine kleinere induzierte
Spannungen in den Randspulen zurückführen.
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Um
den magnetischen Fluss von Erregerfeld des Sekundärteils und
Hauptfeld des Primärteils
zu führen,
werden beim aktiven Teil, d.h. beim wicklungstragenden Teil, des
Motors üblicherweise
gezahnte Bleche verwendet. Zwischen den Erregerpolen und der gezahnten
Struktur des Hauptfeldes findet eine magnetische Wechselwirkung
statt, die zu parasitären
Rastkräften,
auch passive Kraftwelligkeit genannt, führt. Die Folge sind Vibrationen,
unruhiger Lauf sowie Schleppfehler bei Bearbeitungsprozessen. Des
Weiteren sind die induzierten Spannungen, d.h. die elektromotorischen
Kräfte
(EMK), in der Anfangs- und Endspule an den Stirnseiten des Primärteils aufgrund
eines fehlenden magnetischen Rückschlusses
in der Regel geringer ausgeprägt
als in den mittleren Spulen. Dies hat zur Folge, dass der Motor
keine symmetrisch induzierte Spannung besitzt und sich neben Krafteinbußen eine
zusätzliche stromabhängige Kraftwelligkeit,
auch aktive Kraftwelligkeit genannt, ergibt.
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Aus
der
US 6 831 379 B2 ist
ein Linearmotor bekannt, dessen Primärteil an den Stirnseiten des Blechpakets
zu den Hauptzähnen
zusätzliche
Hilfszähne
aufweist, wobei die Hilfszähne
von dem Luftspalt zwischen Primär-
und Sekundärteil
durch einen zusätzlichen
Luftspalt beabstandet sind. Dadurch wird die passive Kraftwelligkeit
des Linearmotors, d.h. die Rastkraft, reduziert.
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Nachteilig
dabei ist, dass zwar die Rastkraft des Linearmotors reduziert ist,
das Primärteil
jedoch keine symmetrisch induzierten Spannungen in den einzelnen
Wicklungen bzw. Spulen aufweist, d.h. es findet keine Reduzierung
der aktiven Kraftwelligkeit statt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen gattungsgemäßen Linearmotor
derart weiterzubilden, dass neben der Reduzierung der Rastkräfte auch
eine Symmetrierung der elektromotorischen Kräfte stattfindet.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Im
Unterschied zu rotierenden Maschinen besitzen Linearmotoren naturgemäß Endbereiche,
in welchem der elektromagnetische Teil des Motors endet. Wird ein
Linearmotor beispielsweise in Kurzstatorbauweise ausgeführt, ergeben
sich für
das Primärteil
zwei Endbereiche, die im Einflussbereich des Sekundär teils liegen.
Die Enden des Primärteils
Wechselwirken mit dem Sekundärteil
derart, dass dies einen maßgeblichen
Einfluss auf die aktive Kraftwelligkeit und die passive Rastkraft
hat.
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Das
erfindungsgemäße elektrische
Maschine, die insbesondere als Linearmotor ausgebildet ist, weist
ein Primärteil
auf, das zur Anordnung mit einem Sekundärteil vorgesehen ist, wobei
Primärteil
und Sekundärteil
durch einen ersten Luftspalt voneinander beabstandet sind. Das Sekundärteil weist
eine Folge von durch Permanentmagneten gebildeten Polen auf. Das
Primärteil
ist aus einem oder mehreren Blechpaketen gebildet, wobei das Blechpaket
aus einer Vielzahl von Blechen aufgebaut ist. Das Primärteil weist
eine Vielzahl von Nuten und Zähnen
auf, wobei die Nuten zur Aufnahme der Primärteil-Wicklungen oder Spulen
dienen. Die Wicklungen sind beispielsweise als eine Drei-Phasen-Wicklung
eines Drehstromnetzes bzw. eines dreiphasigen Wechselstromes ausgebildet.
Weiterhin weist das Primärteil eine
Breite auf, auch Gesamtbreite genannt, welche sich quer zur Bewegungsrichtung
des Primärteils
erstreckt. Daneben weist das Primärteil noch eine axiale Länge auf,
die sich in Bewegungsrichtung des Primärteils erstreckt.
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Die
Linearmotoren sind insbesondere mit Bruchlochwicklungen und Zahnspulen
im Primärteil ausgebildet,
wobei die Nutteilung des Primärteils
ungleich der Polteilung des Sekundärteils ist. Beispielsweise
beträgt
das Verhältnis
von Nutteilung zu Polteilung (Nutteilung/Polteilung) = 8/12, 10/12,
11/12, 13/12, 14/12, 16/12.
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An
einer oder beiden Stirnseiten der Bleche bzw. des Blechpakets ist
jeweils zumindest ein flussführendes
Element zur Reduktion der Kraftwelligkeit angeordnet. Das flussführende Element
selbst weist ebenso eine Breite auf, auch zweite Breite genannt, die
sich ebenso wie die Gesamtbreite des Primärteils quer zur Bewegungsrichtung
des Primärteils
erstreckt. Erfindungsgemäß ist die
zweite Breite zumindest eines flussführenden Elements kleiner als
die Gesamtbreite des Primär teils
ausgebildet, so dass die Breite an einer oder beiden Stirnseiten
des Primarteils reduziert ist.
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Das
flussführende
Element oder die flussführenden
Elemente erstrecken sich somit an einer oder beiden Stirnseiten
nicht über
die gesamte Breite des Primärteils,
sondern nur über
Teilbereiche. Über
die Gesamtbreite betrachtet, weist das flussführende Element demnach Lücken auf.
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Die
Struktur des flussführenden
Elements kann durch unterschiedliche Einzelbleche, die abwechselnd
oder in Gruppen paketiert sind, realisiert werden. So weisen beispielsweise
die mittleren Bleche einzelne flussführende Elemente auf, wodurch sich
ein mittig angeordnetes gesamtes flussführendes Element ergibt.
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Durch
die Ausbildung von nur teilweisen flussführenden Elementen kann die
Anpassung zwischen passiver und aktiver Kraftwelligkeit gemäß den entsprechenden
Anforderungen an den Linearmotor vorgenommen werden.
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Die
reduzierte zweite Breite des flussführenden Elements kann beispielsweise
dadurch realisiert werden, dass das Blechpaket unterschiedliche
Bleche aufweist. Es besteht die Möglichkeit, nicht jedes Blech
mit einem flussführenden
Element zu versehen. Beispielsweise weist nur jedes zweite Blech
ein flussführendes
Element auf. Bei einteiligen Primärteilen, d.h. Primärteilen
mit nur einem Blechpaket, ist es möglich, dass jedes Blech nur
ein flussführendes
Element an einem Endbereich des Bleches aufweist. Die einzelnen
Bleche können
dann beispielsweise so zum Blechpaket zusammengefügt werden,
dass durch Drehen der einzelnen Bleche das flussführende Element
einmal nach links oder nach rechts ausgerichtet ist. Die Kraftwelligkeit
ist damit gegenüber den
bisher bekannten Möglichkeiten
ausreichend reduziert.
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Das
flussführende
Element ist an den Stirnseiten der einzelnen Bleche bzw. des gesamten Blechpakets
angebracht und be findet sich an bzw. neben der jeweils letzten Nut
bzw. des letzten bewickelten Zahns des Primärteils. Das flussführende Element
selbst trägt
keine Wicklung oder Spule.
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Durch
die Anbringung eines solchen flussführenden Elements ist, neben
der Reduktion der passiven Kraftwelligkeit, auch eine Reduktion
der aktiven Kraftwelligkeit möglich.
Die induzierten Spannungen in den wicklungstragenden Endzähnen des Primärteils werden
angehoben, wobei hierbei Ziel eine möglichst gleichförmige EMK
in allen Spulen des Primärteils
ist.
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Das
Primärteil
weist mehrere Zähne
mit einer Zahnlänge
auf. Das flussführende
Element kann entsprechend seiner Breite unterschiedliche Längen aufweisen.
Die Länge
des flussführenden
Elements kann einerseits der Zahnlänge entsprechen, d. h. Zähne und
flussführendes
Element weisen die gleiche Länge
auf. Andererseits kann die Länge
des flussführenden
Elements kleiner als die Zahnlänge ausgebildet
sein. In diesem Fall ist das flussführende Element durch einen
zusätzlichen
Luftspalt zum normalen Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil beabstandet.
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Die
Wahl der Länge
des flussführenden
Elements ist abhängig
von der Breite des flussführenden Elements.
Je breiter das flussführende
Element über die
Gesamtbreite des Primärteils
ausgebildet ist, desto kürzer
kann es ausgebildet sein. Je schmäler das flussführende Element
ausgebildet ist, desto mehr sollte sich die Länge der Zahnlänge annähern. Anhand
dieser Parameter kann direkt auf die Kraftwelligkeit des Primärteils Einfluss
genommen werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das flussführende Element so ausgebildet,
dass es teilweise oder ganz an einer benachbarten Wicklung oder
Spule zum Wärmeaustausch
anliegt. Dadurch findet eine verbesserte Kühlung der Wicklung oder Spule
statt.
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Vorteilhafterweise
ist das Blechpaket zusammen mit dem flussführenden Element einteilig ausgebildet.
Das flussführende
Element wird bereits bei Anfertigung der Bleche ausgebildet, d.h.
es liegt ein einteiliger Blechschnitt vor, wodurch eine einfache und
kostengünstige
Herstellung der Einzelbleche mit flussführenden Elementen möglich ist.
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Blechpaket
mit flussführendem
Element können
auch zweiteilig ausgebildet sein, wobei das flussführende Element
kraft-, stoff- oder formschlüssig
am Blechpaket anbringbar ist. Das flussführende Element ist durch geeignete
Verbindungen, wie beispielsweise durch Kleben, Schrauben, Einhaken oder
durch eine Schwalbenschwanzverbindung am Blechpaket angebracht.
Das flussführende
Element kann auch an das Blechpaket geklemmt oder geklipst sein.
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Weiterhin
weist das flussführende
Element zu dem bzw. den benachbarten bewickelten Zähnen des
Blechpakets einen Abstand auf. Vorteilhafterweise wird der Abstand
des flussführenden
Elements zum benachbarten bewickelten Zahn so gewählt, dass
dieser der Polteilung des Sekundärteils
entspricht, damit eine möglichst
hohe Flussverkettung mit der oder den letzten Spulen des Primärteils und somit
eine gewollte Anhebung der induzierten Spannung der letzten Spule
erfolgt.
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Für eine bauraumoptimierte
Ausführung
des Linearmotors werden eine minimale Breite des flussführenden
Elements selbst sowie ein möglichst
geringer Abstand des flussführenden
Elements von dem bzw. den benachbarten bewickelten Zähnen angestrebt.
Daraus resultiert, dass der optimale Abstand des flussführenden
Elements von dem bzw. den benachbarten Zähnen kleiner als die Polteilung
des Sekundärteils
ist.
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Wird
beispielsweise eine hohe Anziehungskraft zwischen Primär- und Sekundärteil angestrebt, beispielsweise
zwecks einer Vorspannkraft bei einer Luftlagerung, ist eine größere den
Magneten zugewandte Fläche
des flussführenden
Elements vorteilhaft. In diesem Fall wird die Ausdehnung des flussführen den
Elements in Bewegungsrichtung groß gewählt und der optimale Abstand
des flussführenden Elements
von dem bzw. den benachbarten Zähnen ist
größer als
die Polteilung des Sekundärteils.
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Vorzugsweise
ist die dem Luftspalt zugewandte Fläche des flussführenden
Elements gerundet. Das flussführende
Element weist beispielsweise mit einem vorgebbaren Radius abgerundete
Ecken auf. Diese Maßnahme
trägt zur
Reduktion der Rastkräfte
bei.
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Das
Primärteil
des Linearmotors kann aus mehreren in Bewegungsrichtung hintereinander
angeordneten Blechpaketen bestehen. Demnach weisen die mittig angeordneten
Blechpakete keine flussführenden
Elemente auf, sondern es sind erfindungsgemäß lediglich flussführende Elemente
an den jeweiligen Enden, also den Stirnseiten des Primärteils angeordnet.
Dabei wird beispielsweise durch Drehen eines Bleches mit rechtsseitigem
Element ein Blech mit linksseitigem Element, so dass an den Stirnseiten dieser
Primärteile
lückenlose
Elemente vorhanden sind. Bei Primärteilen mit nur einem Blechpaket,
also einteiligen Primärteilen,
können
an jeder Stirnseite des Blechpakets flussführende Elemente vorgesehen
sein.
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Das
flussführende
Element dient zur Reduktion der Rastkraft über die Länge des Primärteils und zur
Erhöhung
der Nutzkraft des Linearmotors. Weiterhin werden die Gleichlaufeigenschaften
des Motors deutlich verbessert.
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Das
erfindungsgemäße Primärteil ist
vorzugsweise für
einen Linearmotor vorgesehen. Das Primärteil kann aber auch in rotatorischen
Maschinen eingesetzt werden, wobei der Stator Endbereiche aufweist,
wie beispielsweise segmentierte roatorische Motoren.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläu tert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Linearmotors und eines Primärteils mit
einer ersten Ausgestaltung eines flussführenden Elementes;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Primärteils mit einer zweiten Ausgestaltung
des flussführenden
Elementes.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines prinzipiell dargestellten Synchronlinearmotors 1,
der ein oder mehrere Blechpakete 3 aufweist, deren jeweilige
Bleche parallel zur Zeichenebene geschichtet sind und die das Primärteil 2 bilden.
Die Bewegungsrichtung des Linearmotors 1 ist durch den
Pfeil R angegeben. Nicht gezeigte Wicklungen umschließen die
Zähne 5 des
Primärteils 2 derart,
dass sich in einer Nut 6 unterschiedliche Wicklungen befinden. Weiterhin
weist der Linearmotor 1 das Sekundärteil 7 mit den Permanentmagneten 8 auf.
Das Sekundärteil 7 ist
auf einem nicht näher
dargestellten Maschinenbett positioniert. Die Permanentmagnete 8 sind
mit der Polteilung τM angeordnet. Die Polteilung τM kann sich
aber auch durch elektrische Erregung einer im Sekundärteil 7 angeordneten
Erregerwicklung ausbilden. Primärteil 2 und
Sekundärteil 7 sind
durch den Luftspalt 6 voneinander beabstandet. An den Stirnseiten
S1 und S2 des Blechpakets 3 sind
jeweils flussführende
Elemente 10 zur Reduktion der Kraftwelligkeit angeordnet.
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Weiterhin
weist das Primärteil 2 eine
Breite bges auf, auch Gesamtbreite genannt,
welche sich quer zur Bewegungsrichtung R des Primärteils 2 erstreckt.
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Die
flussführenden
Elemente 10 selbst weisen ebenso eine Breite b10 auf,
auch zweite Breite genannt, die sich ebenso wie die Gesamtbreite
bges des Primärteils 2 quer zur
Bewegungsrichtung R des Primärteils 2 erstreckt.
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Erfindungsgemäß ist die
zweite Breite b10 des oder der flussführenden
Elemente 10 kleiner als die Gesamtbreite bges des Primärteils 2 ausgebildet, so
dass die Breite bges an den beiden Stirnseiten s1, s2 des Primärteils 2 jeweils reduziert
ist.
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Die
flussführenden
Elemente 10 erstrecken sich somit an den beiden Stirnseiten
S1, S2 nicht über die
gesamte Breite bges des Primärteils 2,
sondern nur über
Teilbereiche. Über
die Gesamtbreite bges betrachtet, weist das flussführende Element 10 demnach
Lücken
auf.
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Die
Länge l10 der flussführenden Elemente 10 entsprechen
der Zahnlänge
l5 der übrigen
Zähne 5.
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Weiterhin
weist das flussführende
Element 10 zu dem benachbarten bewickelten Zahn 5 des Blechpakets 3 einen
Abstand τF auf, der kleiner als die Polteilung τM des Primärteils ist.
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2 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des flussführenden Elements. Die Länge l10 des flussführenden Elements 10 ist
kleiner als die Zahnlänge
l5 ausgebildet. Gut zu erkennen ist, dass
die Breite b10 größer als in 1 ausgebildet
ist, so dass eine kürzere
Ausbildung des flussführenden
Elements 10 sinnvoll ist. Dadurch wird trotz der kürzeren Länge l10 der flussführenden Elemente 10 ein
ausreichender magnetischer Fluss erreicht. In diesem Fall ist das flussführende Element 10 durch
einen zusätzlichen Luftspalt δ2 zum
normalen Luftspalt δ1 zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7 beabstandet.