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Die
Erfindung betrifft ein Primärteil
für eine elektrische
Maschine, wobei das Primärteil
zumindest aus einem Blechpaket gebildet ist und das Blechpaket mehrere
inneren und zumindest zwei äußere Zähne mit
Zahnlängen
aufweist, wobei die äußeren Zähne jeweils
an Stirnseiten des Primärteils angeordnet
sind. 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 durch Motorenden 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 wicklungstragenden Teil des Motors (Primärteil) 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 die induzierten Spannungen
des Motors kein symmetrisches System bilden 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 7 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 Sekundärteils 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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Erfindungsgemäß weist
der Linearmotor ein Primärteil
und ein Sekundärteil
auf, 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 Einzelblechen 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.
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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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Das
Blechpaket weist mehrere innere und äußere Zähne mit entsprechenden Zahnlängen auf, wobei
zumindest zwei Zähne
unterschiedliche Zahnlängen
aufweisen. Durch die Ausbildung verschiedener Zahnlängen ist,
neben der Reduktion der passiven Kraftwelligkeit, auch eine Reduktion
der aktiven Kraftwelligkeit möglich.
Durch Variation der Zahnlängen
kann auf die induzierten Spannungen in den einzelnen Spulen Einfluss
genommen werden. Je länger ein
Zahn ausgebildet ist, desto größer ist
die im Zahn bzw. in der den Zahn umgebenden Spule induzierte Spannung
und umgekehrt.
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Die
resultierende induzierte Spannung eines Motorstranges ergibt sich
als vektorielle Summe der induzierten Spannungen von einzelnen Spulen,
die zu einem Motorstrang in Reihe geschaltet sind. Damit kann mit
der induzierten Spannung der einzelnen Spulen auch die resultierende
induzierte Spannung und damit die aktive Kraftwelligkeit in vorteilhafter Weise
beeinflusst werden, wobei Ziel hierbei eine Symmetrierung der induzierten
Spannungen der beispielsweisen drei Motorstränge ist.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die inneren Zähne gegenüber den äußeren Zähnen kürzer ausgebildet,
wodurch sich auch verschiedene Luftspalte, oder auch ein stufenartig
verlaufender Luftspalt, zwischen Primärteil und Sekundärteil ausbilden.
Aufgrund der längeren
Außen-
bzw. Endzähne,
werden die induzierten Spannungen in den wicklungstragenden Endzähnen des
Primärteils
angehoben, wobei hier das Ziel eine möglichst gleichförmige EMK,
d.h. gleich große
induzierte Spannung, in allen Spulen oder zumindest in allen Motorsträngen, üblicherweise
drei Stränge
u, v, w, des Primärteils
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind die inneren Zähne so ausgebildet, dass sie
selbst untereinander unterschiedliche Längen aufweisen. Insbesondere
nimmt die Zahnlänge
von den äußeren Zähnen hin
zu den inneren Zähnen
ab, so dass die mittig angeordneten Zähne die kürzesten sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die inneren Zähne gegenüber den äußeren Zähnen länger ausgebildet,
wodurch sich auch verschiedene Luftspalte, oder auch ein stufenartig
verlaufender Luftspalt, zwischen Primärteil und Sekundärteil ausbilden.
Mit besonderem Vorteil sind zumindest zwei, in Bewegungsrichtung
des Primärteils
benachbarte, äußere Zähne an einer
Stirnseite des Primärteils
kürzer
als die inneren Zähne.
Bei dieser Ausführungsform
trägt der äußerste Zahn
keine Spule und befindet sich neben dem letzten spulentragenden
Zahn. Die inneren Zähne
weisen einen ersten Abstand zur Magnetoberfläche des Sekundärteils auf,
wobei der erste Abstand der reguläre Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil ist.
Der letzte spulentragende Zahn weist einen zweiten Abstand und der äußerste spulenlose
Zahn einen dritten Abstand zur Magnetoberfläche des Sekundärteils auf. Erster,
zweiter und dritter Abstand sind unterschiedlich groß ausgebildet,
wobei der erste Abstand kleiner als der zweite, und der zweite Abstand
kleiner als der dritte Abstand oder gleich dem dritten Abstand ausgebildet
ist. Dadurch erhält
der Motor einen Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil, der
an beiden Motorenden, d. h. Stirnseiten, im Wesentlichen kontinuierlich
größer wird
und dadurch einen „sanften" Übergang vom inneren Bereich
zu den Randbereichen des Primärteils
aufweist. Es kann eine optimale Symmetrierung der induzierten Spannungen
im Motor bzw. optimale Reduzierung der Kraftwelligkeit erreicht
werden.
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Durch
einen nicht konstanten Luftspalt unter einem einzelnen inneren oder äußeren Zahn
kann der Luftspaltverlauf zwischen Primär- und Sekundärteil noch
besser optimiert werden. Das kann mit einer schräg zum Luftspalt verlaufenden
Unterkante des Zahns erreicht werden.
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Das
Primärteil
des Linearmotors kann aus mehreren in Bewegungsrichtung hintereinander
angeordneten Blechpaketen bestehen. Demnach weisen die mittig bzw.
innen angeordneten Blechpakete nur Zähne mit gleicher Zahnlänge auf,
und lediglich die beiden äußeren Blechpakete
weisen Zähne
mit unterschiedlichen Zahnlängen
auf. Insbesondere weisen die Zähne
der inneren Blechpakete die gleiche Länge wie die äußeren Zähne der äußeren Blechpakete
auf. Da bei inneren Blechpaketen, auch Module bzw. Blechmodule genannt,
keine Endeffekte bzgl. Kraftwelligkeit auftreten, ist es ausreichend,
lediglich die Endmodule mit verschiedenen Zähnen auszubilden. Ferner werden
so unnötige
Kraftverluste in den inneren Modulen vermieden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird nicht nur auf die induzierte Spannung
in den Randspulen, sondern auf alle Spulen Einfluss genommen. Dies
wird durch unterschiedliche Zahnlängen der einzelnen Zähne erreicht.
Die Zähne
können
dabei in Gruppen oder einzeln, kürzer
oder länger
als die jeweils anderen Zähne
ausgebildet sein. Die optimale Kombination von kürzeren und längeren Zähnen ist
von der Verteilung der Zähne
bzw. Zahnspulen der Motorstränge
abhängig.
Weiterhin ist die Ausbildung von unterschiedlichen Zähnen von
dem Verhältnis
von Nutteilung zu Polteilung abhängig.
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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 rotatorische 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 erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Linearmotors;
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Linearmotors;
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3 ein
Primärteil
mit mehreren Blechpaketen;
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4 eine
dritte Ausführungsform
eines Linearmotors; und
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5 eine
vierte Ausführungsform
eines Linearmotors.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Linearmotors 1 mit
einer ersten Ausgestaltung verschiedener Zähne 10. 1 zeigt
eine Seitenansicht eines prinzipiell dargestellten Synchronlinearmotors 1,
der ein Blechpaket 3 aufweist, dessen jeweilige Bleche
parallel zur Zeichenebene geschichtet sind und die das Primärteil 2 bilden.
Die Bewegungsrichtung des Linearmotors 1 ist durch den
Pfeil R angegeben. Das Primärteil 2 weist
ferner die Spulen 4 auf. Die Spulen 4 umschließen die
Zähne 10 des
Primärteils 2 derart,
dass sich in einer Nut 6 unterschiedliche Spulen 4 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 81 voneinander beabstandet.
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Das
Blechpaket 3 weist mehrere innere und äußere Zähne 10a, 10i mit
entsprechenden Zahnlängen
L10 auf, wobei die inneren Zähne 10i gegenüber den äußeren Zähnen 10a kürzer ausgebildet
sind. Die inneren Zähne 10i weisen
die Zahnlänge
L10i und die äußeren Zähne 10a die Zahnlänge L10a auf, wodurch sich auch verschiedene Luftspalte δ1, δ2 zwischen
Primärteil
und Sekundärteil
ausbilden. Aufgrund der längeren
Außen-
bzw. Endzähne 10a,
werden die induzierten Spannungen in den wicklungstragenden Endzähnen 10a des
Primärteils
angehoben.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Linearmotors 1.
Insbesondere sind die inneren Zähne 10i so
ausgebildet, dass sie selbst untereinander verschiedene Zahnlängen L10i1, L10i2 aufweisen.
Wie 2 zeigt, nimmt die Zahnlänge von den äußeren Zähnen hin
zu den inneren Zähnen
ab, so dass die mittig angeordneten Zähne die kürzesten sind. Durch mehrere
verschiedene Zahnlängen
ist eine Optimierung der Ausgleichseffekte möglich.
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3 zeigt
ein Primärteil 2 mit
mehreren Blechpaketen 3. Das Primärteil 2 besteht aus
mehreren in Bewegungsrichtung R hintereinander angeordneten Blechpaketen 3, 3a, 3b.
Demnach weisen die mittig bzw. innen angeordneten Blechpakete 3a, 3b nur
Zähne 10 mit
gleicher Zahnlänge
L10 auf, und lediglich die beiden äußeren Blechpakete 3 weisen Zähne 10a, 10i mit
unterschiedlichen Zahnlängen L10a, L10i auf. Gut
ist in 3 zu erkennen, dass die Zähne 10 der inneren
Blechpakete 3a, 3b die gleiche Länge L10a wie die äußeren Zähne 10a der äußeren Blechpakete 3 aufweisen.
Da bei den inneren Blechpaketmodulen 3a, 3b keine
Endeffekte bzgl. der Kraftwelligkeit auftreten, ist es ausreichend,
lediglich die Endmodule 3 mit verschiedenen Zähnen 10a, 10i auszubilden.
Ferner werden so unnötige
Kraftverluste in den inneren Modulen 3a, 3b vermieden.
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines Linearmotors 1. Die inneren Zähne 10i sind gegenüber den äußeren Zähnen 10a länger ausgebildet,
wodurch sich auch verschiedene Luftspalte δ1, δ2 und δ3 zwischen
Primärteil 2 und
Sekundärteil 2 ausbilden.
Insbesondere sind zwei, in Bewegungsrichtung R des Primärteils 2 benachbarte, äußere Zähne 10a an
einer Stirnseite S1 oder S2 des Primärteils 2 kürzer als
die inneren Zähne 10i.
Bei dieser Ausführungsform
trägt der äußerste Zahn
keine Spule und befindet sich neben dem letzten spulentragenden Zahn.
Die inneren Zähne 10i weisen
einen ersten Abstand δ1 zur Magnetoberfläche des Sekundärteils 7 auf,
wobei der erste Abstand δ1 der reguläre Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7 ist.
Der letzte spulentragende Zahn 10a weist einen zweiten
Abstand δ2 und der äußerste spulenlose Zahn 10a einen dritten
Abstand δ3 zur Magnetoberfläche des Sekundärteils 7 auf.
Erster, zweiter und dritter Abstand sind unterschiedlich groß ausgebildet,
wobei der erste Abstand δ1 kleiner als der zweite δ2, und
der zweite Abstand δ2 kleiner als der dritte Abstand δ3 oder
gleich dem dritten Abstand δ3 ausgebildet ist (δ1 < δ2 ≤ δ3). Dadurch
erhält
der Motor 1 einen Luftspalt δ zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7,
der an beiden Motorenden, d.h. Stirnseiten S1 und S2, im Wesentlichen
kontinuierlich größer wird
und dadurch einen „sanften" Übergang vom inneren Bereich
zu den Randbereichen des Primärteils 2 aufweist.
Es kann eine optimale Symmetrierung der induzierten Spannungen im
Motor bzw. optimale Reduzierung der Kraftwelligkeit erreicht werden.
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5 zeigt
eine vierte Ausführungsform
eines Linearmotors 1, welche im Wesentlichen der Ausführungsform
gemäß 4 entspricht. 5 zeigt,
dass unter einem einzelnen Zahn 10a ein nicht konstanter
Luftspalt δ ausgebildet
ist. Durch einen nicht konstanten Luftspalt δ unter einem einzelnen inneren
oder äußeren Zahn 10i, 10a kann
der Luftspaltverlauf zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7 noch
besser optimiert werden. Der nicht konstante Luftspaltverlauf kann
mit einer schräg
zum Luftspalt δ verlaufenden
Unterkante eines Zahns 10i, 10a erreicht werden.
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Weiterhin
weist der letzte spulenlose Zahn 10a zum benachbarten spulentragenden
Zahn 10a des Blechpakets 3 einen Abstand τF auf.
Vorteilhafterweise wird der Abstand τF so
gewählt,
dass dieser der Polteilung τM des Sekundärteils 7 entspricht,
damit eine möglichst
hohe Flussverkettung mit der letzten Spule 4 und somit
eine gewollte Anhebung der induzierten Spannung der letzten Spule 4 erfolgt.
Für eine
bauraumoptimierte Ausführung
des Linearmotors 1 wird ein möglichst geringer Abstand τF angestrebt.
Dadurch ergibt sich ein optimaler Abstand τF vom
benachbarten spulentragenden Zahn, der kleiner als die Polteilung τM des
Sekundärteils 7 ist.
Wird aber beispielsweise ein hohe Anziehungskraft zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7 angestrebt,
beispielsweise zwecks Vorspannkraft bei einer Luftlagerung, ist
der optimale Abstand τF vom benachbarten Zahn größer als
die Polteilung τM des Sekundärteils ausgebildet.