DE102006035675A1

DE102006035675A1 - Linearmotor mit Kraftwelligkeitsausgleich

Info

Publication number: DE102006035675A1
Application number: DE200610035675
Authority: DE
Inventors: Zeljko Dr. Jajtic; Christian Volmert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2008015151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Primärteil (2) für eine elektrische Maschine (1), wobei a) das Primärteil (2) zur Anordnung mit einem Sekundärteil (7) vorgesehen ist und Primärteil (2) und Sekundärteil (7) durch einen Luftspalt (delta) voneinander beabstandet sind, b) das Primärteil (2) zumindest aus einem Blechpaket (3) gebildet ist und an seinen jeweiligen Stirnseiten (S1, S2) zumindest ein flussführendes Element (10) zur Reduktion der Kraftwelligkeit aufweist, c) das flussführende Element (10) eine vorgebbare Breite (B10) und Länge (L10) aufweist, wobei die Breite (B10) variabel ist, wobei die Breite (B10) des flussführenden Elements (10) im Bereich der dem Luftspalt (delta) zugewandten Seite reduziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Primärteil für eine elektrische Maschine, wobei das Primärteil zur Anordnung mit einem Sekundärteil vorgesehen ist und Primärteil und Sekundärteil durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind und das Primärteil zumindest aus einem Blechpaket gebildet ist und an seinen jeweiligen Stirnseiten zumindest ein flussführendes Element zur Reduktion der Kraftwelligkeit aufweist, wobei das flussführende Element eine vorgebbare Breite und Länge aufweist, wobei die Breite variabel ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Linearmotor mit einem derartigen Primärteil.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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 Kraftwelligkeit (Rastkraft) hat.
Der erfindungsgemäße Primärteil ist zur Anordnung mit einem Sekundärteil vorgesehen, wobei Primärteil und Sekundärteil durch einen 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.
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.
An den Stirnseiten der Bleche bzw. des Blechpakets ist jeweils ein flussführendes Element zur Reduktion der Kraftwelligkeit angeordnet. Das flussführende Element weist eine vorgebbare Breite und Länge auf, wobei die Breite über die Länge variabel ist. Die Breite des flussführenden Elements ist im Bereich der dem Luftspalt zugewandten Seite reduziert. Das flussführende Element ist beispielsweise so ausgebildet, dass es in Richtung des Luftspalts eine Verjüngung aufweist. Die Länge des flussführenden Elements entspricht dabei der Länge der übrigen Zähne des Primärteils.
Das flussführende Element ist an den Stirnseiten der einzelnen Bleche bzw. des gesamten Blechpakets angebracht und befindet sich an bzw. neben der jeweils letzten Nut bzw. des letzten bewickelten Zahns des Primärteils. Das flussführende Element selbst trägt keine Wicklung oder Spule.
Durch die Anbringung eines solchen flussführenden Elements ist, neben der Reduktion der passiven Kraftwelligkeit, auch eine Reduktion der aktiven Kraftwelligkeit möglich, indem die Flussverkettung mit der letzten Spule durch Formgebung, d.h. reduzierte Breite des flussführenden Elements im Luftspaltbereich, gezielt beeinflusst wird. Die induzierten Spannungen in den wicklungstragenden Endzähnen des Primärteils werden angehoben, wobei hierbei Ziel eine möglichst gleichförmige EMK in allen Spulen des Primärteils ist.
Vorzugsweise ist die Breite des flussführenden Elements durch Abschrägungen in Richtung des Luftspalts reduziert. Das flussführende Element kann im Bereich der dem Luftspalt zugewandten Seite die verschiedensten geometrischen Formen annehmen. Weist man dem flussführenden Element beispielsweise zwei Teilflächen zu, wobei die erste Teilfläche dem Luftspalt zugewandt und die zweite Teilfläche dem Luftspalt abgewandt ist, so ist die erste Teilfläche beispielsweise dreieckförmig oder pfeilförmig ausgebildet. Durch Abschrägungen ist eine reduzierte Breite einfach realisierbar. Üblicherweise weisen mehrere Einzelbleche ein derartiges abgeschrägtes flussführendes Element auf, so dass sich dann über mehrere hintereinander angeordnete Bleche ein flussführendes Element beispielsweise in Form einer Pyramide, eines Pyramidenstumpfes oder eines Prismas ergibt.
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.
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.
Blechpaket mit flussführendem Element kann auch zweiteilig ausgebildet sein, wobei das flussführende Element kraft-, stoff- oder formschlüssig am Blechpaket anbringbar ist. Das flussführende Element selbst kann auch zweiteilig ausgebildet sein.
Weiterhin weist das flussführende Element zu dem bzw. den benachbarten bewickelten Zähnen des Blechpakets einen Abstand auf. Vorteilhafterweise wird der Abstand des flussführenden Elements zu dem bzw. den benachbarten Zähnen so gewählt, dass dieser der Polteilung des Sekundärteils entspricht, damit eine möglichst hohe Flussverkettung mit der letzten Spule und somit eine gewollte Anhebung der induzierten Spannung der letzten Spule erfolgt.
Für eine bauraumoptimierte Ausführung des Linearmotors werden eine minimale Breite sowie ein möglichst geringer Abstand des flussführenden Elements angestrebt. Dadurch ergibt sich ein optimaler Abstand des flussführenden Elements vom benachbarten bewickelten Zahn, der kleiner als die Polteilung des Sekundärteils ist.
Wird beispielsweise ein hohe Anziehungskraft zwischen Primär- und Sekundärteil angestrebt, beispielsweise zwecks Vorspannkraft bei einer Luftlagerung, ist der optimale Abstand des flussführenden Elements vom benachbarten Zahn größer als die Polteilung des Sekundärteils ausgebildet.
Vorzugsweise ist die dem Luftspalt zugewandte Fläche des flussführenden Elements gerundet. Das flussführende Element weist beispielsweise mit einem vorgegebenen Radius abgerundete Ecken auf. Diese Maßnahme trägt zur Reduktion der Rastkräfte bei.
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, wobei zusätzlich eine geringere Masse des Primärteils durch Bleche ohne flussführende Elemente erreicht wird.
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, sind an jedem Ende flussführende Elemente vorzusehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das flussführende Element nicht über die gesamte Breite eines Blechpakets ausgebildet. Die Breite des Blechpakets erstreckt sich quer zur Bewegungsrichtung des Primärteils. So erstreckt sich beispielsweise das flussführende Element nur über einen Teilbereich des Blechpakets, wobei das flussführende Element dann beispielsweise mittig am Blechpaket angeordnet sein kann. 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.
Das flussführende Element dient zur Reduktion der Rastkraft über die Länge des Primärteils und zur Erhöhung der Nutzkraft des Linearmotors.
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.
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:
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Linearmotors mit einer ersten Ausgestaltung eines flussführenden Elementes;
2 einen Ausschnitt eines Primärteils eines Linearmotors gemäß 1 mit einer zweiten Ausgestaltung des flussführenden Elementes;
3 einen Ausschnitt eines Primärteils eines Linearmotors gemäß 1 mit einer dritten Ausgestaltung des flussführenden Elementes;
4 einen Ausschnitt eines Primärteils eines Linearmotors gemäß 1 mit einer vierten Ausgestaltung des flussführenden Elementes;
5 einen Ausschnitt eines Primärteils eines Linearmotors gemäß 1 mit einer fünften Ausgestaltung des flussführenden Elementes;
6 einen Ausschnitt eines Primärteils eines Linearmotors gemäß 1 mit einer sechsten Ausgestaltung des flussführenden Elementes.
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. Das Primärteil 2 weist ferner die Spulen 4 auf. Die Spulen 4 umschließen die Zähne 5 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 τ_M angeordnet. Die Polteilung τ_M kann sich aber auch durch elektrische Erregung einer im Sekundärteil 7 angeordneten Erregerwicklung ausbilden. Primärteil 2 und Sekundärteil 7 sind durch den Luftspalt δ voneinander beabstandet. An den Stirnseiten S1 und S2 des Blechpakets 3 ist jeweils ein flussführendes Element 10 zur Reduktion der Kraftwelligkeit angeordnet.
Das flussführende Element 10 weist die vorgebbare Breite B₁₀ auf, wobei sich die Breite B₁₀ des flussführenden Elements 10 in Bewegungsrichtung R des Primärteils 2 erstreckt. Die Breite B₁₀ des flussführenden Elements 10 ist im Bereich der dem Luftspalt δ zugewandten Seite reduziert. Das flussführende Element 10 ist beispielsweise so ausgebildet, dass es in Richtung des Luftspalts δ eine Verjüngung aufweist. Insbesondere ist das flussführende Element 10 im Bereich des Luftspalts δ mit einem vorgebbaren Radius abgerundet ausgeführt. Die Länge L₁₀ des flussführenden Elements 10 entspricht der Zahnlänge L₅ der übrigen Zähne 5.
Weiterhin weist das flussführende Element 10 zu dem benachbarten bewickelten Zahn 5 des Blechpakets 3 einen Abstand τ_F auf. Vorteilhafterweise wird der Abstand τ_F gleich τ_M gewählt, 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 werden eine minimale Breite B₁₀ sowie ein möglichst geringer Abstand τ_F des flussführenden Elements 10 zum benachbarten Zahn 5 angestrebt.
2 bis 6 zeigen verschiedene Ausgestaltungen des flussführenden Elements 10.
2 zeigt ein flussführendes Element 10, dessen Breite B₁₀ in Richtung des Luftspalts δ durch eine Abschrägung an der Stirnseite S2 reduziert ist.
3 zeigt ein flussführendes Element 10, dessen Breite B₁₀ in Richtung des Luftspalts δ durch zwei Abschrägungen reduziert ist, wodurch sich eine pfeil- oder dreieckförmige Fläche bzw. Form ergibt.
In 4 ist dargestellt, dass das Element zwei unterschiedliche Breiten B₁₀ ohne Abschrägungen aufweist.
5 und 6 zeigen Elemente 10, die einerseits sich verjüngend in Richtung Luftspalt δ ausgebildet sind und andererseits einen variablen Abstand τ_F vom benachbarten bewickelten Zahn 5 aufweisen.
Im Bereich der dem Luftspalt δ abgewandten Seite erstreckt sich das Element 10 entlang der benachbarten Spule oder Wicklung 4, wodurch eine verbesserte Kühlung der letzten Spule oder Wicklung 4 erreicht wird.

Claims

Primärteil (2) für eine elektrische Maschine (1), wobei a) das Primärteil (2) zur Anordnung mit einem Sekundärteil (7) vorgesehen ist und Primärteil (2) und Sekundärteil (7) durch einen Luftspalt (δ) voneinander beabstandet sind, b) das Primärteil (2) zumindest aus einem Blechpaket (3) gebildet ist und an seinen jeweiligen Stirnseiten (S1, S2) zumindest ein flussführendes Element (10) zur Reduktion der Kraftwelligkeit aufweist, c) das flussführende Element (10) eine vorgebbare Breite (B₁₀) und Länge (L₁₀) aufweist, wobei die Breite (B₁₀) variabel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B₁₀) des flussführenden Elements (10) im Bereich der dem Luftspalt (δ) zugewandten Seite reduziert ist.
Primärteil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil (2) mehrere Zähne (5) mit einer Zahnlänge (L₅) aufweist, wobei die Länge (L₁₀) des flussführenden Elements (10) der Zahnlänge (L₅) entspricht.
Primärteil (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B₁₀) des flussführenden Elements (10) durch Abschrägungen in Richtung des Luftspalts (δ) reduziert ist.
Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das flussführende Element (10) teilweise an einer benachbarten Wicklung oder Spule (4) anliegt.
Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (3) mit dem flussführenden Element (10) einteilig oder zweiteilig ausgebildet ist.
Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flussführende Element (10) kraft-, stoff- oder formschlüssig am Blechpaket (3) anbringbar ist.
Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flussführende Element (10) durch einen vorgebbaren Abstand (τ_F) von einem benachbarten Hauptzahn (5) des Primärteils (2) beabstandet ist, wobei für den Abstand (τ_F) gilt: τ_F ≤ τ_M, wobei τ_M die Polteilung des Sekundärteils (7) ist.
Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flussführende Element (10) durch einen vorgebbaren Abstand (τ_F) von einem benachbarten Hauptzahn (5) des Primärteils (2) beabstandet ist, wobei für den Abstand (τ_F) gilt: τ_F > τ_M, wobei τ_M die Polteilung des Sekundärteils (7) ist.
Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Luftspalt (δ) zugewandte Fläche und/oder Ecken des flussführenden Elementes (11) mit einem vorgebbaren Radius abgerundet ausgebildet sind.
Linearmotor (1) mit mindestens einem Primärteil (2) und mindestens einem Sekundärteil (7), wobei Primärteil (2) und Sekundärteil (7) durch einen Luftspalt (δ) voneinander beabstandet sind, und das Primärteil (2) zumindest aus einem Blechpaket (3) gebildet ist und an seinen jeweiligen Stirnseiten (S1, S2) zumindest ein flussführendes Element (10) zur Reduktion der Kraftwelligkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (1) ein Primärteil (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.