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Die
Erfindung befasst sich mit einer Linearmotorbaureihe, einem Verfahren
zur Fertigung von Linearmotoren dieser Baureihe sowie diverser Anwendungen
der Linearmotorbaureihe.
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Ein
Linearmotor umfasst in der Regel immer eine ortsfeste Komponente
mit Wicklung (Primärteil)
und eine bewegliche Komponente mit Permanentmagneten (Sekundärteil).
Die Schrift PS 27 21 905 zeigt einen Mehrphasen-Linearmotor mit
permanentmagnetisch erregtem Sekundärteil und einer feststehenden
Spulenanordnung. Das Primärteil
umfasst in der Regel Kupferwicklungen, mit denen mittels eines dreiphasigen
elektrischen Stromes ein magnetisches Wanderfeld erzeugt wird. Das
Sekundärteil
des Linearmotors umfasst ein Rückschlussjoch
aus Eisen und Permanentmagneten, welche mit dem Wanderfeld interagieren,
wodurch sich das Sekundärteil
relativ zum Primärteil
bewegt.
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Der
hier gezeigte Linearmotor wird für
ganz bestimmte Anwendungen hergestellt, beispielsweise für das Förder- und
Transportwesen, im Bergbau oder für Schlitten in Werkzeugmaschinen.
Je nach Anwendung werden ganz bestimmte Anforderungen an den Motor
gestellt. Für
Schleifanwendungen beispielsweise ist ein geringer Kraftrippel erforderlich.
In Verbindung mit Werkzeugmaschinen ist häufig eine hohe Maximalkraft
gefordert. Gleichzeitig soll die Fertigung möglichst einfach und die Herstellkosten
preiswert sein. Der im Stand der Technik gezeigte Linearmotor kann
diesen Anforderungen nicht gerecht werden.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung eine Lösung bereit zu stellen, welche
die preiswerte Herstellung eines Linearmotors für möglichst viele Anwendungsfälle mit
unterschiedlichen Anforderungen ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
mittels einer Linearmotorbaureihe, wobei ein für alle Linearmotoren identisches
Primärteil
mit Zähnen,
Nuten und Wicklung umfasst ist und wobei zumindest zwei Sekundärteilgrundbaueinheiten
umfasst sind, wobei diese eine Grundplatte (Rückschlussjoch oder einen unmagnetischer
Träger)
umfassen, auf dem Magnete fest angeordnet sind, wobei sich die Sekundärteile bezüglich der äußeren Abmessungen
der Magnete unterscheiden, wobei die Polteilung identisch ist.
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Bei
den Magneten kann es sich um nachträglich magnetisierten Permanentmagnete
handeln oder um bereits magnetisierte Permanentmagnete. Unter nachträglich magnetisierten
Permanentmagneten versteht man in diesem Zusammenhang Permanentmagnete,
welche zum Zeitpunkt der Anlieferung und Montage noch nicht magnetisiert
sind und erst im montierten oder teilmontierten Zustand magnetisiert
werden. Die Magnete können
jedoch auch durch vormagnetisierte Permanentmagnete realisiert werden,
das heißt
es handelt sich um Magnete, die zum Zeitpunkt der Montage magnetisiert
sind.
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Diese
Lösung
deckt ein sehr breites Anwendungsspektrum ab, denn eine Vielzahl
von Applikationen kann aufgrund der Kombinationsmöglichkeit
des Primärteiles
mit unterschiedlichen Sekundärteilen
mittels der erfindungsgemäßen Baureihe
leicht abgedeckt werden. Die Verwendung verschiedener Sekundärteile führt letztlich
zu Linearmotoren mit unterschiedlichen Leistungsdaten. Die Sekundärteile können preiswert
in großen Stückzahlen
hergestellt werden. Das Primärteil
bleibt für
alle Linearmotoren unverändert
und ist ebenfalls in großen
Stückzahlen
preiswert herstellbar. Insgesamt führt die Baureihe zu einer verminderten
Anzahl von Bauteilen und vereinfacht damit Fertigung und Montage.
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Bevorzugt
weisen die Magnete des ersten Sekundärteils ein geringeres Magnetvolumen
auf als die des Magnete des zweiten Sekundärteils, wobei das erste Sekundärteil bezüglich einer
geringen Kraftwelligkeit optimiert ist, so dass der Linearmotor
in jeder Stellung eine im wesentlichen gleiche Kraft bewirken kann.
Diese Lösung
eröffnet
eine Anwendbarkeit für
alle Anwendungen, bei denen hohe Präzision gefordert ist, beispielsweise
Schleifsysteme, Druckereinzüge,
Folienreckmaschinen, Beschichtungsanlagen, und weitere.
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Die
Magnete des zweiten Sekundärteils
haben ein höheres
Magnetvolumen als die des ersten Sekundärteils, wobei das zweite Sekundärteil bezüglich der
Kraftwirkung optimiert ist und eine maximal mögliche Kraftwirkung in jeder
Stellung erzielt. Dies ermöglicht
eine Anwendungen für
alle Fälle,
bei denen eine hohe Kraft gefordert ist, beispielsweise in Verbindung
mit Werkzeugmaschinen, Car-Body-Handling, Schraub- und Einpresstechnik,
High-Speed-Handling, und weitere.
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Vorzugsweise
unterscheiden sich die Sekundärteile
bezüglich
der Ausführung
der Grundplatte und dabei vorzugsweise bezüglich der Jochdicke, der Jochkanten
oder des Jochmaterials. Die Jochdicke beeinflusst das Sättigungsverhalten
und den Bauraum. Eine geringe Jochdicke entspricht einer hoher Sättigung
und erfordert wenig Bauraum. Es wäre auch möglich die Eisenkanten zwischen
den Magneten bei einem Sekundärteil
anzuheben, was die Längs-
und Querinduktivität
beeinflusst, so dass Sekundärteile
mit unterschiedlicher Induktivität
wahlweise zur Verfügung
stehen. Die Grundplatte dient in erster Linie der mechanischen Stabilität, wodurch
eine Mindestdicke für
die Platte resultiert.
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Die
Rückschlussjoche
wiederum können
sich dadurch unterscheiden, dass sie aus massivem oder geblechtem
magnetisch leitfähigen
Material oder anstelle eines magnetisch leitfähigen Materials eine unmagnetische
Tragstruktur aufweisen, auf der die Magnete anhaften. Dies führt zu gegebenenfalls
weiter reduzierten Maximalkräften
aber potentiell sehr geringen Kraftwelligkeiten.
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Vorzugsweise
wird die Baureihe und insbesondere das Primärteil mittels der Nut- und
Zahngeometrie bezüglich
Kraftwelligkeit oder Maximalkraft optimiert. Da das Primärteil einer
Baureihe stets unverändert
bleibt, wird somit die gesamte Baureihe in dieser Hinsicht optimiert.
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Alternativ
kann die gesamte Baureihe derart optimiert, dass eine kleinstmögliche Welligkeit
erzielt wird. Bei Optimierung auf Maximalkraft muss ein ausgewogenes
Verhältnis
von Eisen zu Kupfer bei Maximalstrom vorliegen, so dass die Sättigung
möglichst
gering ist. Das Optimierungsziel liegt hier bei einer möglichst
geringen Sättigung
bei Auftreten des Maximalstroms. Es resultieren hieraus relativ
dicke Wickelzähne
und geringe Wickelflächen.
Bei Optimierung der Welligkeit, muss ein günstiges Verhältnis von
Zahn- bzw. Nutbreite zu Magnetbreite und Magnethöhe gefunden werden. Dies hängt von
der Magnetart und dem Wickelschema ab.
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Besonders
bevorzugt wird das Primärteil
so realisiert, dass der Eisenanteil im Primärteil im Verhältnis zum
Kupferanteil höher
ist. Der Linearmotor gerät
dadurch weniger schnell in Sättigung,
was sich positiv bei Überlast
auswirkt. Erreicht wird dies beispielsweise durch Reduzierung der
Kupferwicklungsbreite und/oder der Kupferwicklungshöhe.
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Ganz
besonders bevorzugt umfassen die Sekundärteilgrundbaueinheiten ein
Abdeckblech zum Schutz der Magnete.
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Vorteilhafterweise
umfasst eine Maschine, vorzugsweise eine Schleifmaschine, einen
Linearmotor einer erfindungsgemäßen Baureihe.
Mittels der Erfindung kann leicht eine für Schleifanwendungen erforderliche Präzisionsmaschine
hergestellt werden, indem ein Sekundärteil mit dem Primärteil kombiniert
wird, welches eine minimale Kraftwelligkeit aufweist. Die Schleifmaschine
ist außerdem
preiswert herstellbar.
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Bevorzugt
umfasst eine elektrisch angetriebene Maschine, vorzugsweise eine
Werkzeugmaschine, einen Linearmotor der erfindungsgemäßen Baureihe.
Der Vorteil liegt in der Erzeugung einer hohen Maximalkraft und
damit in der Verminderung der Bearbeitungszeiten. Der Motor und
auch die Maschine werden aufgrund der Gleichteilestrategie kostengünstiger.
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Besonders
vorteilhaft wird ein Transportmechanismus mittels eines Linearmotors
der erfindungsgemäßen Baureihe
realisiert. Vorteilhaft hierbei sind geringere Transportzeiten aufgrund
hoher Maximalkraft. Der Motor und der Transportmechanismus wird
aufgrund der Gleichteilestrategie und der damit verbundenen hohen
Stückzahlen
preiswerter.
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Vorzugsweise
umfasst ein Linearaktuator einen Linearmotor der erfindungsgemäßen Baureihe.
Auch hier kann der Motor und damit der Linearaktuator kostengünstiger
hergestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zur Fertigung von Linearmotoren einer Linearmotorenbaureihe
aus einem Primärteil
und einer Sekundärteilgrundbaueinheit,
wobei die Sekundärteilgrundbaueinheit
eine Grundplatte umfasst, auf der nachträglich magnetisierbare Permanentmagnete
oder bereits magnetisierte Permanentmagnete fest angeordnet sind,
wobei nachträglich
magnetisierbare Permanentmagnete derart magnetisiert werden, dass
zueinander benachbarte Magnete in Bewegungsrichtung des Sekundärteiles
eine unterschiedliche Magnetisierungsrichtung aufweisen, wobei zur
Verringerung der Maximalkraft des Linearmotors eine Verringerung
des Volumens der Magnete und wobei zur Erhöhung der Maximalkraft des Linearmotors eine
Erhöhung
des Volumens der Magnete erfolgt, wobei die Polteilung stets gleich
bleibt.
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Der
Fertigungsprozess kann vorsehen die magnetisierten Permanentmagnete
im magnetisierten Zustand aufzukleben. Dazu müssen die Magnete vorsortiert
werden, damit die richtige Polarisation gewährleistet wird. Des weiteren
wird eine äußerst stabile
Konstruktion zum gleichzeitigen Kleben der Magnete verwendet, da
große
Anziehungskräfte
während
des Klebeprozesses auftreten. Dies kann umgangen werden, wenn unmagnetisierte
Magnete verklebt werden. Diese werden in einem weiteren Prozessschritt
mittels einer Vorrichtung über
einem Magnetisierungspuls aufmagnetisiert. Damit dabei eine gleichmäßige Magnetisierung
gewährleistet
wird, müssen
die Magnete eine minimale Pollücke
aufweisen. Diese hängt
stark von der Magnethöhe
und der Dicke des Rückschlussjochs
ab. Die Magnethöhe
beeinflusst dabei die Überlastfähigkeit
des späteren
Linearmotors. Je höher
die Magnete, desto stärker
der magnetische Erregerfluss und desto linearer gegenüber Überlast
verhält
sich der Linearmotor.
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Generell
gibt es unterschiedliche Anforderungen für unterschiedliche Applikationen
des Linearmotors. In Schleifanwendungen wird eine geringe Kraftwelligkeit
und eine hohe Nennkraft gefordert. Eine hohe Überlastfähigkeit wird bei Schleifanwendungen
weniger erwartet. Für
diese Anforderungen eignet sich ein nachträglich aufmagnetisiertes Sekundärteil. Bei
Positionieranwendung, z.B. im Werkzeugmaschinenbereich, wird dagegen
eine hohe Überlastfähigkeit
gefordert, damit geringe Verfahrzeiten erreicht werden. Somit sind
nachträglich
magnetisierte Sekundärteile
hierfür
eher nicht geeignet.
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Das
Verfahren reduziert die Teilevielfalt und arbeitet mit einer großen Anzahl
von Gleichteilen, was zu geringeren Fertigungs- und Lagerkosten
führt.
Der Herstellprozess ist für
alle Teile gleich, lediglich die Teilekonfiguration wird anwendungsspezifisch
adaptiert.
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Vorzugsweise
erfolgt die Modifikation des Magnetvolumens mittels der Modifikation
der Magnethöhe und/oder
der Magnetbreite. Bei den Magneten mit unterschiedlichen Abmessungen
handelt es sich um Massenware, welche preiswert in großen Mengen
eingekauft und/oder mit geringem Lageraufwand gelagert werden kann.
Mittels dieser Lagerware kann ein Sekundärteil effizient für neue Anwendungsfälle konfiguriert
werden.
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Besonders
bevorzugt werden die unmagnetisierten Permanentmagnete auf die Grundplatte
vor der Magnetisierung aufgeklebt. Dies ermöglicht eine präzise Ausrichtung
der Magnete. Es ist keine aufwändige
Arretierung erforderlich, welche die Magnete an ihrer Position hält, denn
es wirken noch keine Kräfte
bei der Positionierung, weil die Magnete nicht magnetisiert sind.
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Ganz
besonders bevorzugt weisen die unmagnetisierten Permanentmagnete
nach der Befestigung Pollücken
auf, welche 1% bis 40% der gesamten Polbedeckung ausmachen. Je geringer
die Pollücke
wird, desto höher
wird die magnetische Erregung und desto höher fällt die Maximalkraft aus.
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Vorteilhafterweise
werden die nachträglich
magnetisierten Permanentmagnete parallel oder annähernd parallel
magnetisiert. Die parallele Magnetisierung entspricht einer blockförmigen Erregung,
wodurch bei sinusförmiger
Bestromung eine hohe Maximalkraft zu erzielen ist.
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Bevorzugt
werden die Magnete mittels einer Schutzvorrichtung, insbesondere
mittels eines leicht magnetischen oder unmagnetischen Bleches und/oder
einer Vergussmasse, abgedeckt. Der Vorteil dieser Lösung liegt
darin, dass somit ein Schutz der Magnete auch bei widrigen Umgebungsbedingungen
vor Beschädigung
bewirkt wird.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Optimierung der Anordnung bezüglich Maximalkraft
und/oder Kraftwelligkeit mittels der Nut- und Zahngeometrie des
Primärteiles.
Hiermit wird eine hohe Maximalkraft bzw. geringe Welligkeit bewirkt.
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Die
Optimierung der Anordnung gegen Überlast
wird mittels Erhöhung
des Eisenanteils im Primärteil relativ
zu den anderen Metallen, aus denen das Primärteil besteht, erreicht.
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Das
Primärteil
wird vorzugsweise mittels Blechpaketen hergestellt, wodurch es einfach
und preiswert herstellbar ist. Es resultieren hieraus geringere
Eisenverluste und höhere
Kräfte
bei großen
Geschwindigkeiten.
| 1 | Primärteilblechpaket |
| 1a | Zähne |
| 1b | Nuten |
| 2 | Erstes
Sekundärteilblechpaket |
| 3 | Zweites
Sekundärteilblechpaket |
| 4 | Magnete |
| 5 | Pollücken |
| 6 | Bausatz |
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Linearmotorbausatz
mit zwei Sekundärteilen.
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Dem
Primärteilblechpaket 1 mit
seinen Zähnen 1a und
Nuten 1b sind zumindest zwei Sekundärteilgrundbaueinheiten 2, 3 zugeordnet.
Die Zähne
sind mit Kupferdraht umwickelt. Jedes Sekundärteil besteht aus einem Sekundärteilblechpaket.
Beide Sekundärteile 2, 3 sind
mittels einer Grundplatte realisiert, auf der nachträglich magnetisierbare
Magnete 4 oder vormagnetisierbare Permanentmagnete 4 fest
angeordnet sind. Die Sekundärteile 2, 3 unterscheiden
sich bezüglich
der äußeren Abmessungen
der Magnete 4 bei identischer Polteilung. Es ist auch deutlich
zu sehen, dass die Pollücken 5 unterschiedlich
sind. Die Magnete 4 des ersten Sekundärteils 2 weisen ein
geringeres Magnetvolumen auf als die des zweiten Sekundärteils 3.
Das erste Sekundärteil 2 ist
bezüglich
einer geringen Kraftwelligkeit optimiert ist, so dass der Linearmotor
in jeder Stellung eine im wesentlichen gleiche Kraft bewirken kann.
Die Magnete 4 des zweiten Sekundärteils 3 weisen ein
höheres
Magnetvolumen auf als die des ersten Sekundärteils 2, wobei das
zweite Sekundärteil 3 bezüglich der Kraftwirkung
optimiert ist, so dass der Linearmotor eine maximal mögliche Kraftwirkung
in jeder Stellung erzielt. Die Sekundärteile 2, 3 könnten sich
auch bezüglich
der Ausführung
der Grundplatte unterscheiden, vorzugsweise bezüglich ihrer Dicke und/oder
ihrer Kanten (hier nicht gezeigt). Dabei kann die Grundplatte geblecht,
massiv oder eisenlos ausgeführt
werden.
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Der
Bausatz 6 wird einem herkömmlichen Linearmotorkonzept
gegenüber
bevorzugt, um hohe Stückzahlen
und geringe Fertigungskosten zu erzielen. Dies wird dadurch erreicht,
dass ein und dasselbe Primärteil 1 so
konzipiert ist, dass es mit unterschiedlichen Sekundärteilen 2, 3 zur
Realisierung eines Linearmotors verwendet werden kann.
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Mindestens
ein Sekundärteil 2, 3 sollte
dabei vorzugsweise mittels Aufkleben unmagnetisierter Magnete 4 und
nachträglicher
Aufmagnetisierung kostengünstig
gefertigt werden. Die Magnete 4 können somit bei konstanter Pollücke 5 eine
für nachträglich magnetisierte
Permanentmagnete maximale Höhe
und eine maximale Breite aufweisen, was die Konstruktion auf minimale
Kraftwelligkeit und maximale Nennkraft optimiert. Mindestens ein
weiteres Sekundärteil 2, 3 weist
bei identischer Polteilung mehr Magnetvolumen auf. Dies kann sowohl
durch höhere
als auch durch breitere Magnete erzielt werden. Aufgrund der dann
auftretenden Kräfte sollte
das Rückschlussjoch
bzw. die Grundplatte verstärkt
werden. Die hierdurch erzielte höhere
Grunddurchflutung macht den Linearmotor überlastfähiger. Aufgrund der unterschiedlichen
Sekundärteile
wird bei identischem Primärteil
eine Abdeckung aller Applikationen erzielt.