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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kurzhublinearmotor, der für eine hochdynamische
Positionsregelung bei sehr kleinen Hub-Bewegungen ausgelegt ist.
Eingesetzt werden derartige Kurzhublinearmotoren in Werkzeugmaschinen
für das
so genannte Unrunddrehen, wie es beispielsweise für die Bearbeitung
von Kolben von Verbrennungsmotoren notwendig ist. Beim Unrunddrehen
wird eine sehr kleine (<< 1mm) aber gezielte
Abweichung von der Kreisform angestrebt. Dies wird durch eine zur
Drehzahl synchronisierte Pendelbewegung des Meißels beim Drehen des Werkstücks erreicht.
Für eine
hohe Dynamik beim Unrunddrehen ist ein Linearmotor mit hohem Eigenbeschleunigungswert
erforderlich. Gemäß der Gleichung
amotor = Fmotor/mmotor (N/kg) bedeutet dies eine möglichst
hohe Motorkraft bei minimaler Masse des Motors.
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In
Werkzeugmaschinen für
das Unrunddrehen werden in der Regel standardmäßige drei-strängige Synchronlinearmotoren
als geregelter Direktantrieb für
die Hub-Bewegung des Meißels
eingesetzt. Ein derartiger drei-strängiger Synchronlinearmotor
ist in 1 im Längsschnitt
wiedergegeben. Damit die bewegte Masse möglichst klein bleibt, wird
der Meißel
durch das Sekundärteil 1 des
Linearmotors bewegt, weil das Sekundärteil 1 leichter ist
als das Primärteil 2 des
Linearmotors. Das Sekundärteil
besteht typischerweise aus einer Stahlträgerplatte 3, auf der
Permanentmagnete 4 befestigt sind. Diese sind abwechselnd
vom Sekundärteil 3 zum
Primärteil 2 und
umgekehrt gerichtet.
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Für eine weitere
Steigerung der Motordynamik wird die Masse des bewegten Sekundärteils 1 minimiert,
in dem eine Optimierung der Konstruktion hinsichtlich Geometrie
und Steifigkeit durchgeführt
wird. Oft resultiert diese Optimierung, bei der eine ausreichend
geringe Masse und hohe Steifigkeit des Sekundärteils erreicht wird, in einer
technisch aufwendigen Ausführung
des Sekundärteils 1.
Insbesondere ist dann vielfach eine komplexe Bearbeitung erforderlich
und es müssen
teure Materialien eingesetzt werden.
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Der
in
1 wiedergegebene standardmäßige Drei-Phasen-Synchronlinearmotor
besitzt in seinem Primarteil
2 zahlreiche Zähne
5,
die zum Sekundärteil
1 gerichtet
sind und jeweils mit einer Spule
6 umgeben sind. Der konkret
in
1 dargestellte Linearmotor zeichnet sich durch
folgende Daten aus:
| Anzahl_Zähne: | NZ = 12 |
| Anzahl_Magnete_aktiv: | NM = 13 |
| Primärteillänge: | LFe = NZ·τZ |
| Zahnteilung: | τZ |
| Magnetteilung: | τM |
| Teilungsverhältnis: | τZ ≠ τM |
| Strangzahl: | m
= 3 (symmetrisch) |
| Motorklemmen: | 3
(U, V, W) |
| max.
Betriebskraft: | 100%
Fnenn |
| min.
Betriebskraft: | 100%
Fnenn |
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Die
von der Primärteillänge (LFe = NZ·τZ) überdeckten
Magnete werden hier als aktive Magnete bezeichnet (Anzahl: NM).
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Für mehrphasige
(m > 1) Linearmotoren
und so auch für
den in 1 dargestellten Drei-Phasen-Linearmotor in Zahnspulen-Technik sind folgende
Bedingungen einzuhalten: τZ ≠ τ LFe = NZ·τM ± n·τM;
n = 1, 2, 3...
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Der
Drei-Phasen-Synchronlinearmotor erzeugt im gesamten Verfahrbereich
eine konstante Kraft, was durch den sinusförmigen Stromverlauf erreicht
wird. Positionsabhängig
befindet sich immer nur ein Motorstrang (z. B. Strang U) in optimaler
Lage für
maximale Kraftausbeute und die beiden anderen Motorstrange (z. B.
Stränge
V und W) befinden sich in diesem Augenblick in einer anderen Pollage
zu den Magneten und nutzen ihren Strom nicht optimal aus. Bei Kurzhubanwendungen
(z. B. Unrunddrehen) ist der maximale Verfahrbereich smax verhältnismäßig gering:
smax ≈ 1...2mm
bzw. smax << τm.
Dies bedeutet, dass der Drei-Phasen-Linearmotor praktisch in einem
Betriebspunkt arbeitet und nicht die optimal erreichbare Kraft bietet,
weil nicht alle Motorstränge
zeitgleich optimale Pollage haben.
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Die
Verschaltung der Stränge
des Standard-Synchronlinearmotors erfolgt entsprechend 2.
Für die Ströme der einzelnen
Phasen U, V, W ergibt sich in Abhängigkeit des Verfahrwegs x
ein Bild gemäß 3. Für den Synchronlinearmotor
mit der Strangzahl m = 3 ergibt sich für die drei Phasen die übliche Phasenverschiebung Δφel = 120° el.
Dabei stellt sich eine konstante Kraft über dem Verfahrweg x ein und
es gilt: Fmax(x) = FNenn und Fmin(x)
= FNenn.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Dynamik
eines Kurzhublinearmotors zu verbessern.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass, wenn die Grenzen der Minimierung
der Sekundärteilmasse
erreicht sind, eine weitere Verbesserung der Antriebsdynamik in
der Werkzeugmaschine nur möglich ist,
wenn die Motorkraft entsprechend der obigen Formel gesteigert wird.
Dementsprechend ist erfindungsgemäß bereitgestellt ein Kurzhublinearmotor
mit einer einsträngigen
Wicklung im Primärteil,
das eine erste Polteilung aufweist, und einem Sekundärteil, das
eine zweite Polteilung aufweist, wobei die erste Polteilung und
die zweite Polteilung im Wesentlichen gleich sind.
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Darüber hinaus
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen ein Kurzhublinearmotor mit einer zweisträngigen Wicklung
im Primärteil,
das eine erste Polteilung aufweist, und einem Sekundärteil, das
eine zweite Polteilung aufweist, wobei die erste Polteilung und
die zweite Polteilung im Wesentlichen gleich sind und die beiden
Stränge
des Primärteils
so betrieben werden, dass ihr Phasenunterschied kleiner als 90° ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Motorausführung kann
ein gegenüber
herkömmlichen
Lösungen
besserer Antrieb für
die Anwendungen mit Kurzhub-Bewegungen (Unrunddrehen) erreicht werden,
indem eine höhere
Motorkraft bei gleichem Einbauraum und gleicher Masse erzielt wird.
Dadurch werden eine bessere Motordynamik und eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit
ermöglicht.
In der Fertigung unterscheidet sich der erfindungsgemäße Kurzhublinearmotor
von einem standardmäßigen Motor
nur in der Schaltung der Zahnspulen. Der Kurzhublinearmotor kann
somit aus Bauteilen (Blechpaket, Spulen, Gehäuse, Anschlüsse etc.) eines standardmäßigen Motors
aufgebaut werden, womit kein zusätzlicher
Fertigungsaufwand entsteht und Kosteneinsparungen erreicht werden
können.
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Vorzugsweise
wird der Kurzhublinearmotor durch einen Drei-Phasen-Umrichter angetrieben, dessen Kommutierungslage
an einer Stelle, an der einer von drei Phasenströmen Null ist, fest vorgegeben
ist. Damit kann auch ein üblicher
Umrichter für
die Ansteuerung des Kurzhublinearmotors eingesetzt werden.
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Alternativ
besteht auch die Möglichkeit,
dass der Kurzhublinearmotor von einem Gleichstromsteller gespeist
wird, wenn lediglich eine Phase bzw. ein Strang für das Primärteil vorgesehen
ist. Folglich ist man dann mit der Stromversorgung des Kurzhublinearmotors
verhältnismäßig unabhängig.
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Wird
der oben geschilderte Kurzhublinearmotor mit zweisträngiger Wicklung
eingesetzt, so ergibt sich der Vorteil, dass er auch sicher über einem
Verfahrweg s > τM bewegt
werden kann, weil er auch in Positionen mit Kraft-Nulldurchgang
eines Strangs eine Vorschubkraft liefert. Das Primärteil weist
dann eine erste Primärteilhälfte für einen
ersten der beiden Stränge
und eine zweite Primärteilhälfte für einen
zweiten der beiden Stränge
auf. Dabei können
die beiden Primärteilhälften mit
einem Abstand Δx
voneinander beabstandet sein und jeweils die gleiche Polteilung
wie das Sekundärteil
aufwei sen. Durch den Abstand Δx
wird vermieden, dass an gewissen Positionen keine Vorschubkraft
zu erhalten ist.
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Alternativ
können
die beiden Primärteilhälften auch
nicht voneinander beabstandet sein und die gleiche Polteilung aufweisen,
die sich jedoch von der Polteilung des Sekundärteils unterscheidet. Auch
hierdurch wird vermieden, dass an gewissen Stellen keine Vorschubkraft
auftritt.
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Die
vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen standardmäßigen Drei- Phasen-Synchronlinearmotor;
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2 ein
Schaltbild der Stränge
des Motors von 1;
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3 ein
Phasenstromdiagramm des Motors von 1;
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4 einen
Längsschnitt
durch einen Kurzhublinearmotor ge mäß einer ersten Ausführungsform;
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5 eine
Schaltung des Strangs des Motors von 4;
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6 ein
Phasenstromdiagramm des Motors von 4;
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7 einen
Längsschnitt
durch einen Kurzhublinearmotor ge mäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 einen
Längsschnitt
durch einen Kurzhublinearmotor in Doppelkamm-Anordnung,
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9 eine
Schaltung der Stränge
des Motors von 7;
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10 ein
Phasenstromdiagramm des Motors von 7;
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11 einen
Längsschnitt
durch einen Kurzhublinearmotor ge mäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 eine
Schaltung der Stränge
des Motors von 10 und
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13 ein
Phasenstromdiagramm des Motors von 10.
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Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung dar.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
das in 4 dargestellt ist, besitzt der erfindungsgemäße Kurzhublinearmotor
ein anderes Sekundarteil 11 als der Standardmotor von 1.
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Das
Primärteil
12 hingegen
ist gleich aufgebaut. Das Sekundarteil
11 mit den Magneten
14 auf
der Trägerplatte
13 besitzt
nun die gleiche Magnetteilung τ
M wie die Zahnteilung τ
Z des
Sekundarteils
12. Im Einzelnen besitzt der Kurzhublinearmotor
die Eigenschaften:
| Anzahl_Zähne: | NZ = 12 |
| Anzahl_Magnete_aktiv: | NM = 12 |
| Primärteillänge: | LFe = NZ·τZ |
| Zahnteilung: | τZ |
| Magnetteilung: | τM |
| Teilungsverhältnis: | τZ = τM |
| Strangzahl: | m
= 1 |
| Mittelpunkt_Y: | nicht
ausgeführt |
| Motorklemmen: | 2
(A1, A2) |
| max.
Betriebskraft: | ca.
173% Fnenn,3∼ |
| min.
Betriebskraft: | 0%
Fnenn,3∼ |
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Weiterhin
genügt
der Ein-Phasen-Kurzhublinearmotor in Zahnspulen-Technik den Bedingungen: τZ = τM LFe =
NZ·τM
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Das
Primärteil
besitzt lediglich einen einzigen Motorstrang zwischen den Klemmen
A1 und A2. Die entsprechende Beschaltung geht aus 5 hervor.
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In
dem Beispiel von 4 ist das Primärteil 12 aus
zwei Teilsträngen
a1 und a2 zusammengesetzt. Beide sind symbolisch mit einem Bügel 17 miteinander
verbunden, was elektrisch dem Verbindungspunkt von 5 entspricht.
Ansonsten entspricht der Aufbau des Primärteils mit seinen Zähnen 15 und
seinen Spulen 16 im Prinzip dem des Primärteils 2 von 1.
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Der
Kurzhublinearmotor gemäß 4,
bei dem die Magnetteilung τM exakt der Zahnteilung τZ entspricht
und bei dem die Motorwicklung ohne Mittelpunkt ausgeführt ist,
kann nur über
einen begrenzten Verfahrbereich Kraft erzeugen. Dieser maximale
Verfahrbereich smax entspricht der Magnetteilung τM.
Er ist durch zwei kraftlose Positionen („Kraft-Nulldurchgangspunkte") begrenzt. In diesen
Punkten kann durch die Wicklungsbestromung keine Kraft erzeugt werden.
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Der
Kurzhublinearmotor gemäß dieser
ersten Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass der mechanische Motoraufbau wie
bei einem standardmäßigen Drei-Phasen-Linearmotor
(gleiches Gehäuse
und gleiche Befestigung) gegeben ist und nur die Wicklung anders
beschaltet ist. So befinden sich alle Spulen der Motorwicklung gleichzeitig
in optimaler Lage zur Krafterzeugung, so dass eine effektivere Ausnutzung
des Stroms stattfinden kann. Damit wird die Zielsetzung erreicht,
dass bei gleichbleibender Verlustleistung eine höhere resultierende Nennkraft
als bei dem Drei-Phasen-Linearmotor erreicht werden kann. Allerdings
ist durch die Kraft-Nulldurchgangspunkte ein begrenzter Fahrbereich
vorgegeben. Dies ergibt sich aus 6, woraus ersichtlich
ist, dass in regelmäßigen Abständen bei
dem Kurzhublinearmotor mit der Strangzahl m = 1 (Δφel = 0° el.)
die Kraft in regelmäßigen Abständen Null
wird. Es stellt sich über
den Verfahrweg x also keine konstante Kraft ein, sondern es gilt:
Fmax(x) ≈ 1.73
Fnenn und Fmin(x)
= 0 Durch die erfindungsgemäße Anpassung
der Teilungen (τZ = τM) und die spezielle Schaltung der Wicklung
kann die erreichbare Motorkraft bis auf 173% der ursprünglichen
Nennkraft gesteigert werden. Dadurch ergibt sich eine deutliche
Verbesserung der Dynamik des Synchronlinearmotors.
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Eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kurzhublinearmotors
ist in 7 dargestellt. Das Sekundärteil 21 mit seiner
Trägerplatte 23 und
seinen Magneten 24 entspricht wiederum dem des Ausführungsbeispiels
von 1 mit dem Unterschied, dass die Anzahl der vom
Primärteil überdeckten
Magnete von 13 auf 12 reduziert wurde: NPM =
12. Das Primär teil 22 besitzt
zwei Teilstränge
a und b. Sie sind über
die Klemmen A und B sowie den Mittenabgriff Y entsprechend der Schaltung
von 8 miteinander verbunden. Die beiden den Teilsträngen a und
b entsprechenden Primärteilhälften 221 und 222 sind
mit einem Versatz Δx voneinander
beabstandet.
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Wie
bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
sind die Zähne 25 des
Primärteils 22 mit
Spulen 26 versehen.
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Im
Einzelnen weist der in
7 dargestellte Kurzhublinearmotor
folgende Daten auf:
| Anzahl_Zähne: | NZ = 12 |
| Anzahl_Magnete_aktiv: | NM = 12 |
| Primärteillänge: | LFe = NZ·τZ + Δx |
| Zahnteilung: | τZ |
| Magnetteilung: | τM |
| Teilungsverhältnis: | τZ = τM |
| Strangzahl: | m
= 2 (unsymmetrisch) |
| Mittelpunkt_Y: | ausgeführt |
| Motorklemmen: | 3
(A, Y, B) |
| max.
Betriebskraft: | ca.
165... 170% Fnenn,3∼ |
| min.
Betriebskraft: | ca.
35...50% Fnenn,3∼ |
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Im Übrigen ergeben
sich für
diesen zwei-phasigen Kurzhublinearmotor in Zahnspulen-Technik die
Bedingungen: τZ = τM LFe =
NZ·τM ± Δx; Δx << τM
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Der
Versatz Δx
entspricht einer kleinen Phasenverschiebung Δφel zwischen
den beiden Teilstrangwicklungen a und b. Dabei ist: 0° el. < Δφel << 90° el., z.
B. Δφel = 30° el.
Der Versatz Δx
kann auch dann erhalten werden, wenn die zwei Primärteilhälften 23, 24 aus
einem einteiligen Blechschnitt ausgeführt sind. Hierdurch ergibt
sich eine einfachere Befestigung.
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Bei
diesem Kurzhublinearmotor mit der Strangzahl m = 2 werden die beiden
Stränge
mit einer Phasenverschiebung von Δφel << 90° el. betrieben.
Dies führt
dazu, dass der Motor in jeder Position Kraft erzeugen kann, da der
Teilstrang a und/oder der Teilstrang b bestromt wird, wie 9 anschaulich
verdeutlicht. Es gibt keine kraftlose Position im gesamten Verfahrbereich,
weshalb sich der Kurzhubmotor über
einen Bereich minimaler Kraft (früherer „Kraft-Nulldurchgang") aus eigener Kraft
zu einem nächsten „regulären" Arbeitsbereich bewegen
kann. Dies ist beispielsweise für
die Bearbeitung von stufigen, unrunden Wellen notwendig. In den „regulären" Arbeitsbereichen
bzw. Arbeitspositionen werden beide Teilstränge a, b bestromt und somit
immer noch eine höhere
Motorkraft erzeugt als bei dem üblichen
Drei-Phasen-Linearmotor, weil durch diese kleine Phasenverschiebung
die Motorkraft nur geringfügig
vom Idealwert abweicht. So werden beispielsweise folgende Werte
erreicht: Fmax(X) ≈ 1.65Fnenn und
Fmin(X) ≈ 0.35Fnenn In vorteilhafter Weise ergibt sich für diesen
Motor also ein großer
Verfahrbereich ohne Kraft-Nulldurchgangspunkte. Der mechanische
Motoraufbau unterscheidet sich allerdings vom standardmäßigen Drei-Phasen-Linearmotor
aufgrund des Versatzes Δx
der beiden Primärteilhälften 23, 24.
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8 gibt
ein drittes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kurzhublinearmotors
im Längsschnitt
wieder. Dieser Kurzhublinearmotor ist in der bekannten „Doppelkamm-Anordnung" aufgebaut. Das Sekundärteil 31 ist
auf beiden Seiten der Trägerplatte 33 mit
Magneten 34 belegt und befindet sich zwischen den Primärteilhälften 321 und 322 des
Primärteils 32.
Die elektrische Beschaltung des Kurzhublinearmotors in Doppelkamm-Anordnung
entspricht exakt der des Kurzhublinearmotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
von 7. Der Kurzhublinearmotor in Doppelkamm-Anordnung
gemäß 8 besitzt
in vorteilhafter Weise einen sehr kompakten und massenarmen Aufbau
des Sekundärteils 32.
Ein weiterer Vorteil dieses Linearmotors ist die stark reduzierte,
resultierende Anziehungskraft zwischen Primärteil 32 und Sekundärteil 31.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kurzhublinearmotors
ist in 11 im Längsschnitt wiedergegeben.
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Wiederum
entspricht das Sekundärteil 41 dem
der vorhergehenden Motoren mit der Ausnahme, dass jetzt für das Teilungsverhältnis gilt: τZ ≠ τM.
Das Primärteil 42 besteht
zwar ebenfalls wie bei dem Motor nach 7 aus zwei
Primärteilhälften 421, 422 entsprechend
den Teilsträngen
a und b, aber die beiden Primärteilhälften 421, 422 sind
nicht voneinander beabstandet, d. h. Δx = 0. Jeder der Zähne 45 des
Primärteils 42 besitzt
eine spezielle Wicklung 46. Die Anschlüsse der Teilstrange a, b erfolgen
wie in dem Beispiel von 7 durch die Klemmen A, B, Y,
weshalb sich auch wieder die Beschaltung von
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9 ergibt.
Wesentlicher Unterschied zu dem Motor von 7 ist also,
dass die beiden Primärteilhälften 421, 422 ohne
Versatz angeordnet sind und darüber
hinaus eine ungleiche Teilung im Primär- und Sekundärteil vorliegt,
d. h. τZ ≠ τM.
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Im
Detail besitzt der in
11 dargestellte Motor also folgende
Merkmale:
| Anzahlzähne: | NZ = 12 |
| Anzahl_Magnete_aktiv: | NM
= 12 |
| Primärteillänge: | LFe = NZ·τZ |
| Zahnteilung: | τZ |
| Magnetteilung: | τM |
| Teilungsverhältnis: | τZ ≠ τM |
| Strangzahl: | m
= 2 (unsymmetrisch) |
| Mittelpunkt_Y: | ausgeführt |
| Motorklemmen: | 3
(A, Y, B) |
| max.
Betriebskraft: | ca.
165...170% Fnenn,3∼ |
| min.
Betriebskraft: | ca.
35...50% Fnenn,3∼ |
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Dieser
zwei-phasige Kurzhublinearmotor in Zahnspulen-Technik genügt den Bedingungen: τZ ≠ τM LFe = NZ·τM ± Δx; Δx << τM
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Da
die Bestromung wie in dem vorhergehenden Beispiel entsprechend 10 erfolgt
und eine Phasenverschiebung Δφel << 90° el. gegeben
ist, kann im gesamten Verfahrbereich Kraft erzeugt werden, indem der
Teilstrang a und/oder b bestromt wird. Eine kraftlose Position bzw.
ein „Kraft-Nulldurchgangspunkt" ist nicht gegeben.
Dieses dritte Ausführungsbeispiel
nutzt somit die Vorteile der beiden vorhergehenden Ausführungsbeispiele,
denn der Motor wird mit einer Phasenverschiebung zwischen zwei Teilsträngen a und
b realisiert. Damit ist wiederum die Voraussetzung gegeben, dass
Fmin > 0
ist und ein unbegrenzter Verfahrbereich erhalten werden kann. Die
Phasenverschiebung Δφel wird durch die ungleiche Teilung τZ ≠ τM erreicht,
womit die Schwerpunkte der Teilstränge a und b zueinander um Δx > 0 versetzt werden.
Dies ist gleichwertig mit dem diskreten Versatz der Blechpakete
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
Damit behält
das Primärteil 42 den
mechanischen Aufbau eines standardmäßigen Drei-Phasen-Linearmotors.
In besonders vorteilhafter Weise lässt sich mit diesem Ausführungsbeispiel
nicht nur ein großer
Verfahrbereich ohne Kraft-Nulldurchgangspunkte erreichen, sondern
es kann auch der mechanische Motoraufbau wie bei dem standardmäßigen Drei-Phasen-Linearmotor übernommen
werden.
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Das
ungleiche Teilungsverhältnis
(τZ ≠ τM)
kann zudem gezielt auf eine minimale störende Rastkraftwirkung optimiert
werden.
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In 12 ist
nur als Beispiel ein „echter" zweisträngiger Motor
mit Phasenverschiebung Δφel = 90° el. (vgl.
auch 13) schematisch dargestellt, um Unterschiede zu
Kurzhublinearmotor als „unechtem" zweisträngigen Motor
(o < Δφel << 90° el.) zu
verdeutlichen.
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Ein „echter" zweisträngiger Motor
(Δφel = 90° el.)
ist von der Kraftausnutzung vergleichbar mit einem dreisträngigen Motor
und bietet keine Kraftsteigerung bei Kurzhubanwendungen.