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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor und insbesondere
einen Steuermechanismus für
einen Linearmotor.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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In
den letzten Jahren wurden Linearmotoren immer häufiger auf verschiedenen Gebieten
verwendet. Zum Beispiel werden Linearmotoren in einer Werkzeugmaschine
zum Erhöhen
der Vorschubgeschwindigkeit zunehmend beliebter, auch um die Bearbeitungszeit
zu verkürzen,
und zum Entfernen von Spiel- und Biegefehlern auf Grund einer Kugelumlaufspindel
zum Verbessern der Bearbeitungsgenauigkeit. 3 stellt
ein Beispiel einer Struktur eines Abschnitts einer Werkzeugmaschine
dar, die einen Linearmotor verwendet. In 3 ist ein
Bett 10 ein fester Abschnitt des Werkzeugs und ein Stator 1 eines
Linearmotors ist an dem Bett 10 befestigt. Ein Tisch 11 ist über eine
nicht dargestellte Linearführung oder
dergleichen an dem Bett 10 befestigt und ist entlang der
horizontalen Richtung in 3 bewegbar. Ein Läufer 2 des
Linearmotors ist an einem unteren Abschnitt des Tisches 11 befestigt,
sodass zwischen dem Läufer 2 und
dem Stator 1 eine Schubwirkung erzeugt und der Tisch 11 angetrieben
wird. Normalerweise wird in einem Bearbeitungszentrum ein Bearbeitungsge genstand
bzw. ein Werkstück
auf einer oberen Oberfläche
des Tisches 11 angeordnet und die Bewegungsposition des
Bearbeitungsgegenstands gemäß einem
Bearbeitungsprogramm oder dergleichen gesteuert, um den Bearbeitungsgegenstand
unter Verwendung eines nicht dargestellten Werkzeugs zu einer vorbestimmten
Gestalt zu bearbeiten.
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In
diesen Werkzeugmaschinen, die Linearmotoren verwenden, ist auf Grund
der hohen Vorschubgeschwindigkeit ein Bremsabstand, während des
Nothalts des Vorschubs, z.B. im Falle einer Steuerabweichung, tendenziell
lang. Auf Grund dessen gibt es beim Auftreten einer Abweichung während einer
Bewegung mit hoher Geschwindigkeit an einem Abschnitt in der Nähe des Hubendes
des Vorschubmechanismus Fälle,
in welchen Unfälle
derart auftreten, dass der bewegliche Abschnitt mit dem fixierten Abschnitt
des Werkzeugs kollidiert und die Werkzeugstruktur beschädigt wird.
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Zum
Verhindern derartiger Unfälle
sind Werkzeugmaschinen des Stands der Technik, die Linearmotoren
verwenden, zum Abschwächen
der Stoßwirkung
auf Grund der Kollision, typischerweise durch Bereitstellen eines
Stoßdämpfers 12 an
einem Hubende, wie in 3 dargestellt, ausgeführt. Beispiele
für die
Stoßdämpfer 12 umfassen
einen Stoßdämpfer unter
Verwendung eines Fluidwiderstands eines Hydraulikfluids, das im
Stoßdämpfer umschlossen
ist, oder einen Stoßdämpfer, der
elastische Verformung oder ein Harzmaterial wie Kautschuk verwendet.
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Es
gibt ein weiteres allgemeines Verfahren, wie in 4 dargestellt,
in welchem ein Endschalter 13 am Hubende vorgesehen ist
und der Endschalter mechanisch betätigt wird, wenn sich der bewegbare Abschnitt über einen
effektiven bewegbaren Bereich bewegt. Wird der Endschalter betätigt, blockiert
ein Kontakt 14 einen zu einer Antriebswindung unter Verwendung
eines Schaltkreises zuzuführenden
Strom und schließt
ein Kontakt 15 gleichzeitig die Antriebswicklung kurz,
sodass eine dynamische Bremse aktiviert und der Läufer 2 gebremst
und gestoppt wird. Die Kontakte 14 und 15 sind
unter Verwendung von Relais und Magnetleitern gebildet und werden
durch eine Spule 16, die in Reihe mit dem Endschalter 13 verbunden
ist, gesteuert, um geöffnet
und ge schlossen zu werden. Ein Wechselrichter 17 führt Strom
zu einer Antriebswicklung, die im Läufer 2 eingebaut ist.
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Zudem
gibt es auch ein typisches Verfahren, in welchem ein Bremsmechanismus
unter Verwendung von Reibung zusammen mit dem Linearmotor vorgesehen
ist. Durch Aktivierung des Bremsmechanismus mit einem Endschalter,
wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, den bewegbaren Abschnitt automatisch
zu bremsen und zu stoppen, wenn sich der bewegbare Abschnitt über den
effektiven bewegbaren Bereich bewegt.
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Diese
Verfahren und Vorrichtungen des Stands der Technik sind z.B. in
der veröffentlichten japanischen
Patentanmeldung Nr. Hei 9-151048 und der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr.
Hei 8-251904 beschrieben.
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Wird
ein Stoßdämpfer in
einer Werkzeugmaschine, die einen Linearmotor verwendet, zum Verhindern
einer Kollision des bewegbaren Abschnitts des Werkzeugs mit dem
festen Abschnitt verwendet, muss ein großer Stoßdämpfer mit einem ausreichenden
Bremsvermögen
verwendet werden, und folglich wird die Größe der Werkzeugstruktur groß. Zudem besteht
auch das Problem, dass die Kosten des Stoßdämpfers selbst höher werden.
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In
einem wie in 4 dargestellten
Verfahren, in welchem die Antriebswicklung zum Aktivieren einer
dynamischen Bremse kurzgeschlossen ist, kann die Betriebsverzögerungszeit
des Relais oder dergleichen, das ein Abschnitt des Kontakts 15 ist, problematisch
sein. Insbesondere wird die Bremskraft nicht erzeugt, solange der
Kontakt 15 EIN geschaltet ist, und folglich bewegt sich
der bewegbare Abschnitt durch die Massenträgheit weiter. Zudem bestehen
auch Probleme mit der Zuverlässigkeit
des Betriebs der Kontakte 14 und 15. Wenn die
leitenden Abschnitte der Kontakte auf Grund von Dauerverwendung
verschlissen sind, kann keine ausreichende Bremskraft erzielt werden.
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Außerdem kann
in einer Struktur unter Verwendung eines Reibung verwendenden Bremsmechanismus
die Reibung des Bremsmechanismus problematisch sein. Das heißt, wenn
eine Kontaktoberfläche
der Bremse auf Grund von Dauerverwendung verschlissen ist, kann
keine ausreichende Bremskraft mehr erzielt werden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, als eine Struktur zum
Verhindern von Kollision eines bewegbaren Abschnitts mit einem Hubende
in einem Linearmotor auf Grund von Steuerabweichungen oder dergleichen,
eine Bremsfunktion mit einer einfachen Struktur, niedrigen Kosten
und einer hohen Zuverlässigkeit
zu realisieren, in welcher ein Verschleißabschnitt wie ein Relaiskontakt
oder Bremsbacken eliminiert ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Zum
Erzielen von zumindest einer vorstehend beschriebenen Aufgabe ist
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Linearmotor bereitgestellt,
mit einem Stator mit mehreren auf der festen Seite mit einem vorbestimmten
Abstand dazwischen angeordneten Zähnen, ein Läufer mit Zähnen auf der beweglichen Seite,
um die eine Antriebswicklung, an die ein Antriebsstrom angelegt
wird, gewunden ist, und mehrere Permanentmagneten, die magnetische
Pole bilden, die mit einer den Zähnen auf
der festen Seite entsprechenden Periode umpolen, und ein Bremsmechanismus,
der den Antrieb des in einem Bereich außerhalb eines effektiven bewegbaren
Bereichs eintretenden Läufer
blockiert, wobei der Bremsmechanismus außerhalb des effektiven bewegbaren
Bereichs vorgesehen ist und einen oder mehrere Bremszähne, um
die eine Bremswicklung gewickelt ist, aufweist.
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Gemäß dem Linearmotor
der vorliegenden Erfindung wird eine Bremsfunktion durch Bereitstellen
von Bremszähnen
außerhalb
des effektiven bewegbaren Bereichs, um die eine Bremswicklung gewickelt
ist, realisiert. Aus diesem Grund ist eine spezielle Bremsvorrichtung
wie ein Stoßdämpfer nicht nötig, und
folglich kann die Werkzeugstruktur und die Größe der Werkzeugstruktur und
die Kosten reduziert werden.
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Außerdem weist
der erfindungsgemäße Linearmotor
eine Struktur auf, in der nur die Bremszähne, um die eine Bremswicklung
gewickelt ist, zusätzlich
bereitgestellt sind. Da kein Schaltkreis, wie ein Relais, an die
Bremswicklung angeschlossen werden muss, kann eine hohe Zuverlässigkeit
sichergestellt werden. Zudem kann, da es auf Grund der Betätigungsverzögerungszeit
des Kontakts keine Freilaufzeit gibt, der Bremsweg minimiert werden.
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Außerdem gibt
es im Linearmotor der vorliegenden Erfindung, da eine Bremskraft
durch einen elektrischen Erzeugungsbetrieb erzeugt wird, verursacht
durch Passieren des bzw. der am Läufer vorgesehenen Permanentmagneten über die
Bremswicklung, keinen Verschleißabschnitt,
und eine zuverlässige
Bremskraft kann für
eine lange Zeitdauer aufrechterhalten werden.
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Zudem
kann im Linearmotor der vorliegenden Erfindung, da die Bremskraft
durch Ändern
des Schaltungswiderstands der Bremswicklung variiert werden kann,
die Bremskraft gemäß der Bewegungsposition
des Läufers
beliebig eingestellt werden. Zum Beispiel ist es durch Einstellen
des Widerstands der Bremswicklung in der Nähe des effektiven bewegbaren
Bereichs auf hoch und des Widerstands der Bremswicklung auf kleiner,
wenn der Abstand vom effektiven bewegbaren Bereich erhöht ist,
möglich
die Stoßwirkung
bei Beginn der Bremsung zu reduzieren, um dadurch sanftes Bremsen
und Stoppen zu realisieren.
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KURZE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die Zeichnungen detailliert
beschrieben, wobei:
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1 eine
Außenansicht
eines Linearmotors gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Linearmotors gemäß einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
Strukturdarstellung eines Tischabschnitts einer Werkzeugmaschine
ist, die einen Linearmotor gemäß dem Stand
der Technik verwendet; und
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4 ein
Diagramm ist, das eine Beispielschaltung darstellt, wenn eine dynamische
Bremse unter Verwendung eines Relais in einem Linearmotor gemäß dem Stand
der Technik konstruiert ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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(Erste bevorzugte Ausführungsform)
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1 ist
eine Außenansicht
eines Stators und eines Läufers
von einem zum Realisieren der vorliegenden Erfindung bevorzugten
Linearmotor. Ein Stator 1 ist unter Verwendung eines magnetischen
Materials, wie z.B. eines Siliciumstahlblechs, konstruiert, und
Zähne 3 mit
Vorsprüngen
und Vertiefungen sind an einer Oberfläche des Stators 1 gegenüber einem
Läufer 2 vorgesehen.
Der Läufer 2 weist eine
Struktur mit einem unter Verwendung eines magnetischen Materials,
wie eines Siliciumstahlblechs, konstruierten Körper und einen Permanentmagnet 4 auf,
der an einer Oberfläche
des Körpers
gegenüber dem
Stator 1 angebracht ist. Eine Antriebswicklung 5 mit
drei Phasen ist um mehrere Magnete 4 gewickelt. Eine Grundstruktur,
die die Basis des Linearmotors der vorliegenden Erfindung bildet,
ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-137140 beschrieben.
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Die
Enden des Stators 1 in 1 sind Bremsbereiche
und eine Bremswicklung 6 ist in diesen Bereichen um jeden
der Zähne 3 gewickelt.
Mehrere Bremswicklungen 6 sind mit Widerständen 8 (8a, 8b und 8c) über Schalter 7 verbunden
und bilden voneinander unabhängige
Schaltkreise. Der Kontakt des Schalters 7 ist normalerweise
geschlossen und wird nur geöffnet,
wenn eine wie nachstehend beschriebene Bremsung zu realisieren ist.
Alternativ dazu ist es möglich,
den Widerstand 8 durch den Leitungswiderstand der Bremswicklung 6 zu
ersetzen, so dass der Widerstand 8 folglich weggelassen
werden kann.
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In 1 wird,
wenn der Läufer 2 in
einem effektiven bewegbaren Bereich ist, der der Bremswicklung 5 zuzuführende Strom
derart gesteuert, dass die Schubwirkung, Geschwindigkeit, usw. des
Linearmotors gesteuert werden. Der Bremsbereich ist ein Bereich,
der im Hinblick auf die Steuerung nicht verwendet wird, und der
Läufer 2 bewegt
sich, wenn die Steuerung normal ist, nur innerhalb des effektiven bewegbaren
Bereichs. Tritt jedoch eine Abweichung in der Steuerung auf, insbesondere
wenn eine Steuerungsabweichung während
einer Bewegung mit hoher Geschwindigkeit, in einem Abschnitt innerhalb des
effektiven bewegbaren Be reichs, in der Nähe des Hubendes auftritt, bewegt
sich der Läufer 2 auf Grund
der Massenträgheit
mit hoher Geschwindigkeit in den Bremsbereich.
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Bewegt
sich der Läufer 2 auf
Grund des Auftretens einer derartigen Abweichung in den Bremsbereich,
wird an den Zähnen
im Bremsbereichsabschnitt durch den Permanentmagnet 4 ein
magnetischer Fluss erzeugt. Die Änderung
im Magnetfluss bewirkt wiederum, dass in der Bremswicklung 6 eine induzierte
Spannung erzeugt wird und Strom durch den Widerstand 8 fließt. Da der
Strom eine Schubwirkung in eine Richtung entgegen der Bewegungsrichtung
des Läufers 2 erzeugt,
wirkt die induzierte Spannung als dynamische Bremse. Da der Strom
durch eine Beziehung zwischen dem Widerstandswert des Widerstands 8 und
der induzierten Spannung bestimmt wird, kann die Bremskraft durch
Variieren des Widerstandswerts unter den mehreren Bremswicklungen 6 eingestellt
werden. Zum Beispiel ist es durch Einstellen des Widerstandswerts
des Widerstands 8a auf einen hohen Wert und anschließendes Reduzieren
des Widerstandwerts für
die Widerstände 8b und 8c in
dieser Reihenfolge in 1, möglich, das System so zu konfigurieren,
um eine schwache Bremskraft sofort nach dem Eintreten des Läufers 2 in
den Bremsbereich, d.h. während
des Starts der Bremsung, auszuüben,
und eine stärkere
Bremskraft auszuüben,
wenn sich der Läufer 2 weiter
abseits bzw. weiter weg vom effektiven bewegbaren Bereich bewegt.
Durch Einstellen der Bremskraft in dieser Weise kann eine sanfte
Bremskraft erhalten und die Stoßwirkung,
die während
des Bremsens und Stoppens des Läufers 2 erzeugt
wird, reduziert werden.
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Als
nächstes
wird eine Funktion des Schalters 7 beschrieben. Muss die
Maschine in den normalen Zustand zurückgebracht bzw. zurückversetzt
werden, nachdem der Läufer 2 in
den Bremsbereich eintritt und stoppt, und die Ursache der Steuerabweichung
beseitigt ist, wird der Schalter 7 geöffnet, sodass kein Strom durch
die Bremswicklung 6 fließt. Hier wird keine Bremskraft
erzeugt, und die Bremse ist gelöst,
und der Läufer 2 kann
folglich leicht bewegt werden. Zudem ist es an diesem Punkt auch
möglich, durch
die Antriebswicklung 5 Strom zuzuführen, um den Läufer 2 zu
steuern und zu bewegen.
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In
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist ein Linearmotor
mit einer Struktur, in welcher ein Permanentmagnet an einer Oberfläche des
Läufers
angebracht ist, veranschaulicht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch
nicht auf derartige Konfigurationen beschränkt, und die gleiche Struktur kann
z.B. zum Realisieren von ähnlichen
Wirkungen und Vorteilen in einem Linearmotor angewandt werden, in
welchem ein Permanentmagnet in einem Läuferkern bereitgestellt ist,
wie es z.B. in der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 11-089298
beschrieben ist.
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(Zweite bevorzugte Ausführungsform)
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines Stators und eines Läufers eines
Linearmotors gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Stator 1 und der Läufer 2 sind
mit denjenigen, die in 1 dargestellt sind, identisch
und werden nicht erneut beschrieben. In der zweiten bevorzugten
Ausführungsform
ist ein Stator 9 mit einer anderen Gestalt als diejenige
im effektiven bewegbaren Bereich, in einem Bremsbereich angeordnet.
Durch Bereitstellen separater Statoren, einschließlich des
Stators 1 im effektiven bewegbaren Bereich und des Bremsstators 9,
ist es möglich,
den Bremsstator 9 speziell zum Erzeugen der Bremskraft
optimal zu gestalten. Insbesondere ist in der in 1 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform,
obwohl hier ein Vorteil besteht, dass der Zusammenbau leicht ist,
da der Stator im Bremsbereich und der Stator im effektiven bewegbaren
Bereich geteilt sind, die Form des Stators im Bremsbereich zum Erhalt
einer Bremskraft noch optimaler gestaltbar. Der Bremsstator 9 in 2 kann
andererseits in einer speziellen Gestalt zum Bremsen ausgeführt sein,
die Vorteile aufweist, wie z.B. dass die Packdichte der Bremswicklung 6 erhöht und eine
große
Bremskraft erhalten werden kann. Zum Beispiel können hierfür die Bremsstatorpakete dichter
in Verschieberichtungen des Läufers 2 angeordnet
sein, so dass der magnetische Fluss in Richtung der Permanentmagneten 4 des
Läufers
im Bremsbereich erhöht werden
kann.
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Die
Erfindung schafft daher folgende Verbesserung.
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Ein
Linearmotor mit einer stärker
bevorzugten Bremsfunktion wird bei niedrigen Kosten realisiert.
Ein Linearmotor weist einen Läufer
(2) und einen Stator (1) auf. Eine Antriebswicklung
ist um den Läufer
(2) gewickelt. Mehrere magnetische Pole bildende Permanentmagnete
(4), die sich mit einer vorbestimmten Periode umpolen,
sind an einer Oberfläche
des Läufers
(2) gegenüber
dem Stator (1) vorgesehen. Zähne (3) sind am Stator
(1) mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen ausgebildet.
Der Stator (1) erstreckt sich zu einem Bereich außerhalb
eines effektiven bewegbaren Bereichs, und im verlängerten
Abschnitt ist eine Bremswicklung (6) um den Zahn (3)
gewickelt. Bewegt sich der Läufer
(2) in einen Bereich außerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs,
wird eine induzierte Spannung in der Bremswicklung (6)
erzeugt, und es fließt
Strom. Eine Schub- bzw. Bremswirkung wird durch den Strom in eine
der Bewegungsrichtung des Läufers
(2) entgegengesetzte Richtung erzeugt.