DE102010023094A1

DE102010023094A1 - Can-Stack-Linearantrieb

Info

Publication number: DE102010023094A1
Application number: DE102010023094A
Authority: DE
Inventors: Ryan Conn. Jump
Original assignee: Tritex Corp
Current assignee: Tritex Corp
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-08-18
Also published as: US20100308671A1; US7969048B2

Abstract

Eine Linearantrieb-Motorausgestaltung, die eine Rotoranordnung, die einen durch eine Vielzahl von Öffnungen in eine nicht magnetische Hülse gegossenen Einsatz aufweist, der durch mindestens eine Öffnung, die entlang der Länge der nicht magnetischen Hülse angeordnet ist und die mindestens einem Ansatz entspricht, der durch das gegossene Material des Einsatzes gebildet wird, daran gehindert wird, sich in der nicht magnetischen Hülse zu drehen, und eine Statoranordnung enthält, die eine Vielzahl von symmetrischen und austauschbaren magnetischen Polplatten aufweist. Jede der Vielzahl von magnetischen Polplatten weist einen im Wesentlichen ebenen Plattenabschnitt mit einer zentralen Öffnung darin und eine Vielzahl von Klauen auf, die sich von der zentralen Öffnung und im Wesentlichen senkrecht zu dem Plattenabschnitt erstrecken. Die Klauen der Vielzahl von magnetischen Polplatten erzeugen eine Öffnung, die dimensioniert ist, um in dieser die Rotoranordnung aufzunehmen. Ein nicht leitendes Material ist über die Vielzahl von magnetischen Polplatten gegossen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbesserungen bei Motoren, einschließlich Gleichstrom-Schrittmotoren.
Hintergrund der Erfindung
Ein Linearantrieb bzw. linearer Aktuator oder Linear-Stellantrieb (linear actuator) ist eine Vorrichtung, die verwendet wird, um einen Vorgang entlang eines linearen Weges durchzuführen. In einer Konfiguration wird eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umgesetzt, indem eine Bewegungsschraube bzw. Leitspindel durch einen mit einem Gewinde versehenen Rotor eines Dreh-Elektromotors geführt wird.
Ein Can-Stack-Linearantrieb (can stack linear actuator bzw. Linearantrieb in der Form zusammengesetzter Dosen) ist eine bestimmte Art von Motor, der elektrische Energie in eine präzise und wiederholbare Drehbewegung umwandelt. Eine Umwandlung dieser Drehbewegung in eine lineare Bewegung kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Der einfachste Weg umfasst eine externe Linearmotorausgestaltung, in der eine Bewegungsschraube starr an dem Rotor befestigt ist und bei einer Drehung des Rotors eine lineare Mutter, die in Bezug auf den Motor extern ist, die Bewegungsschraube überfährt. Ein anderer Weg besteht darin, eine Ausgestaltung mit nicht gefangenem Motor (non-captive motor) zu verwenden, die diese Drehbewegung unter Verwendung von einem Gewinde umwandelt, das zentral in dem Rotor angeordnet ist. Wenn sich der Rotor dreht und die Bewegungsschraube unter Verwendung einer externen Mutter von einer Drehung abgehalten wird, zieht sie sich in Abhängigkeit von der Rotorrichtung zurück oder fährt aus. In ähnlicher Weise verwendet die Ausgestaltung mit gefangenem Motor (captive motor) eine Bewegungsschrauben- und Wellenanordnung bzw. Bewegungsschrauben- und Stangenanordnung, die an einem Ritzel befestigt ist, das die Bewegungsschraube unter Verwendung einer spezifischen Hülse an einer Drehung hindert und in Bezug auf den Motor intern ist. Beispiele dieser Art von Motorausgestaltung sind zum Beispiel in dem U.S.-Patent Nr. 6,774,517 von Kowalski et al. und in dem U.S.-Patent 6,603,229 von Toye, IV, zu finden, wobei der Gegenstand von jedem dieser Dokumente hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt Verbesserungen, die für eine Ausgestaltung mit gefangenem Motor geeignet sind, aber die auch für alle Can-Stack-Ausgestaltungen praktikabel sind. Darüber hinaus beschreibt die vorliegende Erfindung diese Verbesserungen in ihrer Anwendung auf Gleichstrom-Schrittmotoren, aber sie sind auch für andere Arten von Gleichstrommotoren geeignet.
Derzeitige Can-Stack-Motor-Ausgestaltungen haben große Probleme in Bezug auf Aufsummierungen von Toleranzen und Rundlauf bzw. Konzentrizität. Unabhängig von der Steuerung bzw. Kontrolle in Bezug auf den Prozess oder der Genauigkeit der Werkzeuge ist es schwierig, Teile mit identischen Abmessungen zu erzeugen. Wenn ein Can-Stack-Motor ausgestaltet bzw. entworfen wird, findet ein Kompromiss zwischen Kosten und Toleranzgenauigkeit über mehrere Teile statt. Es ist daher notwendig, diese Toleranzen in den Nennabmessungen jedes Teils auszugleichen, um einen Sicherheitsfaktor in der endgültigen Anordnung zu gewinnen.
1 zeigt einen Querschnitt einer typischen Can-Stack-Ausgestaltung des Standes der Technik. Ein Gleitlager 12, das einen inneren Lagerdurchmesser 14 und einen äußeren Lagerdurchmesser 16 aufweist, wird an einer vorderen Hülse 10 an Ort und Stelle gehalten. Eine Welle bzw. Stange (nicht gezeigt) ist in der vorderen Hülse 10 eingeschlossen und erstreckt sich durch deren Länge und in das Innere der Rotoranordnung 20. Das Gleitlager 12 ist in einem radialen Zwischenraum zwischen der vorderen Hülse 10 und der Rotoranordnung 20 untergebracht. Um die magnetische Rotoranordnung 20 sind Polplatten 22 angeordnet. Letztlich muss die Ausgestaltung geeignete Abstände zwischen dem äußeren Durchmesser der Rotoranordnung 20 und dem inneren Durchmesser der Polplatten 22 gewährleisten, um eine störende Beeinflussung zwischen ihnen zu vermeiden. Der resultierende Luftspalt zwischen dem inneren Durchmesser der Polplatten 22 und dem äußeren Durchmesser der Rotoranordnung 20 kann auch recht groß sein. Es ist äußerst wünschenswert, diesen Luftspalt zu steuern bzw. zu kontrollieren, indem der Luftspalt so weit wie möglich minimiert wird, um ein besseres Magnetfeld zu erzeugen und somit mehr Drehmoment zu erzeugen.
Wie in 2 zu sehen ist, weist die Rotoranordnung 20 darüber hinaus typischerweise einen Kunststoffeinsatz 30 auf, der im Inneren des Magneten 32 gegossen bzw. geformt wird. Die Konzentrizität zwischen dem äußeren Durchmesser des Magneten, den inneren Gewindegängen (nicht gezeigt) und den Lagerzapfen 34 kann während des Gieß- bzw. Formverfahrens gesteuert werden. Der gegossene Einsatz 30 weist an jedem Ende Lagerzapfen 34 auf, die den inneren Durchmesser der Lager annehmen. Um die Toleranzaufsummierung so niedrig wie möglich zu halten, muss an dem äußeren Durchmesser des gegossenen bzw. geformten Lagerzapfens eine enge Toleranz eingehalten werden, was die Stückpreiskosten und die Komplexität der Werkzeuge erhöht. Darüber hinaus muss der innere Durchmesser des Lagers geschliffen werden, um die Toleranzsumme zu minimieren, was ebenfalls zu den Kosten des Lagers beiträgt. Der Motor weist zwei separate Hülsen vorne und hinten auf, die gegossene bzw. geformte Lagertaschen haben. Der Durchmesser der Lagertaschen muss bei einer engen Toleranz gehalten werden, um eine geeignete Ausrichtung zwischen der vorderen Hülse, der hinteren Hülse, den Lagern und dem Rotor zu gewährleisten. Zusätzlich zu den Lagertaschen enthalten die Hülsen den Spulenkörper, auf den der Motordraht aufgewickelt wird. Dies erzeugt wieder mehrere Teile, die hohe Kosten und komplexes Werkzeug haben.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Can-Stack-Linearantrieb-Ausgestaltung bereitzustellen, die eine Rotoranordnung enthält, die ein inneres Anti-Rotations-Merkmal aufweist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Can-Stack-Ausgestaltung bereitzustellen, die den Luftspalt zwischen dem inneren Durchmesser der Polplatten des Stators und dem äußeren Durchmesser des Rotors präziser steuern bzw. kontrollieren kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Can-Stack-Linearantrieb-Motorausgestaltung bereitzustellen, die einen Luftspalt zwischen einem inneren Durchmesser der Statoranordnung und einem äußeren Durchmesser der Rotoranordnung verringert, um die Drehmomentabgabe des Motors zu erhöhen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Gesamtzahl von Teilen, die zur Montage des Linearantriebs benötigt werden, sowie die Kosten von Werkzeug zu verringern.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Ausrichtungsprobleme von verschiedenen Teilen des Linearantrieb-Motors zu lösen.
In Hinblick darauf bezieht sich die vorliegende Erfindung allgemein auf eine Rotoranordnung zur Verwendung in einer Motoranordnung, wobei die Rotoranordnung aufweist:

a) eine nicht magnetische Hülse, die in ihr einen gegossenen bzw. geformten Einsatz ausgebildet hat, und
b) ein gegossenes bzw. geformtes magnetisches Material, das über der nicht magnetischen Hülse angeordnet ist,

Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auch allgemein auf eine Statoranordnung, die dimensioniert ist, um die Rotoranordnung in ihr aufzunehmen, wobei die Statoranordnung aufweist:

(a) eine Vielzahl von magnetischen Polplatten, wobei die Vielzahl von magnetischen Polplatten einen im Wesentlichen ebenen Plattenabschnitt mit einer zentralen Öffnung darin und eine Vielzahl von Klauen bzw. Zungen oder zinkenförmige Vorsprünge aufweist, die sich von der zentralen Öffnung und im Wesentlichen senkrecht zu dem Plattenabschnitt erstrecken, wobei die Vielzahl von magnetischen Polen aufweist:
i) zwei innere Polplatten, die mit ihren jeweiligen Plattenabschnitten benachbart bzw. in der Nähe zueinander und mit ihrer jeweiligen Vielzahl von Klauen von einander nach außen weisend angeordnet sind,
ii) zwei äußere Polplatten, die auf jeder Seite der zwei inneren Polplatten angeordnet sind, wobei die entsprechenden äußeren Polplatten ihre jeweilige Vielzahl von Klauen nach innen in Richtung auf die Klauen der zwei inneren Polplatten weisend haben, und
(b) ein nicht leitendes Material, das über die Vielzahl von magnetischen Polplatten gegossen bzw. geformt ist,

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren Bezug genommen, in denen:
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Can-Stack-Ausgestaltung des Standes der Technik.
2 zeigt eine Ansicht einer Rotoranordnung des Standes der Technik.
3 zeigt eine Ansicht einer Can-Stack-Rotoranordnung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Ansicht von einer Rotoranordnung und Lagern gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Ansicht einer Can-Stack-Statoranordnung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt die Vielzahl von Polplatten der Statoranordnung der vorliegenden Erfindung ohne die nicht leitende Überschicht bzw. den nicht leitenden Überzug.
7 zeigt eine der vier identischen Polplatten, die in der Statoranordnung der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
8 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer Can-Stack-Motoranordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
9 zeigt eine Querschnittansicht der Can-Stack-Motoranordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
Obwohl es ein kann, dass nicht alle Elemente in jeder Figur beschriftet sind, bezeichnen außerdem alle Elemente mit demselben Bezugszeichen ähnliche oder identische Teile.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbesserungen bei Can-Stack-Motor-Ausgestaltungen, die eine verbesserte Rotorausgestaltung mit einem internen Anti-Rotations-Merkmal sowie eine verbesserte Statorausgestaltung aufweisen. Die hierin beschriebene Motorausgestaltung verringert auch die Toleranzaufsummierung, was eine Verringerung in dem Luftspalt zwischen einem inneren Durchmesser der Statoranordnung und einem äußeren Durchmesser der Rotoranordnung ermöglicht, was ein besseres Magnetfeld erzeugt und das Drehmoment erhöht, das von dem Motor erzeugt wird.
Magnetmaterial spielt bei der Drehmomentabgabe eine wichtige Rolle, und Seltenerd-Magnetmaterialien können bei der hierin beschriebenen Motorausgestaltung verwendet werden, um ein viel stärkeres Produkt bei einem Bruchteil der Größe zu erzeugen. Diese neuen Materialien machen es möglich, die Dicke des Magneten zu verringern und die Rotorgröße zu optimieren, was neue Ausgestaltungsmöglichkeiten zur Verbesserung der internen Komponenten und der Konstruktion des Motors erzeugt.
In einer Ausführungsform weist die Rotoranordnung der Erfindung auf:

a) eine nicht magnetische Hülse, die einen gegossenen bzw. geformten Einsatz aufweist, der in ihr ausgebildet ist, und
b) ein gegossenes bzw. geformtes magnetisches Material, das über der nicht magnetischen Hülse angeordnet ist,

Die 3 und 4 stellen eine Rotoranordnung 70 dar, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die Rotoranordnung 70 weist einen gegossenen bzw. geformten Einsatz 71 auf, der ein Gewinde bzw. Gewindegänge 72 hat, wobei der Einsatz in eine nicht magnetische Hülse 74 spritzgegossen ist, die dann durch ein Anti-Rotations-Merkmal an einer Bewegung gehindert wird, das in einer Ausführungsform mindestens einen Ansatz bzw. Vorsprung 73 aufweist, der mit dem gegossenen Einsatz 71 gegossen ist und somit ausgebildet wird, wenn der Einsatz 71 in die nicht magnetische Hülse 74 gegossen wird. Der mindestens eine Ansatz bzw. Vorsprung 73 füllt die mindestens eine Öffnung 75 in der nicht magnetischen Hülse 74.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die nicht magnetische Hülse 74 eine Aluminiumhülse. Andere nicht magnetische Materialien zur Herstellung der Hülse würden dem Fachmann ebenfalls bekannt sein und sind in der Praxis der Erfindung verwendbar.
Der gegossene Einsatz 71 der Rotoranordnung 70 weist typischerweise ein polymeres, elastomeres oder Kunststoffmaterial auf. Der gegossene Einsatz 71 weist auch in diesem ausgebildete Gewindegänge 72 auf, wobei die Gewindegänge 72 während des Gießprozesses gebildet werden. Alternativ können die Gewindegänge bzw. kann das Gewinde durch nachträgliche Bearbeitung hergestellt werden. Es ist jedoch allgemein bevorzugt, die Gewindegänge bzw. das Gewinde während des Gießprozesses auszubilden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der gegossene bzw. geformte Magnet 78, der über der Aluminiumhülse 74 der Rotoranordnung 70 angeordnet ist, ein Seltenerd-Magnetmaterial auf, das dann auf den äußeren Durchmesser der Aluminiumhülse formgepresst oder geklebt bzw. mit diesem verbunden wird, was die vollständige Rotoranordnung erzeugt. Beispiele für magnetische Seltenerdmaterialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, umfassen Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), Samarium-Kobalt (SmCo), keramisches Material und Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo). NdFeB-Material ist bevorzugt. Der Vorteil der Verwendung dieser magnetischen Seltenerdmaterialien ist das höhere BH_max, das erzeugt werden kann, einschließlich eines BH_max von 9,5 bis 10,5 MGOe im Vergleich zu herkömmlichen magnetischen Materialien, die nur 2 bis 4 MGOe erzeugen können. BH_max (maximales Energieprodukt) ist definiert als die magnetische Feldstärke an dem Punkt des maximalen Energieproduktes eines magnetischen Materials, und die Feldstärke eines vollständig gesättigten magnetischen Materials gemessen in Mega-Gauss-Oersted (MGOe).
Es gibt vier Klassen von modernen, kommerziell erhältlichen Magneten, von denen jede auf ihrer Materialzusammensetzung basiert. Innerhalb jeder Klasse gibt es eine Familie von Güten mit ihren eigenen magnetischen Eigenschaften. NdFeB und SmCo sind insgesamt als Seltenerdmagnete bekannt, weil sie beide aus Materialien aus der Seltenerdgruppe von Elementen zusammengesetzt sind. Neodym-Eisen-Bor (allgemeine Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B, häufig abgekürzt zu NdFeB) ist die jüngste kommerzielle Hinzufügung zu der Familie von modernen magnetischen Materialien.
Bei Raumtemperaturen zeigen NdFeB-Magnete die höchsten Eigenschaften aller Magnetmaterialien. Samarium-Kobalt wird in zwei Zusammensetzungen hergestellt: Sm₁CO₅ und Sm₂Co₁₇ – häufig als die SmCo-1:5 – oder SmCo-2:17-Typen bezeichnet. 2:17-Typen, mit höheren Hci-Werten, weisen eine größere inhärente Stabilität als die 1:5-Typen auf. Keramische Magnete (allgemeine Zusammensetzung BaFe₂O₃ oder SrFe₂O₃), die auch als Ferritmagnete bekannt sind, sind seit den 1950ern kommerzialisiert worden und werden heute aufgrund ihrer niedrigen Kosten weiterhin umfangreich verwendet. Eine spezielle Form von keramischem Magnet ist „flexibles” Material, das hergestellt wird, indem keramisches Pulver in einem flexiblen Bindemittel gebunden wird. Alnico-Magnete (allgemeine Zusammensetzung Al-Ni-Co) wurden in den 1930ern kommerzialisiert und werden heute noch umfangreich verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Permanentmagnetmaterial der Erfindung Neodym-Eisen-Bor auf.
Weil das gegossene bzw. geformte Gewinde bzw. die gegossenen bzw. geformten Gewindegänge 72 präzise in der Mitte des Motors angeordnet sein muss bzw. müssen, benötigt die Aluminiumhülse 74 darüber hinaus einen genauen inneren Durchmesser. 4 zeigt Lager 84 und 86, die eine ausgedehnte innere Lauffläche bzw. Laufbahn 88 aufweisen, die durch Schieben in den präzisen inneren Durchmesser der Aluminiumhülse 74 der Rotoranordnung eingepasst werden kann. Auch wenn diese Lager spezifisch sind, können sie dennoch kosteneffizienter als die gegenwärtigen Can-Stack-Lager sein, weil sie nur einen bearbeiteten inneren Durchmesser benötigen, der nicht auch präzisionsgeschliffen werden muss. In der Konstruktion der vorliegenden Erfindung ist der innere Durchmesser des Lagers ein Zwischenraumdurchmesser, der in der Anordnung des Motors keine funktionale Anwendung bzw. Verwendung hat.
Auch aus diesem Grunde kann der kostspielige Schleifvorgang des inneren Durchmessers unter Inkaufnahme des begrenzten zusätzlichen Aufwandes der Steuerung bzw. Kontrolle des äußeren Durchmessers der ausgedehnten Lauffläche 88 vermieden werden. Da diese Fläche zu dem inneren Durchmesser der Aluminiumhülse 74 in der Rotoranordnung 70 passt, kann sie über einen kosteneffizienteren Schleifvorgang eines äußeren Durchmessers präzisionsgeschliffen werden. Dieser Aufwand ist begrenzt, weil die Präzision der Fläche bereits in der Nähe der Kugellagerlaufflächen erforderlich ist und lediglich auf der Verlängerung durchgeführt bzw. auf die Verlängerung ausgedehnt wird. Diese Konstruktion ist so gut wie selbstausrichtend und erfordert keine Montagewerkzeuge.
Die vorliegende Erfindung weist außerdem eine Statoranordnung 40 auf, die dimensioniert ist, um in ihr die Rotoranordnung 70 aufzunehmen, und die in den 5 bis 7 gezeigt ist, wobei die Statoranordnung 40 aufweist:

(a) eine Vielzahl von magnetischen Polplatten bzw. Magnetpolplatten 50, 52, 54 und 56, wobei die Vielzahl von magnetischen Polplatten 50, 52, 54 und 56 einen im Wesentlichen ebenen Plattenabschnitt 60 mit einer zentralen Öffnung darin und eine Vielzahl von Klauen 62 aufweist, die sich von der zentralen Öffnung und im Wesentlichen senkrecht zu dem Plattenabschnitt 60 erstrecken, wobei die Vielzahl von magnetischen Polplatten 50, 52, 54 und 56 aufweist:
i) zwei innere Polplatten 52 und 54, die mit ihrem jeweiligen Plattenabschnitt 60 benachbart bzw. in der Nähe zueinander und mit ihrer jeweiligen Vielzahl von Klauen 62 in Bezug aufeinander nach außen weisend angeordnet sind,
ii) zwei äußere Polplatten 50 und 56, die an jeder Seite der zwei inneren Polplatten 52 und 54 angeordnet sind, wobei die entsprechenden äußeren Polplatten 50 und 56 ihre jeweilige Vielzahl von Klauen 62 nach innen in Richtung auf die Klauen 62 der zwei inneren Polplatten 52 und 54 weisend haben, und
(b) ein nicht leitendes Material 64, das über die Vielzahl von magnetischen Polplatten 50, 52, 54 und 56 gegossen bzw. geformt ist,

62

50

52

54

56

Wie am besten in 6 zu sehen ist, ist die Vielzahl von magnetischen Polplatten 50, 52, 54 und 56 so angeordnet, dass die Klauen 62 der jeweiligen Platten ineinander verschachtelt sind bzw. ineinandergreifen. Darüber hinaus besteht einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung darin, dass die Vielzahl von magnetischen Polplatten 50, 52, 54 und 56 zumindest im Wesentlichen identisch sind, so dass die Vielzahl von magnetischen Polplatten symmetrisch und miteinander austauschbar ist.
Die Vielzahl von magnetischen Polplatten 50, 52, 54 und 56 weist auch Ausrichtmittel 68 auf, wobei die zwei inneren Polplatten 52 und 54 und die zwei äußeren Polplatten 50 und 56 auf eine richtige Stufenwinkelposition eingestellt werden, bevor sie mit dem nicht leitenden Material 64 übergossen werden bzw. bevor dieses über sie geformt wird. In einer Ausführungsform weisen die Ausrichtmittel eine Vielzahl von Ausrichtbohrungen 68 auf, die um jede der Vielzahl von magnetischen Polplatten 50, 52, 54 und 56 angeordnet sind. Andere geeignete Ausrichtmittel sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.
Die Statoranordnung 40 kann auch eine Lagertasche 95 aufweisen, die in ihr ausgebildet ist. Während des Übergieß- bzw. Überformprozesses kann in zumindest einem ersten Ende der Statoranordnung 40 benachbart zu mindestens einer äußeren Polplatte eine Tasche 95 ausgebildet werden, die dimensioniert ist, um in ihr ein Lager aufzunehmen. Darüber hinaus kann auch ein Drahtanschluss (wire termination) 65 in der Statoranordnung durch das darüber gegossene bzw. geformte nicht leitende Material 64 gebildet werden.
In einer Ausführungsform weist das nicht leitende Material 64 ein polymeres Material, ein elastomeres Material oder ein Kunststoffmaterial auf, einschließlich Kautschuk bzw. Gummi oder Kunststoff, und weist mehr bevorzugt eine Polymermischung oder Nylon 66 auf. Andere ähnliche nicht leitende Materialien, die ähnliche Eigenschaften haben, sind ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendbar.
In der hierin beschriebenen Statoranordnung 40 hält der Übergießprozess die Vielzahl von Polplatten in einer richtigen Position. Im Unterschied dazu ist es in Statoranordnungen des Standes der Technik zuvor notwendig gewesen, die Polplatten zusammenzuschweißen. Wie oben diskutiert worden ist, sind alle vier Polplatten identisch, wodurch Werkzeugkosten verringert werden und die Präzision verbessert wird, da sie aus demselben Werkzeug hergestellt sind.
Während dieses Übergießprozesses -bzw. -verfahrens werden Lagertaschen 95 durch den zentralen Kern ausgebildet. Da der Kern den Kunststofffluss an den Polplatten an dem inneren Durchmesser des Stators absperren muss, weist er inhärent enge Toleranzen auf. Diese intrinsische Präzision überträgt sich auf den Lagertaschendurchmesser, was in zwischen dem Innendurchmesser 71 des Stators, den Lagern und letztendlich der Rotoranordnung eingehaltenen engen Toleranzen resultiert. Anders als frühere Ausgestaltungen sind die kritischen Lagertaschendurchmesser integral zu der bzw. in Bezug auf die Statoranordnung und werden nicht in den separaten vorderen und hinteren Hülsenteilen gesteuert. In herkömmlichen Ausgestaltungen war es schwierig, die Lager konzentrisch zu kriegen, weil sie nur in Taschen an den vorderen und hinteren Hülsenteilen saßen, was zu Ausrichtproblemen führte. Die neue Ausgestaltung setzt konzentrischere Lagertaschen ein, die sich an dem Stator und nicht an den Hülsenteilen befinden. Dies ist wichtig, weil es die Verwendung von weniger teuren thermoplastischen Kunststoffen bzw. Thermoplasten ermöglicht, ohne dass man besorgt sein muss, dass die Schultern taumeln. Darüber hinaus wird die kritische Anordnungstoleranzaufsummierung über eine übergossene Anordnung gesteuert, im Unterschied zu mehreren gegossenen und gepressten Teilen. Dieses Gieß- bzw. Formverfahren erzeugt eine fertige Statoranordnung, die kein spezielles Werkzeug bei der endgültigen Montage des Motors erfordert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch allgemein auf ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen einer Vielzahl von magnetischen Polplatten, wobei jede der Vielzahl von magnetischen Polplatten einen im Wesentlichen ebenen Plattenabschnitt mit einer zentralen Öffnung darin und eine Vielzahl von Klauen aufweist, die sich von der zentralen Öffnung und im Wesentlichen senkrecht zu dem Plattenabschnitt erstrecken,
(b) Anordnen eines ersten Satzes der Vielzahl von magnetischen Polplatten in der Weise, dass ihre jeweiligen Plattenabschnitte benachbart bzw. in der Nähe zueinander sind und ihre jeweilige Vielzahl von Klauen voneinander nach außen weisen,
(c) Anordnen eines zweiten Satzes der Vielzahl von magnetischen Polplatten auf jeder Seite des ersten Satzes der Vielzahl von magnetischen Polplatten, wobei der zweite Satz der Vielzahl von magnetischen Polplatten seine jeweilige Vielzahl von Klauen nach innen in Richtung auf die Klauen des ersten Satzes der Vielzahl von magnetischen Polplatten weisend hat, und
(d) Übergießen bzw. Überformen eines nicht leitenden Materials über die Vielzahl von magnetischen Polplatten.

Die Rotor- 70 und Stator- 40 Anordnungen, die oben beschrieben wurden, sind in verschiedenen Motorausgestaltungen verwendbar, einschließlich zum Beispiel Can-Stack-Linearantrieben, wie sie in den 8 und 9 gezeigt sind und die typischerweise aufweisen:

a) eine vordere Hülse 80 und eine hintere Hülse 82, wobei die vordere Hülse 80 und die hintere Hülse 82 jeweils einen doppelt gezogenen Becher aufweisen, wobei die vordere Hülse 80 und die hintere Hülse 82 symmetrisch und austauschbar sind,
b) eine zwischen der vorderen Hülse 80 und der hinteren Hülse 82 angeordnete Rotoranordnung 70, wie sie oben beschrieben worden ist,
c) ein vorderes Lager 84 und ein hinteres Lager 86, die an jeder Seite der Rotoranordnung 70 angeordnet sind, wobei das vordere Lager 84 und das hintere Lager 86 symmetrisch und austauschbar sind, und
d) eine Statoranordnung 40, wie sie oben beschrieben worden ist.

Wie oben diskutiert worden ist und wie in den beigefügten Figuren zu sehen ist, bezieht sich die vorliegende Erfindung allgemein auf einen kosteneffizienten Can-Stack-Linearantrieb, sowohl in Bezug auf Materialkosten als auch Herstellungskosten. In einer Ausführungsform ermöglicht Symmetrie innerhalb des Motors, dass eine Familie von Teilen miteinander austauschbar ist, einschließlich als Beispiel und nicht beschränkend die vordere und hintere Abdeckung, die vordere und hintere Hülse und alle vier Polplatten. Dies verringert die Gesamtzahl von Teilen und die Kosten für Werkzeug. Darüber hinaus ist in der hierin beschriebenen Can-Stack-Motor-Ausgestaltung mit Ausnahme des Gewindes bzw. der Gewindegänge in dem Motoreinsatz der Rotor nicht spezifisch in Bezug darauf, in welcher Weise bzw. auf welchem Weg er in die Motoranordnung eingesetzt wird. Außerdem liefert die hierin beschriebene Can-Stack-Motor-Ausgestaltung gute Ergebnisse für Motoren, die weniger als ungefähr 2 Inch im Durchmesser sind, auch wenn sie ebenfalls mit Motoren anderer Größen verwendbar ist.
In einer anderen Ausführungsform ordnen spezielle Haltevorrichtungen 68 die Polplatten des Stators während des Gieß- bzw. Formverfahrens in der richtigen Position an und ermöglichen es, dieselbe Polplatte für alle Polplatten der Statorausgestaltung zu verwenden anstatt von vier einzigartigen Platten, wie es in Can-Stack-Motor-Ausgestaltungen des Standes der Technik erforderlich war.
8 stellt eine auseinandergezogene Ansicht der Motoranordnung dar, die gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. 8 zeigt die vollständige neue Motorausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Ausnahme der Bewegungsschraube und des Ritzels. Zusammen mit vollständig neu gestalteten inneren Komponenten zur Maximierung des Drehmoments sind auch die äußeren Komponenten der Motoranordnung verbessert worden. Die inneren Komponenten des Motors werden mit doppelt gezogenen Bechern 80 und 82 zusammengehalten, und aufgrund der Symmetrie des Motors kann dasselbe Teil verwendet werden, um die Vorderseite und die Rückseite abzudecken, wodurch Werkzeugkosten reduziert werden. Es sind keine speziellen Werkzeuge zum Vorspannen des Motors erforderlich, weil bei dem Zusammenschweißen der doppelt gezogenen Becher die Federscheibe die Lager automatisch vorspannen wird. Auch wenn sie nicht exakt gleich sind, werden die vordere und hintere Hülse aus derselben Form erzeugt, was wieder Werkzeugkosten reduziert. Sie enthalten jeweils eine flache Lagertasche, die zu dem äußeren Durchmesser der Lager passt, um den Motor geeignet ausgerichtet zu halten. Diese Ausrichtung ist jedoch nicht kritisch für die endgültige Luftspaltabmessung 93 zwischen dem Rotor und dem Stator (in 9 gezeigt). Beide Hülsen können optional, aber bevorzugt, auch Rippen zur Stabilität und Anti-Rotation enthalten.
Um die inneren Komponenten der vorliegenden Erfindung besser zu veranschaulichen, zeigt 9 eine Querschnittansicht einer Motorausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 zu sehen ist, ist die Drahtspule bzw. der Drahtspulenkern 67 anders als bei der gegenwärtigen Ausgestaltung nicht in der vorderen und hinteren Hülse enthalten. Ein Drahtanschluss 65 wird durch Stifte erreicht, die an einem bestimmten Ort in den darüber gegossenen bzw. geformten Kunststoff des Stators gedrückt sind. Der weibliche Teil einer Steckverbindung 91 wird spezifisch gegossen bzw. geformt und während der Montage durch die doppelt gezogenen Abdeckungen 80 und 82 an Ort und Stelle gehalten. Dies hält Verunreinigungen aus dem Motor fern und sorgt für eine einfache Drahtbefestigung und Anpassung. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine Option, den Stecker- bzw. Steckverbindungsteil wegzulassen und dem Kunden freie Zuleitungen (flying leads) zu liefern. In Abhängigkeit von der Kundenanforderung kann ein Befestigungsflansch an den vorderen oder hinteren doppelt gezogenen Becher 80 und 82 geschweißt sein und ist ein einfaches gepresstes bzw. gestanztes Metallteil. Dies illustriert wieder die Flexibilität der Ausgestaltung, da sie eine Vielzahl von Montageoptionen und Konfigurationen ermöglichen kann.
Es ist auch darauf hinzuweisen, dass es beabsichtigt ist, dass die folgenden Ansprüche alle generischen und speziellen Merkmale der hierin beschriebenen Erfindung und alle Angaben des Bereichs der Erfindung abdecken sollen, die sprachmäßig dazwischen fallen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6774517 [0003]
US 6603229 [0003]

Claims

Rotoranordnung zur Verwendung in einer Linearantrieb-Motoranordnung, wobei die Rotoranordnung aufweist: a) eine nicht magnetische Hülse, die in ihr einen gegossenen Einsatz ausgebildet hat, und b) ein gegossenes magnetisches Material, das über der nicht magnetischen Hülse angeordnet ist, wobei der gegossene Einsatz durch mindestens eine Öffnung, die entlang der Länge der nicht magnetischen Hülse angeordnet ist und die mindestens einem Ansatz entspricht, der durch das gegossene Material des Einsatzes gebildet wird, daran gehindert wird, sich in der nicht magnetischen Hülse zu drehen.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der die nicht magnetische Hülse der Rotoranordnung Aluminium aufweist.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der der Einsatz ein polymereres, elastomeres oder Kunstoffmaterial aufweist.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der das gegossene magnetische Material ein Permanentmagnetmaterial aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Kobalt, keramischem Material, Aluminium-Nickel-Kobalt und Kombinationen aus einem oder mehreren der vorhergehenden besteht.
Rotoranordnung nach Anspruch 4, bei der das Permanentmagnetmaterial Neodym-Eisen-Bor aufweist.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der der gegossene Einsatz in diesem ausgebildete Gewindegänge aufweist, wobei die Gewindegänge darin während des Gießverfahrens ausgebildet werden.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Rotoranordnung dimensioniert ist, um in eine Statoranordnung zu passen, und die Statoranordnung aufweist: (a) eine Vielzahl von magnetischen Polplatten, wobei die Vielzahl von magnetischen Polplatten einen im Wesentlichen ebenen Plattenabschnitt mit einer zentralen Öffnung darin und eine Vielzahl von Klauen aufweist, die sich von der zentralen Öffnung und im Wesentlichen senkrecht zu dem Plattenabschnitt erstrecken, wobei die Vielzahl von magnetischen Polplatten aufweist: i) zwei innere Polplatten, die mit ihren jeweiligen Plattenabschnitten benachbart zueinander und mit ihrer jeweiligen Vielzahl von Klauen voneinander nach außen weisend angeordnet sind, ii) zwei äußere Polplatten, die auf jeder Seite der zwei inneren Polplatten angeordnet sind, wobei die entsprechenden äußeren Polplatten ihre jeweilige Vielzahl von Klauen nach innen in Richtung auf die Klauen der zwei inneren Polplatten weisend haben, und (b) ein nicht leitendes Material, das über die Vielzahl von magnetischen Polplatten gegossen ist, wobei die Klauen der Vielzahl von magnetischen Polplatten eine Öffnung erzeugen, die dimensioniert ist, um in ihr die Rotoranordnung aufzunehmen.
Rotoranordnung nach Anspruch 7, bei der die Vielzahl von magnetischen Polplatten der Statoranordnung symmetrisch und austauschbar sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 8, bei der die Vielzahl von magnetischen Polplatten Ausrichtmittel aufweisen, wobei die zwei inneren Polplatten und die zwei äußeren Polplatten auf eine richtige Stufenwinkelposition eingestellt werden, bevor sie mit dem nicht leitenden Material übergossen werden.
Rotoranordnung nach Anspruch 9, bei der die Ausrichtmittel eine Vielzahl von Ausrichtbohrungen aufweisen, die um jede der Vielzahl von magnetischen Polplatten angeordnet sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 7, bei der eine Tasche, die dimensioniert ist, um in ihr ein Lager aufzunehmen, in mindestens einem ersten Ende der Statoranordnung benachbart zu mindestens einer äußeren Polplatte durch das darüber gegossene nicht leitende Material ausgebildet ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 7, bei der ein Drahtanschluss in der Statoranordnung durch das darüber gegossene nicht leitende Material ausgebildet ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 7, bei der das nicht leitende Material, das über die Vielzahl von magnetischen Polplatten gegossen ist, eine Polymermischung oder Nylon 66 aufweist.
Rotoranordnung nach Anspruch 7, bei der ein Luftspalt zwischen einem inneren Durchmesser der Vielzahl von magnetischen Polplatten und dem äußeren Durchmesser des Rotors minimiert ist, wobei ein starkes Magnetfeld erzeugt wird.
Rotoranordnung nach Anspruch 7, die ferner aufweist: a) ein vorderes Lager und ein hinteres Lager, die auf jeder Seite der Rotoranordnung angeordnet sind, und b) eine vordere Hülse und eine hintere Hülse, wobei die vordere Hülse und die hintere Hülse jeweils einen doppelt gezogenen Becher aufweisen, wobei die vordere Hülse und die hintere Hülse die Rotoranordnung und die Statoranordnung in ihnen einschließen.
Modularer Schrittmotor, der austauschbare Teile aufweist, wobei der modulare Schrittmotor aufweist: a) ein Paar von symmetrischen Hülsen, wobei jede des Paars von symmetrischen Hülsen einen doppelt gezogenen Becher aufweist, b) eine Rotoranordnung, die in dem Paar von symmetrischen Hülsen eingeschlossen ist, wobei die Rotoranordnung aufweist: i) eine nicht magnetische Hülse, die in ihr eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, durch die ein gegossener Einsatz ausgebildet werden kann, ii) einen Einsatz, der in die nicht magnetische Hülse durch die Vielzahl von Öffnungen gegossen ist, wobei der gegossene Einsatz durch mindestens eine Öffnung, die entlang der Länge der nicht magnetischen Hülse angeordnet ist und die mindestens einem Ansatz entspricht, der durch das gegossene Material des Einsatzes gebildet wird, daran gehindert wird, sich in der nicht magnetischen Hülse zu drehen, und iii) ein gegossenes magnetisches Material, das über der nicht magnetischen Hülse angeordnet ist, und c) eine Statoranordnung, die dimensioniert ist, um in ihr die Rotoranordnung aufzunehmen, wobei die Statoranordnung aufweist: (i) eine Vielzahl von magnetischen Polplatten, wobei die Vielzahl von magnetischen Polplatten einen im Wesentlichen ebenen Plattenabschnitt mit einer zentralen Öffnung darin und eine Vielzahl von Klauen aufweist, die sich von der zentralen Öffnung und im Wesentlichen senkrecht zu dem Plattenabschnitt erstrecken, wobei die Vielzahl von magnetischen Polplatten aufweist: (a) zwei innere Polplatten, die mit ihren jeweiligen Plattenabschnitten benachbart zueinander und mit ihrer jeweiligen Vielzahl von Klauen in Bezug aufeinander nach außen weisend angeordnet sind, (b) zwei äußere Polplatten, die auf jeder Seite der zwei inneren Polplatten angeordnet sind, wobei die entsprechenden äußeren Polplatten ihre jeweilige Vielzahl von Klauen nach innen in Richtung auf die Klauen der zwei inneren Polplatten weisend haben, und (ii) ein nicht leitendes Material, das über die Vielzahl von magnetischen Polplatten gegossen ist, wobei die Klauen der Vielzahl von magnetischen Polplatten eine Öffnung erzeugen, die dimensioniert ist, um in ihr die Rotoranordnung aufzunehmen.