DE102012104840A1 - Elektrodynamisches Linearantriebsmodul - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein translatorisches elektrodynamisches Linearantriebsmodul, umfassend einen Stator (2) mit ferromagnetischem Statorkern (5) und Wicklung (4) zur Erzeugung wenigstens eines ersten Magnetfelds, einen Läufer (7) mit wenigstens einer Permanentmagnetanordnung (10) zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Magnetfelds, eine Linearführung (14), eine kraft- oder positionsregelnde Ansteuerelektronik sowie eine Positionsmesseinrichtung (13), wobei das Linearantriebsmodul (1, 1‘) ohne Kommutierungseinrichtung einphasig aufgebaut ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Vermeidung eines Sensorfehlers beim Einsatz einer magnetischen Positionsmesseinrichtung (13), umfassend wenigstens ein Hallelementarray als Positionssensor (11) und eine permanentmagnetische Maßverkörperung (12), zum Einsatz in dem Linearantriebsmodul (1, 1‘), wobei wenigstens ein zusätzlicher Permanentmagnet vorgesehen ist, der das Streufeld der Wicklung (4) im Bereich der Positionsmesseinrichtung mit einem Gleichfeld so überlagert, dass bei einem Wechsel der Stromrichtung in der Wicklung (4) die Polarität des Streufelds an dem Positionssensor (11) unverändert bleibt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein translatorisches elektrodynamisches Linearantriebsmodul, insbesondere einen kompakten elektrodynamischen Vorschubantrieb für kleine Verfahrwege, umfassend einen Stator mit ferromagnetischem Statorkern und Wicklung zur Erzeugung wenigstens eines ersten Magnetfelds, einen Läufer mit wenigstens einer Permanentmagnetanordnung zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Magnetfelds, eine Linearführung, eine kraft- oder positionsregelnde Ansteuerelektronik sowie eine Positionsmesseinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Vermeidung eines Sensorfehlers beim Einsatz einer magnetischen Positionsmesseinrichtung, umfassend wenigstens ein Hallelementarray als Positionssensor und eine permanentmagnetische Maßverkörperung, zum Einsatz in dem Linearantriebsmodul.
• Die Entwicklung permanentmagneterregter Direktantriebsmodule als ein- oder mehrachsige Vorschubmodule für kleine Werkzeugmaschinen ist seit längerem ein Schwerpunkt innerhalb der Forschung zu kleinen Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke. In konventionellen Werkzeugmaschinen mit Verfahrbereichen von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern kommen mehrphasige elektrodynamische Direktantriebe mit elektronischer Kommutierung bereits seit mehreren Jahrzehnten zum Einsatz. Diese sind zumeist dreiphasig, mitunter auch zweiphasig ausgeführt. Aufgrund der kleinen zu realisierenden Verfahrbereichen kleiner Werkzeugmaschinen, oft nur maximal etwa 20 mm je Achse, sind kommutierende bzw. mehrphasige Antriebe jedoch zu aufwändig als Vorschubmodule.
• Neben den oben genannten elektrodynamischen Direktantrieben für größere Verfahrbereiche existieren eine Reihe von Antriebslösungen für die Realisierung translatorischer Lineareinheiten für kleine Verfahrwege. Dies sind beispielsweise Spindel-Mutter-Lineartische mit rotatorischem BLDC-Motor oder rotatorischem Schrittmotor. Diese haben den Vorteil einer hohen Steifheit und Selbsthemmung im stromlosen Zustand. Nachteil ist eine relativ geringe Dynamik. Weiterhin sind piezobasierte Lineartische bekannt. Deren Vorteil liegt in einer sehr hohen Auflösung (nm-Bereich). Als Nachteile stehen dem jedoch eine geringe Lastkraft, eine geringe Dynamik sowie hohe Kosten gegenüber. Nicht zuletzt finden einphasige elektrodynamische Tauchspulantriebe, d.h. Antriebe mit einer bewegten Spule, in der Praxis Anwendung, deren Vorteile in einer hohen Dynamik und einem einfachen Aufbau liegen. Dem stehen als Nachteile eine relativ geringe Kraftdichte, die bewegten Stromzuführungen und eine relativ schlechte Abfuhr der in der Wicklung aufgrund ohmscher Verluste entstehenden Wärme aus der Wicklung gegenüber.
• Die oben genannten Antriebslösungen arbeiten zumeist mit einer Messung, Rückführung und Regelung der Position mittels einer externen Regeleinrichtung. Eine Ausnahme bilden hierbei die Spindel-Mutter-Lineartische mit Schrittmotor, die auch in offener Steuerkette betreibbar sind. Als Nachteil der Lösungen nach dem Stand der Technik ist zu nennen, dass die Ansteuer- und Regelelektronik als separates Gerät realisiert ist.
• Die Läuferführung bei den bekannten Lösungen erfolgt zumeist durch eine sogenannte geschlossene Wälzkörperführung, wobei die Wälzkörper bei kleinen Verfahrwegen oft in einem Käfig, bei größeren Verfahrwegen als Kugeln in in sich geschlossenen Kugelumlaufbahnen angeordnet sind. In jedem Fall sind die Führungen in allen anderen als der Bewegungsrichtung blockiert. Die grundsätzliche statische Überbestimmtheit derartiger Führungen erfordert hohe Fertigungsgenauigkeiten. Häufig werden geschlossene Wälzkörperführungen bei der Montage auch vorgespannt, indem die zuletzt montierte Außenleiste mit definierten Kräften angedrückt und dann befestigt wird.
• Einphasige elektromagnetische Wandler mit bewegten Magneten werden schon seit Jahrzehnten als sogenannte Schwingankerantriebe mit translatorisch oszillierender Bewegung eines Wirkelements genutzt, wie z. B. in einigen Rasierapparaten. Der dort realisierte Magnetkreis entspricht im Aufbau einem U-förmigen Statorkern mit zwei Teilwicklungen sowie drei alternierend gepolten Dauermagnetabschnitten auf einem Läuferrückschluss. Ein unsymmetrischer Motoraufbau ist zwar konstruktiv relativ einfach, aber mit in der Regel unerwünschten magnetischen Querkräften behaftet. Diese sind durch eine Führung, z.B. eine Federführung, aufzunehmen. Die Läuferführung in den genannten Rasierern besteht zumeist aus einem System von Blattfedern.
• Translatorische elektrodynamische Linearantriebsmodule sind nach dem Stand der Technik ebenfalls bekannt, insbesondere für Vorschubantriebe wie in der Druckschrift DE 103 39 260 A1 beschrieben, die in aller Regel eine Kommutierung benötigen. Beispielhaft sei hierfür die Druckschrift DE 10 2006 013 582 A1 angeführt, die einen Synchron-Linearmotor beschreibt. Damit wird ein Linearantriebsmodul jedoch teuer und aufwändig in der Herstellung. Es sind auch rotationssymmetrische Linearmotorsysteme bekannt und beispielsweise in den Druckschriften US 4 602 174 A und DE 10 2005 038 777 B4 beschrieben. Diese lassen jedoch eine exakte Positionierung des Läufers nicht zu.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein translatorisches elektrodynamisches Linearantriebsmodul für begrenzte Verfahrwege anzubieten, das sich durch hochdynamische Eigenschaften, durch einen einfachen, kompakten Aufbau mit hoher Integrationsdichte und kleinem Bauraum, zudem einfacher Montierbarkeit, geringer Deformationen unter Krafteinwirkung sowie durch einen besonders günstigen Preis bei einer Positioniergenauigkeit von einigen Mikrometern auszeichnet.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein translatorisches elektrodynamisches Linearantriebsmodul, umfassend einen Stator mit wenigstens einem Element zur Erzeugung wenigstens eines ersten Magnetfelds, einen Läufer mit wenigstens einem Element zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Magnetfelds, eine Führung, insbesondere eine Linearführung, eine kraft- oder positionsregelnde Ansteuerelektronik sowie eine Positionsmesseinrichtung, wobei das Linearantriebsmodul ohne Kommutierungseinrichtung einphasig aufgebaut ist. Dabei ist vorgesehen, dass Positionsregelung und Kraftregelung wechselweise angewandt werden. So kann beispielsweise ein Werkzeug oder ein Werkstück an die Bearbeitungsstelle mittels Positionsregelung herangefahren werden. Nach Erreichen der vorgesehenen Position wird die Ansteuerelektronik umgestellt auf Kraftregelung, so dass Werkzeug und Werkstück mit der erforderlichen Kraft gegeneinander gedrückt werden. Damit handelt es sich um eine Ansteuerelektronik, die entweder kraft- oder positionsregelnd wirkt, für beides vorgesehen ist, dies jedoch abgesehen vom Umschalten zwischen beiden Regelgrößen nicht gleichzeitig ausführt. Es ist alternativ auch vorgesehen, dass eine ausschließlich positionsregelnde Ansteuerelektronik oder eine ausschließlich kraftregelnde Ansteuerelektronik zum Einsatz kommt.
• Die Positionsmesseinrichtung weist einen Positionssensor auf, der bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Detektion magnetischer Felder geeignet ist. Darüber hinaus sind auch andere Wegsensoren vorgesehen, wie z.B. optische Wegsensoren. Ein Vorteil elektrodynamischer Direktantriebe, wie sie die erfindungsgemäße Lösung vorschlägt, ist gegenüber anderen Antriebskonzepten die hohe Dynamik bei gleichzeitig einfachem und allgemein kostengünstigem Motoraufbau. So lassen sich für die Vorschubeinheiten zukünftiger kleiner Werkzeugmaschinen einfach aufgebaute einphasige Magnetkreise und Ansteuerungen realisieren. Es handelt sich bei der Erfindung um ein hochdynamisches Linearmodul für kurze Verfahrwege, bevorzugt bis ca. 25 mm, mit integrierter Positionsregelung und einfacher Ansteuerung für kleine Werkzeugmaschinen sowie Automatisierungs- und Handlingtechnik. Die Beschränkung auf kurze Verfahrwege ermöglicht einfache einphasige Magnetkreise und Ansteuerungen, woraus ein einfacher, kostengünstiger und kompakter Aufbau resultiert. Es entstehen geringe Kosten für den elektrodynamischen Motor und die Ansteuerelektronik. Die Modulkosten werden wesentlich durch Sensorauflösung und Führungspräzision bestimmt.
• Als Führungen kommen bevorzugt Wälzführungen in Betracht. Wälzführungen weisen aufgrund der Roll- bzw. Wälzreibung eine geringe Gleitreibung bei der Bewegung auf und sind in der Lage, hohe Lasten aufzunehmen. Sehr vorteilhaft ist auch die geringe Haftreibung, durch die das Anfahren und die Umkehr der Bewegungsrichtung erleichtert und ohne wesentliche Verzögerung bzw. Änderung der Antriebskraft, wie dies bei einem ausgeprägten Stick-Slip-Effekt zur Überwindung der Haftreibung der Fall wäre, durchgeführt werden können.
• Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Stator mit Statorkern und Wicklung zur Erzeugung wenigstens eines ersten Magnetfelds und das Element zur Erzeugung wenigstens eines weiteren Magnetfelds als wenigstens eine Wicklung ausgeführt. Dabei treten im stromlosen Zustand der Wicklungen keine Querkräfte auf, die von einer Führung, beispielsweise einer geschlossenen Wälzführung, aufgenommen werden müssen. Zudem erleichtert eine bei geeigneter Ansteuerung lineare Kraftkennlinie die Regelung der Läuferposition gegenüber dem Stator, da der Läufer nicht selbsttätig in eine Mittelstellung strebt wie bei Ausführungen mit U-förmigem Statorquerschnitt und drei alternierend gepolten Permanentmagneten. Sowohl bei permanentmagnetisch als auch bei elektrisch erregten einphasigen Lineardirektantrieben sind Ausführungen mit und ohne stromlos wirkende zentrierende Wirkung möglich. Die Reibkraft der Führung ist bei fehlenden Querkräften ebenfalls geringer. Allerdings ist auch Nichtlinearität bei dem hier beschriebenen elektrisch erregten Linearantrieb möglich, wenn Ströme und dadurch hervorgerufene Magnetflüsse so groß sind, dass Sättigung im Eisen auftritt.
• Alternativ dazu ist als besonders bevorzugte Ausführungsform der Stator mit Statorkern und Wicklung zur Erzeugung wenigstens eines ersten Magnetfelds und das Element zur Erzeugung wenigstens eines weiteren Magnetfelds als Permanentmagnetanordnung ausgeführt. Die Ausführung mit bewegten Magneten weist eine hohe Kraftdichte auf, was einen Vorteil gegenüber Ausführungen mit bewegter Spule darstellt. Gründe dafür sind der größere in Statorwicklungen zur Verfügung stehende Wickelfensterquerschnitt, kleinere Luftspalte in Magnetläuferwandlern durch den Wegfall einer bewegten Spule sowie der gegenüber Wandlern mit Kurzspulläufer vergleichsweise größere Bewegungsbereich nahezu konstanter Kraft. Zudem drückt die magnetische Querkraft, die aus der Anziehungskraft der Permanentmagnetanordnung zum ferromagnetischen Statorkern hin herrührt, den Läufer fest auf seine Führung, so dass er in dieser Bewegungsrichtung kraftschlüssig fixiert wird. Alternativ ist auch vorgesehen, dass bei Antrieben mit bewegter Spule der Stator eine Permanentmagnetanordnung aufweist.
• Besonders bevorzugt besteht die Permanentmagnetanordnung aus drei alternierend gepolten Permanentmagneten, wenn der ferromagnetische Statorkern einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Dabei sind anstelle einzelner, unmittelbar aneinander angeordneter Permanentmagnete auch unterschiedlich magnetisierte Abschnitte eines einstückigen Permanentmagneten vorgesehen. Während auch mit einem einzigen Permanentmagneten mit zwei Polen die grundsätzliche Funktionalität gewährleistet ist, ruft eine Permanentmagnetanordnung aus drei Permanentmagneten bzw. ein Permanentmagnet mit dreifach wechselweise magnetisierten Abschnitten eine ungefähr doppelt so starke Läuferkraft hervor. In Abhängigkeit von der Bauform des ferromagnetischen Statorkerns hat sich auch eine andere Anzahl von Permanentmagneten als vorteilhaft erwiesen, so z.B. zwei Permanentmagneten bei einem E-förmigen Statorkern.
• Zudem bildet sich eine Kraftkennlinie heraus, die den Läufer bei stromloser Wicklung im Stator in eine Mittelstellung über dem ferromagnetischen Statorkern bewegt. Diese für viele Anwendungen im stromlosen Zustand vorteilhafte Mittelstellung müsste beim Fehlen dieses Effekts durch eine gesonderte Einrichtung, beispielsweise durch eine Feder erreicht werden.
• Es ist sehr vorteilhaft, wenn die Linearführung als offene Wälzführung ausgeführt ist, wobei ein zweiter Freiheitsgrad Z durch eine magnetische, insbesondere permanentmagnetische Querkraft blockiert ist. Eine solche Führung ist sehr kompakt und einfach aufgebaut sowie auch kostengünstig im Vergleich zum Stand der Technik, wo geschlossene Wälzführungen verwandt werden. Die offene Bauweise ohne Sicherung gegen das Abheben des Läufers wird durch die Querkräfte ermöglicht, die von der Permanentmagnetanordnung hervorgerufen werden und den Läufer gegen den Stator ziehen. Damit wird zugleich der Läufer gegen die Wälzkörper der Führung gedrückt und diese zusammengehalten, ohne dass es eines Formschlusses in Z-Richtung bedürfte.
• Vorteilhaft ist auch ein erfindungsgemäßes Linearantriebsmodul, bei dem der Stator und der Läufer durch die zwischen diesen beiden Elementen wirkende permanentmagnetische Querkraft kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Dadurch ist eine einfache Montage möglich und formschlüssige Verbindungselemente sind zur Montage nicht erforderlich. Zudem resultiert aus dieser Lösung eine konstruktive Vereinfachung, da eine offene Wälzführung realisierbar ist. Besonders günstig ist es auch, wenn weitere Bewegungsrichtungen (z. B. die Y-Richtung) neben der querkraftschlüssig gesicherten Richtung, in der Regel die Z-Richtung, durch Formschluss fixiert werden, beispielsweise durch V-Nuten der Führungsschienen.
• Besondres vorteilhaft ist es, wenn der ferromagnetische Statorkern an seiner zum Läufer hin gewandten Seite so gestaltet ist, dass er eine männliche Passform aufweist, mit der er in der Weise in einer weiblichen Passform in dem Statorgrundkörper sitzt, dass eine Bewegung in einer ersten Bewegungsebene, die die Bewegungsebene des Läufers ist, verhindert wird und die Bewegung in einer zweiten Bewegungsebene quer zu der ersten Bewegungsebene in Querkraftrichtung durch einen umlaufenden oder als einzelne Nasen ausgebildeten Kragen oder Absatz verhindert wird. Dadurch ist der ferromagnetische Statorkern in der ersten Bewegungsebene formschlüssig fixiert, in der zweiten Bewegungsebene in Querkraftrichtung formschlüssig fixiert und in der Gegenrichtung durch die magnetische Querkraft kraftschlüssig gesichert.
• Der vorstehend beschriebene Aufbau und die gezielte Nutzung der nach dem Stand der Technik zumeist unerwünschten magnetischen Querkräfte zur definierten Anordnung von Komponenten sind nicht nur für die hier beschriebenen Lineareinheiten in Modulform vorgesehen. Ein Einsatz einer kraftschlüssigen Verbindung auf Basis von magnetischer Querkraft ist auch auf andere elektrische Vorrichtungen, die insbesondere Permanentmagnete oder Elektromagnete mit sicherer Spannungsversorgung aufweisen, vorgesehen. Ein solcher Aufbau kommt mit sehr wenigen Bauteilen aus, insbesondere sind keine Verbindungselemente erforderlich.
• Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen translatorischen elektrodynamischen Linearantriebsmoduls sieht vor, dass als Linearführung eine Parallelführung, insbesondere als zentrierende Federführung ausgeführt, eines beweglich gegenüber einem ersten Element, insbesondere einem Stator, ausgeführten zweiten Elements, insbesondere eines Läufers, vorgesehen ist, wobei die Elemente zylinderförmig, beispielsweise auch hohlzylinderförmig, ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
• Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Linearführung als rotationssymmetrische Führung eines als Kern ausgeführten zweiten Elements, insbesondere eines Läufers, in einem rohrförmigen ersten Element, insbesondere einen Stator, als zentrierende Federführung ausgebildet ist.
• Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der wenigstens ein zylindrischer Kern und ein hohlzylindrischer Außenmantel zusammen ein erstes Element mit einem zwischen Kern und Außenmantel angeordneten Luftspalt, insbesondere einen Stator, bilden und ein in dem Luftspalt zu dem ersten Element insbesondere axial beweglich angeordnetes zweites hohlzylindrischer Element, insbesondere ein Läufer, vorgesehen ist. Kern und Außenmantel sind also fest miteinander verbunden und bilden zwischen sich, innerhalb des Außenmantels und außerhalb des Kerns, den Luftspalt. In diesem bewegt sich das zweite Element, beispielsweise der Läufer.
• Kennzeichnend für den oben beschriebenen Aufbau sind jedenfalls wenigstens zwei konzentrisch angeordnete Stator- bzw. Läuferkomponenten, zwischen denen Luftspalte liegen. Entweder im inneren Statorteil oder in einer innen liegenden Nut des äußeren Statorteils ist eine konzentrische Wicklung untergebracht, die bei Bestromung in den beiden Luftspalten jeweils ein radiales, aber in beiden Luftspalten entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld bewirkt. Beide Statorkomponenten können auch jeweils eine Teilwicklung enthalten. In den Luftspalten ist ein radial magnetisierter Permanentmagnetring axial beweglich angeordnet. Bevorzugt ist der Läufer innen und der Stator außen angeordnet, für alternative Anwendungsfälle ist es jedoch vorgesehen, dass der Läufer außen und der Stator innen angeordnet ist. Weitere Alternativen sehen vor, dass der Stator einen äußeren und einen inneren Teil aufweist, zwischen denen sich ein Luftspalt bildet, in dem der Läufer beweglich angeordnet ist.
• Als zentrierende Federführung ist besonders vorteilhaft mindestens eine mit Durchbrüchen versehene Membranfeder vorgesehen. Hierfür kommt ein geschlitztes Blech in Frage, wobei die Schlitze beispielsweise spiralförmig ausgebildet sind. Anstelle eines Blechs ist jedoch auch mindestens ein anderes plattenförmiges Element, beispielsweise aus Kunststoff bestehend, vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von geschlitzten Membranfedern anstelle der nach dem Stand der Technik genutzten Schraubenfedern, deren Nachteil vor allem darin besteht, dass Schraubenfedern dem Läufer-Feder-System unerwünschte Querkräfte in radialer Richtung einprägen. Neben einfacher Federführung sind auch andere Ausführungen, beispielsweise als Parallel- oder Doppelparallelführung vorgesehen. Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft spiralförmig geschlitzte Federn, die als Parallelführungen ausgeführt sind. Es sind aber auch Doppelparallelführungen mit anderweitig geschlitzten Federn möglich. Damit wird eine Verdrehung des ausgelenkten Ankers um die eigene Achse vermieden.
• Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Positionsmesseinrichtung einen Positionssensor, umfassend wenigstens eine Anordnung von Hallelementen, eine permanentmagnetische Maßverkörperung und eine Interpolationseinheit aufweist, die miteinander so in Wechselwirkung bringbar sind, dass von der Positionsmesseinrichtung ein Positionswert an eine Ansteuerelektronik für die Wicklung übermittelbar ist. Der Positionssensor weist wenigstes zwei nach dem Stand der Technik bekannten um ein Viertel der Periode der Maßverkörperung versetzte Sensorelementen und eine nach dem Stand der Technik ebenfalls bekannte nachgeschaltete Interpolationseinheit auf. Die Maßverkörperung, die bevorzugt mit dem Läufer verbunden ist und mit diesem bewegt wird, ist mit einer geeigneten Anzahl alternierend gepolter Permanentmagnetabschnitte ausgestattet, deren Magnetfelder eine Anordnung von Hallelementen, zur Abgabe eines Signals anregen. Der hallelement-basierte Sensor weist ein günstiges Verhältnis zwischen Sensorkosten und Genauigkeit auf. Auch die Wegerfassung auf Basis optischer Sensoren ist vorgesehen.
• Es sind jedoch auch andere Funktionsprinzipe der Positionsmesseinrichtung vorgesehen, vor allem um eine höhere Positioniergenauigkeit im Sub-µm-Bereich zu erreichen. So sind beispielsweise optisch inkrementelle Sensoren und LVDT-Sensoren vorgesehen.
• Vorteile resultieren auch daraus, dass die Ansteuerelektronik der Wicklung zusammen mit dem Positionssensor und der Interpolationseinheit auf einer Leiterplatte und diese in einem Statorgrundkörper angeordnet ist. Der einfache Aufbau sowie die kleinen Verfahrwege gestatten die konstruktive Vereinigung von Motor, Führung und Ansteuerelektronik in einem kompakten Modul. Mit der Ansteuerelektronik finden auch der Positionssensor und die Interpolationseinheit als Bestandteile der Positionsmesseinrichtung innerhalb des Statorgrundkörpers Platz, so dass eine kompakte, vollständig funktionsfähige Einheit entsteht.
• Vorteilhaft ist insbesondere der kompakte Aufbau des Linearantriebsmoduls, wenn die Positionsmesseinrichtung durch die gewählte Anordnung auf derselben Leiterplatte wie die gesamte Ansteuerelektronik, vor allem der Mikrokontroller für die Lageregelung und der Motortreiberschaltkreis, angeordnet ist, da bei bisherigen Lösungen stattdessen die Sensorik in Antriebssystemen oft räumlich getrennt von der Steuerelektronik vorliegt.
• Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Anordnung zur Vermeidung eines Sensorfehlers beim Einsatz einer magnetischen Positionsmesseinrichtung, der bei einem Wechsel des Polarität eines Streufeldes entsteht, umfassend wenigstens ein Hallelementarray als Positionssensor und eine permanentmagnetische Maßverkörperung, zum Einsatz in dem Statorgrundkörper des Linearantriebsmoduls, wobei wenigstens ein zusätzlicher Permanentmagnet vorgesehen ist, der das Streufeld der Wicklung im Bereich des Positionsmesssystems mit einem magnetischen Gleichfeld so überlagert, dass bei einem Wechsel der Stromrichtung in der Wicklung die Polarität des Streufelds an dem Positionssensor unverändert bleibt. Der zusätzliche Permanentmagnet überlagert somit das sich beim Wechsel der Stromrichtung in der Wicklung ändernde Wicklungsstreufeld mit einem magnetischen Gleichfeld in der Weise, dass an dem Positionssensor die Polarität des resultierenden Magnetfelds trotz sich ändernder Feldstärke unverändert bleibt und hierdurch ein Sensorfehler des magnetischen Positionssensors, der bei einem Wechsel der Polarität des Wicklungsstreufelds sonst auftreten würde, vermieden wird. Durch diese Anordnung werden die Positioniergenauigkeit und insbesondere die Wiederholpräzision bei Wechseln der Bewegungsrichtung des Läufers erhöht.
• Ein Verfahren zum Betrieb eines Linearantriebsmoduls erfolgt in der Weise, dass eine Ansteuerelektronik in Zusammenwirken mit einer Positionsmesseinrichtung eine Pulsweiten- oder Pulsdauermodulation der Wicklungsspannung und/ oder des Wicklungsstroms, eine Interpolation auf Basis der Positionswerte des Positionssensors, die einen hochaufgelösten Positionswert zum Ergebnis hat, eine Positionsregelung auch bei der Einwirkung einer Störkraft, um deren unerwünschte Wirkung auf die Position des Läufers zu kompensieren, auf den Läufer ausführt. Eine schnelle Läuferpositionierung wird durch das elektrodynamische Antriebsprinzip sowie die hohe Abtastrate und Dynamik der digitalen Regelung gewährleistet. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei Überscheiten einer Grenzstörkraft der Läufer stromlos in die Mittelstellung fährt, um ihn vor Schäden durch Überlast zu bewahren.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls mit einem Magnetkreis in Läufermittelstellung;
• 2: eine Diagrammdarstellung der Abhängigkeit zwischen der Läuferposition und der Wandlerkraft bei bestimmter Stromstärke bei einem erfindungsgemäßen Linearantriebsmodul;
• 3: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls mit E-förmigem Stator;
• 4: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls mit der Bewegungsrichtung des Läufers orthogonal zur Bildebene;
• 5: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls mit zwei Bewegungsluftspalten und drei Permanentmagneten im Läufer;
• 6: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls mit einem hohlyzylindrischen Stator und einem als Kern ausgebildeten Läufer; und
• 7: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer Federführung mit geschlitzter Membranfeder.
• 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls 1 mit einem Magnetkreis und einem Läufer 7 in Mittelstellung. Der Läufer 7 besteht aus einem Läufertisch 8, der den ferromagnetischen Läuferrückschluss 9 umschließt. Der Läufertisch 8 ist in der bevorzugten Ausführungsform zur Aufnahme und zum Spannen eines Werkstücks, eines Werkzeugs oder allgemein eines Wirkelements vorgesehen, der Läufer 7 ist in Bewegungsrichtung X beweglich, in den Bewegungsrichtungen Y, Z jedoch fixiert.
• An der zum Stator 2 hin weisenden Seite weist der Läufer 7 eine Permanentmagnetanordnung 10 auf. Diese besteht in der bevorzugten Ausführungsform aus drei Permanentmagneten in jeweils wechselnder Nord-Süd-Ausrichtung. Dadurch bildet sich an den Kanten, an denen die Permanentmagnete aneinander stoßen, ein Permanentmagnetfluss 19 heraus. Dieser ist in der 1 in Läufermittelstellung und während die Wicklung 4 nicht von Strom durchflossen ist dargestellt.
• Die Wicklung 4 umschließt den Statorkern 5, wobei in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform beide Schenkel des Statorkerns 5 jeweils eine Wicklung 4 aufweisen. Der Statorkern 5, der bevorzugt aus einem Blechpaket gebildet wird, mit der Wicklung 4 ist im Statorgrundkörper 3 angeordnet und bildet mit diesem zusammen den Stator 2.
• Die Bewegungsamplitude des Läufers 7, der Verfahrbereich h, ist begrenzt durch die Breite der Polfläche des Statorkerns 5, der von der Kante 34 zwischen den Permanentmagneten der Permanentmagnetanordnung 10 überstrichen werden kann. Durch das Zusammenwirken des durch wenigstens einen Läufermagnet hervorgerufenen Magnetfelds und des durch wenigstens eine stromdurchflossene Wicklung 4 hervorgerufenen Magnetfelds entsteht eine Motorkraft auf den Läufer. Der durch die Positionsregelung eingeprägte Wicklungsstrom bewirkt somit die gewünschte Motorkraft, so dass die gewählte Position durch den Läufer 7 eingenommen oder eingehalten wird.
• In der bevorzugten Ausführungsform ist das Linearantriebsmodul mit einer Wälzkörper aufweisenden Führung ausgestattet, die sich im Bereich der Position 16 befinden.
• Die Magnete der Permanentmagnetanordnung 10 sind bevorzugt mit dem Läuferrückschluss 9 fest verklebt oder auf andere Weise verbunden. Damit ziehen die Magnete und der Läuferrückschluss den gesamten Läufer 7 gegen den ferromagnetischen Statorkern 5, wodurch eine magnetische Querkraft in Z-Richtung hervorgerufen wird. Diese Querkraft wird in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls 1 genutzt, um eine einfache Montage des Moduls zu ermöglichen. So wird der Statorkern 5 durch eine entsprechende Öffnung im Statorgrundkörper 3 hin durchgezogen und an die Anlagefläche 6 zwischen Statorkern 5 und Statorgrundkörper 3 fest angedrückt. Dadurch kann auf weitere Befestigungsmittel verzichtet und der Material- sowie der Herstellungsaufwand vermindert werden. Weiterhin kann unter Nutzung desselben Effektes eine sehr einfache Wälzkörperführung zum Einsatz kommen, eine so genannte offene Wälzkörperführung, die Kräfte nur in einer Richtung (Drucklast) aufnehmen muss. In der anderen Richtung (Abzugslast) wird die Führung durch die magnetische Querkraft zusammengehalten, solange Lastkräfte und von der Raumlage des Linearantriebsmoduls abhängige Gewichtskräfte des Läufers zusammen kleiner sind als die anziehenden Magnetkräfte.
• Eine alternative, so nicht dargestellte vorteilhafte Ausführungsform sieht eine Permanentmagnetanordnung 10 vor, die nur den mittleren Permanentmagneten aufweist. Dieser ist in eine Nut im ferromagnetischen Läuferrückschluss 9 in der Weise eingebettet, dass dieser beidseits des einzigen Permanentmagneten diesen umschließt. Damit ist der Permanentmagnet in den ferromagnetischen Läuferrückschluss 9 eingebettet und es resultieren vergleichsweise hohe Motorkraft bei geringem Permanentmagnetvolumen, geringe Läufermasse, günstige Magnetkreiseigenschaften und nur relativ geringe Nichtlinearitäten in der Kraftcharakteristik.
• 2 zeigt eine Diagrammdarstellung der Abhängigkeit zwischen der Läuferposition 33 und der Wandlerkraft 32 bei bestimmter Läuferposition 33 bei einem erfindungsgemäßen Linearantriebsmodul 1 mit Permanentmagnetläufer. Für verschiedene Stromstärken 31, mit denen die Wicklung des Stators beaufschlagt wurde, werden die Wandlerkräfte 33, angegeben für einen auf unterschiedlichen Positionen (Läuferposition 33) fixierten Läufer, angegeben. Hierbei wird deutlich, dass selbst ohne Stromfluss (0 A) bei entsprechender Auslenkung des Läufers aus der Mittenposition Kräfte auftreten, die den Läufer mangels Gegenkraft in die Mittenposition zurückziehen.
• 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls 1 mit doppeltem E-förmigem Stator, jeweils mit Statorkern 5, 5‘ mit einer Wicklung 4, 4‘. Die Permanentmagnetanordnung 10 ist durch die Bewegungsluftspalte 24, 24‘ als Läufer beweglich gegenüber dem Statorkern 5 und dem Statorkern 5‘. Alternativ ist z. B. vorgesehen, dass anstelle des Statorkerns 5‘ ein ferromagnetischer Läuferrückschluss 9 gemäß 1 oder 4 vorgesehen und dieser fest mit der Permanentmagnetanordnung 10 verbunden ist, wodurch der zweite Bewegungsluftspalt 24‘ entfällt. An der Permanentmagnetanordnung 10 wirkt eine Kraft F_M über den Verfahrbereich h, der der Breite einer Statorpolfläche entspricht, hinweg.
• Der Einsatz eines E-förmigem Stators bzw. eines E-förmigen Läufers ist auch in anderen als der dargestellten planaren Ausführungsform vorgesehen, so beispielsweise bei der koaxialen Ausführungsform, die in 8 näher beschrieben ist. Dort ist vorgesehen, den Statorhalbschnitt E-förmig zu gestalten.
• Demgegenüber ist die U-Form vorteilhaft, weil das Verhältnis von Aktorlänge zu Verfahrbereich kleiner und die Form dadurch kompakter ist.
• 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls 1 mit der Bewegungsrichtung X des Läufers 7 orthogonal zur Bildebene. Die zum Stator 2 gehörigen Elemente sind im Statorgrundkörper 3 komplett untergebracht, einschließlich der Leiterplatte 25 mit der darauf befindlichen Ansteuerelektronik, die auch die Positionsmesseinrichtung umfasst. Es ist vorgesehen, dass Ansteuerelektronik und Positionsmesseinrichtung zusammengefasst auf der Leiterplatte 25 angeordnet sind. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau im Vergleich zu häufig verwandter getrennter Sensoranordnung und gesonderter Leiterplatte möglich. Weiterhin nimmt der Statorgrundkörper 3 den ferromagnetischen Statorkern 5 auf, der von der Wicklung 4 umgeben ist.
• Der Läufer 7 mit dem Läufertisch 8, der Permanentmagnetanordnung 10 und dem ferromagnetischen Läuferrückschluss 9 ist zum Stator 2 beabstandet beweglich angeordnet. Die Beweglichkeit des Läufers 7 in Bewegungsrichtung X wird durch eine im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete offene Wälzkörperführung 14 gewährleistet. Bedingt durch die magnetische Querkraft 20 zwischen Läufer 7 und Statorkern 5 wird der Läufer 7 mit den Schienen 17 und 18 fest gegen den Stator 2 mit den Schienen 18 gedrückt. Eine definierte Führung ohne Überbestimmtheit ist mit drei Schienen 18 mit V-förmiger Führungsbahn und einer Schiene 17 mit Führungsfläche möglich. Über die Kraftleitungswege 21 wird diese magnetische Querkraft 20 auf die Randbereiche des Läufers 7, wo dieser längsbeweglich geführt ist, geleitet, so dass die zwischen den Schienen 17, 18 befindlichen Wälzkörper 15 ihre Führungsbahnen nicht verlassen und eine offene Wälzkörperführung 14 bilden. Weitere formschlüssige Befestigungsmittel sind somit nicht erforderlich, was zu einer einfachen, besonders kostengünstigen Fertigung führt sowie die Kosten des fertigen Produkts senkt.
• Die Führung des als Tisch ausgebildeten Läufers 7 erfolgt demnach nicht wie zumeist für Linearmodule üblich durch eine geschlossene (eingespannte) Wälzkörperführung, sondern durch eine offene (aufliegende) Wälzkörperführung 14 mit Schienen 17, 18 und Wälzkörpern 15. Solche aufliegenden Wälzkörperführungen kommen nach dem Stand der Technik in Werkzeugmaschinen mit nur horizontal bewegtem Tisch zur Anwendung, bei denen Gewichts- und Prozesskräfte den gewünschten Kontakt zwischen Führungsbahnen und Wälzkörpern gewährleisten. Im erfindungsgemäßen Linearantriebsmodul 1 wirken auch im stromlosen Zustand (in mehrphasigen Lineardirektantrieben zumeist unerwünschte) magnetische Querkräfte 20 zwischen der Permanentmagnetanordnung 10 im Läufer 7 mit dem ferromagnetischen Läuferrückschluss 9 und dem ferromagnetischen Statorkern 5, die durch den in 1 für den stromlosen Zustand und Läufermittelstellung dargestellten Permanentmagnetfluss 19 hervorgerufen werden. Dadurch kann das Linearantriebsmodul 1 trotz der offenen Wälzkörperführung 14 in jeder beliebigen Raumlage genutzt werden, solange die Summe der auf den Läufer 7 wirkenden Gewichts- und Prozesskräfte die Magnetkräfte 20 nicht übersteigen.
• Offene Wälzkörperführungen 14 weisen gegenüber geschlossenen Ausführungen aufgrund der Kraftaufteilung auf die einzelnen Führungsbahnen bei gleicher Baugröße doppelt so große Tragzahlen auf und gestatten dadurch kleinere und wirtschaftlich günstigere Führungslösungen. Weitere Vorteile gegenüber geschlossenen Wälzkörperführungen sind die leichte Montierbarkeit (kein Verspannen) sowie die mögliche freie Ausdehnung bei Wärmeeintrag, wenn die Führung zwangfrei, d. h. statisch bestimmt ausgeführt ist. Bei der in 4 beispielhaft dargestellten Führung mit einer Schiene 17 ist dies der Fall.
• Die oben genannte, auch im stromlosen Zustand der Wicklung 4 wirkende magnetische Querkraft 20 zwischen den Hauptelementen Läufer 7 und Stator 2, konkret zwischen der Permanentmagnetanordnung 10 mit ferromagnetischem Läuferrückschluss 9 und dem ferromagnetischen Statorkern 5, wird gezielt genutzt, um den mit der Wicklung 4 versehenen ferromagnetischen Statorkern 5 definiert innerhalb des Statorgrundkörpers 3 anzuordnen und eine besonders einfache Montage der Statorbaugruppe ohne zusätzliche Verbindungselemente zu realisieren. Dazu verfügt der Statorgrundkörper 3 über eine Aussparung im Bereich des Luftspalts, in die der ferromagnetische Statorkern 5 formschlüssig eingesetzt und durch Kraftschluss, hervorgerufen durch die magnetische Querkraft, gesichert wird. Die definierte Position des ferromagnetischen Statorkerns 5 innerhalb der Aussparung und damit die Breite des Bewegungsluftspalts 24 zwischen den Polflächen des ferromagnetischen Statorkerns 5 und den Läufermagneten, den Permanentmagneten der Permanentmagnetanordnung 10, wird maßgeblich durch die ausgeprägten Anlageflächen 6 zwischen dem ferromagnetischen Statorkern 5 und dem Statorgrundkörper 3 festgelegt. Die Kombination aus lateralem Formschluss durch die Aussparung und Kraftschluss durch die Magnetkräfte führt zur gewünschten definierten Anordnung und einfachen Montage der Statorbaugruppe innerhalb des Statorgrundkörpers ohne zusätzliche Verbindungselemente.
• Zur Feststellung der aktuellen Position des Läufers 7 gegenüber dem Stator 2 dient die Positionsmesseinrichtung 13 mit dem Positionssensor 11 und der Maßverkörperung 12. Wenngleich in der bevorzugten Ausführungsform eine kostengünstige Maßverkörperung 12 zum Einsatz kommt, bei der der Abstand zwischen den das Maß verkörpernden Magnetpolen 1 mm beträgt, so sind die Sensorauflösung von 0,488 µm sowie die Genauigkeit der in das Linearantriebsmodul integrierten Positionsregelung von 5 µm vergleichsweise hoch. Das Verhältnis zwischen dem Aufwand, der für die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung 13 erforderlich ist, und der erreichten Genauigkeit ist sehr günstig. Dies wird neben der kostengünstigen Maßverkörperung und dem kostengünstigen Positionssenor ermöglicht durch eine Interpolationseinheit als Bestandteil der Positionsmesseinrichtung, die Zwischenwerte ermittelt und der Ansteuerelektronik für eine genaue Positionierung des Läufers 7 gegenüber dem Stator 2 zur Verfügung stellt, sowie durch die in das Linearantriebsmodul integrierte digitale Positionsregelung.
• Vorteilhafterweise sind die Anlageflächen 6 zwischen ferromagnetischem Statorkern 5 und Statorgrundkörper 3 nahe an den Polflächen des Statorkerns 5 angeordnet. Auf diese Weise ergeben sich die kürzestmöglichen Kraftleitungswege 21 und dadurch die kleinstmöglichen Verformungen am Linearantriebsmodul 1 insgesamt.
• Wesentlich zur Kompaktheit des Linearantriebsmoduls 1 trägt die statorfeste Anordnung der Leiterplatte 25 innerhalb des Stators 2 bei. Die Leiterplatte 25 weist die Ansteuerelektronik auf, die als Ansteuer- und Regelelektronik einschließlich Positionsmesseinrichtung ausgeführt ist. Ein Positionssensor 11, als Teil einer z. B. auf magnetischem oder optischem Wirkprinzip beruhenden Positionsmesseinrichtung 13, ist bevorzugt wegen des kompakten Aufbaus ebenfalls unmittelbar auf der Leiterplatte 25 und damit statorfest angeordnet. Vorteilhaft kann es im konkreten Anwendungsfall jedoch auch sein, wenn der Positionssensor 11 außerhalb der Leiterplatte 25 angeordnet ist. Der Positionssensor 11 ist bevorzugt zusammen mit einer Interpolationseinheit als Bestandteil der Positionsmesseinrichtung 13 auf der Leiterplatte 25 angeordnet, die mit einer Maßverkörperung 12 in unmittelbarer Nähe als Positionsmesseinrichtung 13 zusammenwirkt. Die beschriebene bevorzugte Anordnung führt zu einer räumlich besonders kompakten Ansteuerelektronik mit nur einer Leiterplatte 25, so dass die gesamte Elektronik innerhalb des Linearantriebsmoduls 1 integriert wird und damit die Position des Läufers 7 digital mittels Zustandsraumregelung oder kaskadiertem Regler im Linearantriebsmodul 1 geregelt wird. Über eine serielle oder Feldbusschnittstelle sind nur Sollpositionen, -geschwindigkeiten oder -beschleunigungen an das Linearantriebsmodul 1 zu übertragen.
• 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls 1 mit zwei Bewegungsluftspalten 24, 24‘, drei alternierend gepolten Permanentmagneten als magnetisch aktiver Bestandteil des Läufers, hier jedoch querkraftfrei aufgrund der Statorsymmetrie. Die magnetische Querkraft fehlt, da die Permanentmagnetanordnung 10 von den Statorkernen 5, 5‘ gleichermaßen angezogen wird und sich die Kräfte dadurch aufheben.
• Bevorzugt sind neben der Ausführung mit drei Permanentmagneten weitere Ausführungsformen vorgesehen. Hierzu gehört die Ausführung mit nur einem Permanentmagneten, nämlich dem mittleren. Vorteilhaft ist jedoch auch eine Ausführung mit einem Permanentmagneten in der Mitte und zwei äußeren ferromagnetischen Läuferabschnitten anstelle zweier äußerer Permanentmagnete. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Anordnung ausgesprochen vorteilhaft ist. Sie erreicht eine vergleichsweise hohe Motorkraft bei geringem Permanentmagnetvolumen, geringer Läufermasse, günstigen Magnetkreiseigenschaften, nur relativ geringen Nichtlinearitäten in der Kraftcharakteristik. Bevorzugt ist die Wicklung im äußeren U-förmigen hohlzylindrischen Stator in der Weise angeordnet, dass sie um die Zentralachse der Zylinder verläuft. Der Stator stellt dann den hohlzylindrischen Läufer mit dem mittleren Permanentmagneten und äußeren ferromagnetischen Abschnitten dar, während innen ein ruhender Rückschluss als Bestandteil des Stators angeordnet ist. Alternativ wird eine Wicklung auf dem ruhenden zylindrischen Statorkern angeordnet, während außen ein hohlzylindrischer ruhender Statorrückschluss und dazwischen der Läufer vorgesehen ist.
• Alternativ zu der dargestellten Wälzführung ist eine Federführung der Läufermagnete als Permanentmagnetanordnung 10 entsprechend 6 oder mit einer anders gestalteten Feder vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist dies bei einer querkraftfreien Anordnung ohne permanentmagnetische Querkräfte.
• 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebsmoduls mit einem hohlzylindrischen Stator 2‘ und einem als Kern ausgebildeten Läufer 7‘. Hierdurch bildet sich ein Bewegungsluftspalt mit hohlzylindrischer Gestalt heraus, der Läufer 7‘ ist in Richtung seiner Symmetrieachse gegenüber dem Stator 2 beweglich. In der bevorzugten Ausführungsform trägt der Läufer 7‘ eine Permanentmagnetanordnung, während am fixierten Stator 2‘ die Wicklung 4 angeordnet ist. Alternative Ausführungsformen sind nach der Erfindung dergestalt vorgesehen, dass das innere Element den Stator und das äußere Element den Läufer bildet oder dass das innere Element die Wicklung trägt und das äußere Element eine Permanentmagnetanordnung aufweist. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die beiden gegeneinander beweglichen Elemente Stator 2‘ und Läufer 7‘ Wicklungen 4 aufweisen und nur bei Stromfluss eine Kraftwirkung zwischen den Magnetfeldern hervorgerufen wird. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Wicklung bei einem geteilten Stator, in dessen Luftspalt sich der Läufer bewegt, auf einem der Teile oder auf beiden Teile aufgebracht ist.
• Der nicht dargestellte Querschnitt längs zur Symmetrieachse des Stators 2 weist erfindungsgemäß Anordnungen von konzentrischen Wicklungen und einem ferromagnetischen Statorkern auf. Insbesondere hat sich eine Anordnung mit einem im Halbschnitt E-förmigen Statorkern als vorteilhaft erwiesen. Demgegenüber bietet ein U-fömiger Statorquerschnitt ein kleineres Verhältnis von axialer Baulänge zu Verfahrbereich. Ein E- oder U-förmiger Stator außen bedarf immer auch eines bewegten oder ruhenden zylindrischen oder hohlzylindrischen Rückschlusses, um den die Wicklungen in diesem Fall konzentrisch gewickelt sind. Falls ein E- oder U-förmiger Stator innen liegt, d.h. die Schenkel zeigen radial nach außen, ist ein hohlzylindrischer ferromagnetischer Rückschluss erforderlich.
• Der Läufer 7‘ wird durch eine Federführung 26 zentriert, um ihn reibungsfrei, unter Wahrung eines gleichmäßigen Bewegungsluftspalts innerhalb des Stators 2‘ zu führen und bei der Bewegungsumkehr einen Stick-Slip-Effekt (Übergang zwischen Haft- zu Gleitreibung) zu vermeiden. Besonders vorteilhaft verhindert die zur Ansteuerung vorhandene Regelung Schwingungen, die durch den aus Federführung und bewegter Masse gebildeten Schwinger hervorgerufen werden könnten.
• Zu der vereinfachten Prinzipdarstellung alternative Ausführungsformen weisen mehrere ineinander bewegliche, zylindrische Elemente auf. Besonders bevorzugt bewegen sich einerseits ein Kern und ein Außenmantel und andererseits ein dazwischen beweglich angeordneter Hohlzylinder relativ zueinander. Dabei besteht der Stator aus einem äußeren hohlzylindrischen und einem inneren zylindrischen Teil. Zwischen beiden Elementen besteht ein Luftspalt, der so bemessen ist, dass in ihm ein hohlzylindrischer Läufer axial beweglich ist.
• 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Federführung 26 mit geschlitzter Membranfeder 27 in Draufsicht. Die geschlitzte Membranfeder 27 sieht eine zentrale Befestigung 30 vor, die mit dem Läufer 7‘ verbunden ist, sowie weiteren Befestigungen 29 am Umfang. Weitere Ausführungsformen sehen jedoch auch andere Befestigungen vor, wie z.B. dass die zentrale Bohrung mit dem ruhenden Statorkern und der äußere Federrand mit dem axial beweglichen Läufer verbunden ist. Die Befestigungen 29 dienen der Befestigung des Linearantriebsmoduls 1‘ mit der Basis, beispielsweise dem Statorgrundkörper. Um die Federwirkung hervorzurufen, erhält die Membranfeder Schlitze 28, durch deren Gestaltung und Dimensionierung die erwünschte Federwirkung eingestellt werden kann.
• Bezugszeichenliste

1, 1‘

Linearantriebsmodul

2, 2‘

Stator

3

Statorgrundkörper

4, 4‘

Wicklung (Stator)

5, 5‘

ferromagnetischer Statorkern

6

Anlagefläche zwischen Statorkern und Statorgrundkörper

7, 7‘

Läufer

8

Läufertisch

9

ferromagnetischer Läuferrückschluss

10

Permanentmagnetanordnung

11

Positionssensor

12

Maßverkörperung für Positionssensor

13

Positionsmesseinrichtung

14

Linearführung, offene Wälzkörperführung

15

Wälzkörper

16

Position (Wälzkörperführung)

17

Schiene mit Führungsfläche

18

Schiene mit Führungsbahn

19

Permanentmagnetfluss in Läufermittelstellung stromlos

20

magnetische Querkraft zwischen Läufer und Statorkern

21

Kraftleitungswege zwischen Stator und Läufer

24, 24‘

Bewegungsluftspalt

25

Leiterplatte

26

Federführung

27

spiralförmig geschlitzte Membranfeder

28

Schlitz

29

Befestigung

30

Befestigung

31

Stromstärke (A)

32

Wandlerkraft (N)

33

Läuferposition (x)

34

Kante

F_m

Motorkraft

h

Verfahrbereich

N

magnetischer Nordpol eines Permanentmagneten

S

magnetischer Südpol eines Permanentmagneten

X

Hauptbewegungsfreiheitsgrad

Y

zweiter Bewegungsfreiheitsgrad in der Ebene

Z

Bewegungsfreiheitsgrad orthogonal zur Ebene X-Y

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10339260 A1 [0007]
• DE 102006013582 A1 [0007]
• US 4602174 A [0007]
• DE 102005038777 B4 [0007]

Claims (13)

1. Translatorisches elektrodynamisches Linearantriebsmodul, umfassend einen Stator (2) mit ferromagnetischem Statorkern (5) und Wicklung (4) zur Erzeugung wenigstens eines ersten Magnetfelds, einen Läufer (7) mit wenigstens einer Permanentmagnetanordnung (10) zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Magnetfelds, eine Linearführung (14), eine kraft- oder positionsregelnde Ansteuerelektronik sowie eine Positionsmesseinrichtung (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Linearantriebsmodul (1, 1‘) ohne Kommutierungseinrichtung einphasig aufgebaut ist.
2. Linearantriebsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Statorkern (5) einen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Permanentmagnetanordnung (10) aus einem Permanentmagneten besteht.
3. Linearantriebsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (10) aus einem Permanentmagneten besteht, der beiderseits durch ferromagnetische Läuferabschnitte flankiert wird.
4. Linearantriebsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Statorkern (5) einen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Permanentmagnetanordnung (10) aus drei alternierend gepolten Permanentmagneten besteht.
5. Linearantriebsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Statorkern (5) einen E-förmigen Querschnitt aufweist und die Permanentmagnetanordnung (10) aus zwei alternierend gepolten Permanentmagneten besteht.
6. Linearantriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung (14) als offene Wälzführung ausgeführt ist, wobei ein zweiter Freiheitsgrad (Z) durch eine permanentmagnetische Querkraft blockiert ist, und der Stator (2) und der Läufer (7) durch die zwischen beiden Elementen wirkende permanentmagnetische Querkraft kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
7. Linearantriebsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Statorkern (5) an seiner zum Läufer (7) hin gewandten Seite so gestaltet ist, dass er eine männliche Passform aufweist, mit der er in der Weise in einer weiblichen Passform in dem Statorgrundkörper (3) sitzt, dass eine Bewegung in einer ersten Bewegungsebene, die die Bewegungsebene des Läufers (7) ist, verhindert wird und die Bewegung in einer zweiten Bewegungsebene quer zu der ersten Bewegungsebene in Querkraftrichtung durch einen Kragen verhindert wird, wodurch der ferromagnetische Statorkern (5) in der ersten Bewegungsebene formschlüssig fixiert, in der zweiten Bewegungsebene in Querkraftrichtung formschlüssig fixiert und in der Gegenrichtung durch die magnetische Querkraft kraftschlüssig gesichert ist.
8. Linearantriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung (14) als zentrierende Federführung (26) ausgeführt ist, aufweisend wenigstens eine mit Durchbrüchen versehene Membranfeder.
9. Linearantriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Element, insbesondere der Stator (2‘), und ein zweites Element, insbesondere der Läufer (7‘), vorgesehen sind, wobei die Elemente zylinderförmig ausgebildet, konzentrisch und relativ zueinander beweglich, insbesondere in axialer Richtung, angeordnet sind.
10. Linearantriebsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein als zylindrischer Kern ausgeführtes zweites Element, insbesondere der Läufer (7‘), in einem hohlzylindrischen ersten Element, insbesondere dem Stator (2‘), angeordnet ist.
11. Linearantriebsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zylindrischer Kern und ein hohlzylindrischer Außenmantel zusammen ein erstes Element mit einem zwischen Kern und Außenmantel angeordneten Luftspalt, insbesondere einen Stator (2‘), bilden und ein in dem Luftspalt angeordnetes zweites, hohlzylindrisches Element, insbesondere ein Läufer (7‘), vorgesehen ist.
12. Linearantriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik der Wicklung (4) zusammen mit dem Positionssensor (11) und der Interpolationseinheit auf einer Leiterplatte (25) und diese in einem Statorgrundkörper (3) angeordnet ist.
13. Anordnung zur Vermeidung eines Sensorfehlers beim Einsatz einer magnetischen Positionsmesseinrichtung (13), umfassend wenigstens ein Hallelementarray als Positionssensor (11) und eine permanentmagnetische Maßverkörperung (12), zum Einsatz in dem Linearantriebsmodul (1, 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzlicher Permanentmagnet vorgesehen ist, der das Streufeld der Wicklung (4) im Bereich der Positionsmesseinrichtung mit einem magnetischen Gleichfeld so überlagert, dass bei einem Wechsel der Stromrichtung in der Wicklung (4) die Polarität des Streufelds an dem Positionssensor (11) unverändert bleibt.

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