DE102015209322A1 - engine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor (01) umfassend mindestens ein Primärteil (03) mit einer als gedruckte Schaltung auf einer mehrschichtigen Leiterplatte ausgebildeten Wicklung und ein Sekundärteil (04) mit Permanentmagneten (07). Primär- und Sekundärteil (03, 04) sind einander gegenüberliegend angeordnet und durch einen Luftspalt (06) voneinander beabstandet. Auf der Leiterplatte ist mindestens ein Kühlkörper (08) angeordnet.The present invention relates to a motor (01) comprising at least one primary part (03) with a winding formed as a printed circuit on a multilayer printed circuit board and a secondary part (04) with permanent magnets (07). Primary and secondary parts (03, 04) are arranged opposite each other and spaced from each other by an air gap (06). On the circuit board at least one heat sink (08) is arranged.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor umfassend mindestens ein Primärteil mit einer als gedruckte Schaltung auf einer mehrschichtigen Leiterplatte ausgebildeten Wicklung und ein Sekundärteil mit Permanentmagneten.The present invention relates to a motor comprising at least one primary part with a winding formed as a printed circuit on a multilayer printed circuit board and a secondary part with permanent magnets.
Einsatzgebiete der Erfindung sind insbesondere Linearmotoren, Torquemotoren, Linearachssysteme, Rundachssysteme und Drehtische. Derartige Antriebssysteme werden beispielsweise in der Automation, bei Druck-, Productronic-, Verpackungs-, Werkzeug-, Prüf- und Montagemaschinen eingesetzt. An Maschinen, die diese Antriebssysteme nutzen, werden zumeist hohe Anforderungen hinsichtlich Dynamik, Energieeffizienz, absolute Positioniergenauigkeit und Wiederholpositioniergenauigkeit gestellt. Auf diese Weise sollen Ausbringungsleistung, Produktivität und Produktionsqualität gesteigert werden, um hierdurch auch die Total Cost of Ownership (TCO, Gesamtbetriebskosten) zu minimieren. Fields of application of the invention are, in particular, linear motors, torque motors, linear axis systems, rotary axis systems and turntables. Such drive systems are used for example in automation, in printing, Productronic, packaging, tooling, testing and assembly machines. Machines that use these drive systems usually have high requirements in terms of dynamics, energy efficiency, absolute positioning accuracy and repeat positioning accuracy. In this way, output performance, productivity and production quality are to be increased in order to minimize the total cost of ownership (TCO).
Die
Ein Werkstückträgerumlaufsystem ist beispielsweise in der
Bei rotativen und linearen Direktantriebsmotoren gibt es drei unterschiedliche Bauarten. So wird in eisenbehaftete, genutete Torque- oder Linearmotoren, eisenbehaftete, nutenlose Torque- oder Linearmotoren und eisenlose Torque- oder Linearmotoren unterschieden. Eisenbehaftete, genutete Torque- oder Linearmotoren weisen den höchsten Wirkungsgrad auf, d.h. es werden höchste Nennmotormomente oder -kräfte bei gleichzeitig geringem Strombedarf erzielt. Die Dynamik (Beschleunigungsvermögen) ist für viele Anwendungsfälle zufriedenstellend hoch. Durch die Nuten in den Wicklungskörpern treten jedoch Polrastmomente und -kräfte auf. Außerdem kommt es zum aktiven Motorcogging. Hierbei handelt es sich um Rastkräfte, welche durch die magnetische Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten und dem Eisenkern entstehen. Mittels Regler können diese unerwünschten Momente und Kräfte bis auf einen verbleibenden Restbetrag kompensiert werden. Die Positioniergenauigkeit und der Geschwindigkeitsgleichlauf können jedoch beeinträchtigt werden. Des Weiteren treten Wirbelströme aufgrund magnetischer Flussänderung (zeitlich und örtlich) in den Eisenteilen, wie Eisenrückschlüssen, auf denen die Permanentmagnete angeordnet sind, sowie in den geblechten Wicklungskörpern, auf. Die Wirbelströme führen zur Erwärmung der betreffenden Eisenteile und zum Bremsen der Bewegung. Durch Verwendung von Blechpaketen kann die Bildung von Wirbelströmen bis zu einem gewissen Grad verhindert werden.There are three different types of rotary and linear direct drive motors. Thus, a distinction is made in iron-embossed, grooved torque or linear motors, iron-embossed, slotless torque or linear motors and ironless torque or linear motors. Iron-loaded, grooved torque or linear motors have the highest efficiency, i. E. highest rated motor torques or forces are achieved with low power consumption at the same time. The dynamics (acceleration capacity) are satisfactorily high for many applications. Due to the grooves in the winding bodies, however, Polrastmomente and forces occur. It also comes to active motor cogging. These are cogging forces that arise due to the magnetic attraction between the permanent magnets and the iron core. By means of a regulator these unwanted moments and forces can be compensated for up to a remaining amount. However, the positioning accuracy and the speed synchronization can be impaired. Furthermore, eddy currents occur due to magnetic flux change (temporal and local) in the iron parts, such as iron yokes, on which the permanent magnets are arranged, as well as in the laminated winding bodies. The eddy currents lead to heating of the relevant iron parts and to braking the movement. By using laminated cores, the formation of eddy currents can be prevented to some extent.
Auch eisenbehaftete, nutenlose Torque- oder Linearmotoren weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, d.h. es werden hohe Nennmotormomente oder -kräfte bei gleichzeitig geringem Strombedarf erzielt. Die Dynamik (Beschleunigungsvermögen) ist höher als die Dynamik bei eisenbehafteten, genuteten Motoren. Aufgrund der nicht vorhandenen Nuten gibt es keine Polrastmomente und -kräfte. Aktives Motorcogging tritt jedoch weiterhin auf, kann aber bis auf einen verbleibenden Restbetrag mittels Regler kompensiert werden. Die Positioniergenauigkeit und der Geschwindigkeitsgleichlauf können jedoch beeinträchtigt werden. Wirbelströme können zur Erwärmung führen.Also ironed, slotless torque or linear motors have a high efficiency, i. E. High rated motor torques or forces are achieved with low power consumption at the same time. The dynamics (acceleration capacity) are higher than the dynamics of iron-coated, grooved motors. Due to the non-existent grooves, there are no Polrastmomente and forces. However, active motor cogging continues to occur, but can be compensated for by a regulator except for a remaining amount. However, the positioning accuracy and the speed synchronization can be impaired. Eddy currents can lead to heating.
Eisenlose Torque- oder Linearmotoren weisen im Vergleich zu den bereits beschriebenen Motorbauarten einen geringeren Wirkungsgrad auf, d.h. es werden niedrigere Nennmotormomente erzielt. Die Dynamik (Beschleunigungsvermögen) ist extrem hoch, weil die Masse der bewegten Motorkomponenten gering und die Induktivität der Wicklung niedrig ist. Aufgrund der nicht vorhandenen Nuten gibt es keine Polrastmomente und -kräfte. Durch die eisenlose Bauform tritt auch kein aktives Motorcogging auf, was die Positioniergenauigkeit und den Geschwindigkeitsgleichlauf positiv beeinflusst. Es können keine Wirbelströme und auch keine Erwärmung der Eisenteile auftreten, da keine Eisenteile vorhanden sind.Ironless torque or linear motors have a lower efficiency compared to the motor designs already described, i. Lower nominal engine torques are achieved. The dynamics (acceleration capacity) is extremely high because the mass of the moving motor components is low and the inductance of the winding is low. Due to the non-existent grooves, there are no Polrastmomente and forces. Due to the ironless design no active motor cogging occurs, which positively influences the positioning accuracy and the speed synchronization. There can be no eddy currents and no heating of the iron parts, since there are no iron parts.
Bei allen drei vorgenannten Motorbauarten kommt es zu Wicklungsverlusten aufgrund des ohmschen Widerstandes der Kupferlagenwicklungen. Dies führt zur Erwärmung der Wicklungen, also der Leiterplatten (Primärteile). In manchen Fällen, wenn die Anforderung an die Motormomente bzw. die Motorkräfte nicht sehr hoch sind, können die Leiterplatten (Primärteile) anstatt als kompletter Ring in segmentförmiger Form ausgeführt werden. Werden nun die Leiterplatten auf der Rückseite, also auf der den Sekundärteilen abgewandten Seite, mit Eisenrückschlussblechen versehen, führt der Eintritt eines jeden Permanentmagneten in den Wirkungsbereich (Kante) des Eisenrückschlussbleches zu einem Rastmoment, bzw. zu einer Rastkraft, was nachteilig für die Positioniergenauigkeit ist. Antriebe mit segmentierten Primärteilen sind beispielsweise aus folgenden Druckschriften bekannt:
Zum Abführen der in den Leiterplatten (Primärteil) entstehenden Wärme werden entweder zusätzliche Kühlkörper angebracht oder der Eisenrückschluss als Kühlkörper mit Kühlrippen ausgeführt, um die Oberfläche und damit die angestrebte Entwärmung zu steigern. Aufgrund der Relativbewegung zwischen dem ruhenden Primär- und dem drehenden Sekundärteil werden in den Eisenrückschlussblechen und auch in den Kühlkörpern Wirbelströme induziert, was zu einem Bremsmoment oder einer Bremskraft führt und darüber hinaus auch zu einem zusätzlichen Erwärmungsanteil, verursacht durch die Wirbelströme, im Kühlkörper führt.To dissipate the heat generated in the circuit boards (primary part) either additional heat sinks are installed or the iron yoke is designed as a heat sink with cooling fins to increase the surface and thus the desired heat dissipation. Due to the relative movement between the stationary primary and the rotating secondary part eddy currents are induced in the iron return plates and in the heat sinks, resulting in a braking torque or a braking force and also leads to an additional heating component caused by the eddy currents in the heat sink.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Motor zur Verfügung zu stellen, dessen Wicklungen in Form gedruckter Schaltungen auf einer mehrschichtigen Leiterplatte realisiert sind und welcher einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Dynamik bei gleichzeitig eliminiertem Polrasten und minimierten Wirbelströmen aufweist. Die im Motor, insbesondere aufgrund der Wicklungsverluste, entstehende Wärme soll zuverlässig abgeführt werden.The object of the present invention is therefore to provide a motor, the windings are realized in the form of printed circuits on a multilayer printed circuit board and which has a high efficiency and high dynamics with simultaneously eliminated Polrasten and minimized eddy currents. The heat generated in the motor, in particular due to the winding losses, should be dissipated reliably.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Motor gemäß Anspruch 1. Der erfindungsgemäße Motor umfasst mindestens ein Primärteil mit einer als gedruckte Schaltung auf einer mehrschichtigen Leiterplatte ausgebildeten Wicklung und ein Sekundärteil mit Permanentmagneten. Primär- und Sekundärteil sind einander gegenüberliegend angeordnet und durch einen Luftspalt voneinander beabstandet. Der Motor umfasst weiterhin mindestens einen auf der Leiterplatte angeordneten Kühlkörper, welcher zur Kühlung der auf der Leiterplatte angeordneten Wicklung dient. To achieve the object of the invention, a motor according to claim 1. The motor according to the invention comprises at least one primary part with a designed as a printed circuit on a multilayer printed circuit board winding and a secondary part with permanent magnets. Primary and secondary parts are arranged opposite to each other and spaced from each other by an air gap. The motor further comprises at least one arranged on the circuit board heat sink, which serves to cool the arranged on the circuit board winding.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht der Kühlkörper aus Aluminium. Aluminium hat bekanntlich eine hohe thermische Leitfähigkeit, wodurch die Leiterplatte gut gekühlt werden kann. Diese Ausführung hat jedoch den Nachteil, dass Wirbelströme auftreten, die zu einer zusätzlichen Erwärmung des Kühlkörpers führen und den beweglichen Motorbestandteil abbremsen. An dem aus Aluminium bestehen Kühlkörper kann ein Eisenrückschlussblech befestigt werden, um den magnetischen Fluss zu schließen.According to a first preferred embodiment, the heat sink is made of aluminum. Aluminum is known to have high thermal conductivity, which allows the circuit board to be cooled well. However, this embodiment has the disadvantage that eddy currents occur, which lead to an additional heating of the heat sink and slow down the movable engine component. An iron back plate may be attached to the heat sink made of aluminum to close the magnetic flux.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht der Kühlkörper aus Stahl. Auf diese Weise dient der Kühlkörper gleichzeitig als Eisenrückschluss für den magnetischen Fluss.According to a further advantageous embodiment, the heat sink is made of steel. In this way, the heat sink also serves as iron yoke for the magnetic flux.
Der Kühlkörper kann alternativ auch aus einem magnetisch leitfähigen Sintermaterial mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein. Die Körnchenstruktur des Sintermaterials hat den Vorteil, dass Wirbelströme verhindert bzw. reduziert werden können. Neben seiner Kühlfunktion dient der Kühlkörper wiederum zum Schließen des magnetischen Flusses.The heat sink may alternatively be made of a magnetically conductive sintered material with a good thermal conductivity. The granular structure of the sintered material has the advantage that eddy currents can be prevented or reduced. In addition to its cooling function, the heat sink again serves to close the magnetic flux.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform nutzt einen Kühlkörper aus einem Verbundwerkstoff mit eingebetteten Eisenpartikeln. Die Eisenpartikel sind in einer vernetzbaren Vergussmasse (Ein- oder Zweikomponenten-Vergussmaterial) gleichmäßig verteilt und eingebunden. Die Herstellung des Kühlkörpers erfolgt mittels Gießen mit anschließendem Aushärten (chemische Vernetzung). Der Kühlkörper erfüllt wiederum neben seiner eigentlichen Kühlfunktion die Funktion des magnetischen Rückschlusses. A further advantageous embodiment uses a heat sink made of a composite material with embedded iron particles. The iron particles are uniformly distributed and integrated in a crosslinkable potting compound (one- or two-component potting material). The production of the heat sink by means of casting with subsequent curing (chemical crosslinking). The heat sink again fulfills the function of the magnetic return path in addition to its actual cooling function.
Des Weiteren kann auf den Kühlkörper und den Eisenrückschluss auch verzichtet werden. In diesem Fall würde der magnetische Kreis über den die Permanentmagneten umgebenden Raum als Streufluss geschlossen werden. Die Kühlung der Leiterplatten erfolgt hierbei direkt an der Oberfläche. Da kein Eisenrückschlussblech und kein Kühlkörper vorliegen, können sich bei dieser Variante auch keine Wirbelströme ausbilden.Furthermore, it is also possible to dispense with the heat sink and the iron yoke. In this case, the magnetic circuit over the space surrounding the permanent magnets would be closed as leakage flux. The cooling of the printed circuit boards takes place directly on the surface. Since there is no iron return plate and no heat sink, no eddy currents can form in this variant.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention as well as their advantages and details are explained in more detail below with reference to the attached figures. Show it:
Die Primärteile
In den Motor
Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, dass die beschriebene Ausführungsform zwar einen rotativen Motor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Motor engine
- 0202
- Gehäuse casing
- 0303
- Primärteil / Leiterplatte Primary part / circuit board
- 0404
- Sekundärteil secondary part
- 0505
- Wälzlager roller bearing
- 0606
- Luftspalt air gap
- 0707
- Permanentmagnete permanent magnets
- 0808
- Kühlkörper heatsink
- 0909
- Signalgeber signaler
- 1010
- Sensor sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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