DE102016015758A1

DE102016015758A1 - Electric linear direct drive and linear guide

Info

Publication number: DE102016015758A1
Application number: DE102016015758.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ziske; Jens Lienig; Thomas Bödrich
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2017-12-14
Also published as: DE102016115117B4; DE102016115116A1; DE102016115117A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Lineardirektantrieb, umfassend eine Statoranordnung mit weichmagnetischen Statorabschnitten und einer Wicklung zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds in einem der Statorabschnitte (12, 14), eine Läuferanordnung mit einer Permanentmagnetanordnung zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Magnetfelds und eine Linearführung. Die Läuferanordnung (20) ist konzentrisch in einem Zwischenraum (13) zwischen dem ersten und dem zweiten Statorabschnitt (12, 14) axial beweglich angeordnet. Sie umfasst im Bereich des Zwischenraums (13) einen weichmagnetischen Läufergrundkörper (22) und einen mit dem Läufergrundkörper (22) verbundenen Permanentmagneten (24). Der Läufergrundkörper (22) ist so ausgeführt, dass er zusammen mit dem zweiten Statorabschnitt (12, 14) den Rückschluss für den magnetischen Fluss bildet.The invention relates to a direct linear electrical drive comprising a stator arrangement with soft magnetic stator sections and a winding for generating a first magnetic field in one of the stator sections (12, 14), a rotor arrangement with a permanent magnet arrangement for generating at least a second magnetic field and a linear guide. The rotor arrangement (20) is concentrically arranged axially movably in a gap (13) between the first and second stator sections (12, 14). It comprises in the region of the intermediate space (13) a soft-magnetic rotor base body (22) and a permanent magnet (24) connected to the rotor base body (22). The rotor base body (22) is designed so that it forms the conclusion for the magnetic flux together with the second stator section (12, 14).

Description

Die Erfindung betrifft einen translatorischen elektrischen Direktantrieb, insbesondere ausgeführt als Lineardirektantrieb. The invention relates to a translatory electric direct drive, in particular designed as a linear direct drive.

Allgemein bestehen Linearantriebe aus zwei translatorisch relativ zueinander beweglichen Hauptelementen. Eines von beiden, i. d. R. das schwerere, ist zumeist relativ zur Umgebung in Ruhe und wird als Stator bezeichnet. Das zweite Hauptelement, i. d. R. das leichtere, bewegt sich translatorisch relativ zum Stator und wird als Läufer bezeichnet. In general, linear drives consist of two translationally movable main elements. One of them, i. d. R. the heavier, is mostly relative to the environment at rest and is referred to as a stator. The second main element, i. d. R. the lighter, moves translationally relative to the stator and is referred to as a runner.

Bezüglich des Magnetkreises von Linearmotoren existieren vielfältige Bauformen. Einphasige tubulare Lineardirektantriebe für kleine Verfahrwege mit im Läufer angeordneten radial magnetisierten Permanentmagneten werden z. B. beschrieben in:
T. Bödrich, F. Ehle, O. Rivera, J. Lienig: Compact Moving-Magnet Actuator for Automation and its Control. Tagungsband ACTUATOR 2014, 14th International Conference on New Actuators, Bremen, 23.–25.6.2014, S. 193–196 und
T. Bödrich, F. Ehle, M. Süßenbecker, J. Lienig: Novel moving-magnet electrodynamic feed units for small machine tools. Production Engineering 7 (2013) Nr. 5, S. 497–501 . With regard to the magnetic circuit of linear motors, there are a variety of designs. Single-phase tubular linear direct drives for small travels with arranged in the rotor radially magnetized permanent magnet z. As described in:
T. Bödrich, F. Ehle, O. Rivera, J. Lienig: Compact Moving Magnet Actuator for Automation and its Control. Conference Volume ACTUATOR 2014, 14th International Conference on New Actuators, Bremen, 23.-25.6.2014, pp. 193-196 and
T. Bödrich, F. Ehle, M. Süßenbecker, J. Lienig: Novel Magnetic-Magnetic-Electro-Dynamics Feed Units for Small Machine Tools. Production Engineering 7 (2013) No. 5, pp. 497-501 ,

Die Druckschrift DE 196 43 518 A1 beschreibt einen Linearantrieb mit einer Aktiveinheit, die Elemente zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses besitzt, einer Passiveinheit, die magnetisierbare oder magnetische Bereiche umfasst, einer Führungseinheit, die eine reibungsarme Bewegung zwischen Aktiv- und Passiveinheit gestattet und einer Ansteuereinheit, mit der der Magnetfluss veränderbar ist. Die Passiveinheit besteht aus einem Leichtbaugrundkörper aus Verbundwerkstoff, an dem die magnetisierbaren bzw. magnetischen Bereiche angeordnet sind. Allerdings sind Führung und Antrieb nur einseitig, zumindest aber nicht gleichmäßig allseitig wirkend, vorgesehen, was zu Verkanten, Schwergängigkeit und erhöhtem Verschleiß des Linearantriebs führt. The publication DE 196 43 518 A1 describes a linear drive with an active unit having elements for generating a variable magnetic flux, a passive unit comprising magnetizable or magnetic areas, a guide unit that allows low-friction movement between the active and passive unit and a drive unit with which the magnetic flux is variable. The passive unit consists of a lightweight composite body, on which the magnetizable or magnetic regions are arranged. However, the guide and drive are only on one side, at least but not uniform all-around, provided, which leads to tilting, stiffness and increased wear of the linear drive.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 104 840 A1 ist ein translatorisches elektrodynamisches Linearantriebsmodul bekannt, 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, wobei das Linearantriebsmodul ohne Kommutierungseinrichtung einphasig aufgebaut ist. Aus der räumlichen Trennung von Antrieb und Linearführung resultieren ein großer Bauraum und eine entsprechend niedrige Leistungsdichte. From the publication DE 10 2012 104 840 A1 a translatory electrodynamic linear drive module is known, comprising a stator with ferromagnetic stator core and winding for generating at least a first magnetic field, a rotor having at least one permanent magnet arrangement for generating at least a second magnetic field, a linear guide, a force- or position-regulating control electronics and a position measuring device, wherein the Linear drive module without commutation is constructed single-phase. The spatial separation of drive and linear guide results in a large installation space and a correspondingly low power density.

In Linearmotoren nach dem Stand der Technik sind zudem Permanentmagnete des Läufers auf einem unmagnetischen Läufergrundkörper aufgebracht, der sich in einem vom magnetischen Fluss durchsetzten Luftspalt bewegt. Durch den unmagnetischen Grundkörper ergeben sich ungünstig kleine Luftspaltflussdichten, dadurch vergleichsweise kleine Kräfte und Kraftdichten sowie relativ hohe Wicklungsverlustleistungen. Linearmotoren, deren Permanentmagnete im Läufer mit einem weichmagnetischen Rückschluss verbunden, beispielsweise verklebt sind, weisen durch die große Masse des mitbewegten magnetischen Rückschlusses eine schlechte Dynamik auf. In linear motors according to the prior art also permanent magnets of the rotor are applied to a non-magnetic rotor body, which moves in an air gap penetrated by the magnetic flux. Due to the non-magnetic base body, unfavorably small air gap flux densities result, thereby comparatively small forces and force densities and relatively high winding power losses. Linear motors, the permanent magnets in the rotor connected to a soft magnetic yoke, for example, are glued, have due to the large mass of co-moving magnetic yoke poor dynamics.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Linearmotor zu schaffen, der sich durch hohe Kraftdichte, geringe Verlustleistung, hohe Dynamik sowie durch gute Regelbarkeit von Position und Kraft auszeichnet. Object of the present invention is therefore to provide a linear motor, which is characterized by high power density, low power loss, high dynamics and good controllability of position and strength.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Lineardirektantrieb, umfassend eine Statoranordnung mit wenigstens einem weichmagnetischen Statorabschnitt und wenigstens einer Wicklung zur Erzeugung wenigstens eines ersten Magnetfelds, eine Läuferanordnung mit wenigstens einer Permanentmagnetanordnung zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Magnetfelds und eine Linearführung, die bevorzugt mit im Magnetkreis angeordnet ist. Die Statoranordnung umfasst einen ersten Statorabschnitt, in dessen Innerem die wenigstens eine konzentrische Wicklung angeordnet ist, und einen zweiten weichmagnetischen Statorabschnitt und die Läuferanordnung konzentrisch in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Statorabschnitt axial beweglich angeordnet ist. Die Läuferanordnung umfasst zumindest im Bereich des Zwischenraums einen weichmagnetischen Läufergrundkörper und mindestens einen mit dem Läufergrundkörper verbundenen, im Wesentlichen in Normalenrichtung zu der dem Zwischenraum zugewandten Fläche eines der beiden Statorabschnitte magnetisierten Permanentmagnet, wobei der Läufergrundkörper so ausgeführt ist, dass er zusammen mit dem zweiten Statorabschnitt den Rückschluss für den magnetischen Fluss bildet. The object is achieved by an electric linear direct drive, comprising a stator arrangement having at least one soft magnetic stator section and at least one winding for generating at least a first magnetic field, a rotor arrangement having at least one permanent magnet arrangement for generating at least a second magnetic field and a linear guide, which is preferably arranged in the magnetic circuit is. The stator assembly comprises a first stator section, inside which the at least one concentric winding is arranged, and a second soft-magnetic stator section and the rotor arrangement is arranged concentrically axially movable in a gap between the first and the second stator section. At least in the area of the intermediate space, the rotor arrangement comprises a magnetically soft rotor base body and at least one permanent magnet connected to the rotor base body, essentially in the normal direction to the surface of one of the two stator sections facing the intermediate space, the rotor base body being designed such that that it forms the conclusion for the magnetic flux together with the second stator section.

Erfindungsgemäß ist, allgemein beschrieben, somit ein Linearmotor, dessen erstes Hauptelement einen ersten, mit mindestens einer Wicklung versehenen weichmagnetischen Abschnitt, einen zweiten weichmagnetischen Abschnitt und einen Zwischenraum zwischen beiden Abschnitten aufweist, und dessen zweites Hauptelement im oben genannten Zwischenraum mindestens einen mit einem Läufergrundkörper verbundenen, beispielsweise mit diesem verklebten Permanentmagneten aufweist. Der Läufergrundkörper ist zumindest im Bereich des Zwischenraums weichmagnetisch und so ausgeführt, dass er zusammen mit dem zweiten weichmagnetischen Abschnitt des ersten Hauptelements den Rückschluss für den magnetischen Fluss bildet. Eine derartige Trennung des weichmagnetischen Rückschlusses in einen statorseitig ruhenden und einen läuferseitig bewegten Teil bewirkte überraschend kleine Luftspalte im Magnetkreis des Linearmotors und damit hohe Motorkräfte bei geringer Verlustleistung. Weiterhin bewirkt die Trennung des Rückschlusses in einen ruhenden und einen mitbewegten weichmagnetischen Teil bei besonders vorteilhafter dünnwandiger Ausführung des bewegten Teils des Rückschlusses eine kleine bewegte Masse und damit eine hohe Dynamik. According to the invention, generally described, thus a linear motor whose first main element has a first, provided with at least one winding soft magnetic portion, a second soft magnetic portion and a gap between the two sections, and the second main element in the above-mentioned gap at least one connected to a rotor body Having, for example, with this bonded permanent magnet. The rotor base body is soft magnetic at least in the region of the intermediate space and designed such that it forms the conclusion for the magnetic flux together with the second soft magnetic portion of the first main element. Such a separation of the soft magnetic yoke into a stator-side stationary and a rotor-side moving part caused surprisingly small air gaps in the magnetic circuit of the linear motor and thus high engine forces with low power loss. Furthermore, the separation of the conclusion in a stationary and a moving soft magnetic part in a particularly advantageous thin-walled design of the moving part of the yoke causes a small moving mass and thus a high dynamic.

Bei dem erfindungsgemäßen Lineardirektantrieb umfasst die Statoranordnung einen ersten Statorabschnitt, in dessen Innerem die wenigstens eine konzentrische Wicklung angeordnet ist, und bevorzugt auch einen zweiten weichmagnetischen Statorabschnitt. In the linear direct drive according to the invention, the stator arrangement comprises a first stator section, in the interior of which the at least one concentric winding is arranged, and preferably also a second magnetically soft stator section.

Die Läuferanordnung ist konzentrisch in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Statorabschnitt axial beweglich angeordnet. Die Läuferanordnung umfasst zumindest im Bereich des Zwischenraums einen weichmagnetischen Läufergrundkörper und mindestens einen mit dem Läufergrundkörper verbundenen Permanentmagneten. Ein weichmagnetischer, aus Stahl gefertigter Läufergrundkörper bietet als Vorteile hohe Steifigkeit und Festigkeit, so dass er sich insbesondere auch bei dünnwandiger Ausführung gut für die Integration einer Wälzführung eignet, wie sie oben beschrieben ist. Der Läufergrundkörper muss für die oben beschriebene Anordnung der Wälzführung aber nicht zwingend weichmagnetisch sein. The rotor arrangement is arranged concentrically in a space between the first and second stator axially movable. The rotor arrangement comprises at least in the region of the intermediate space a soft-magnetic rotor base body and at least one permanent magnet connected to the rotor base body. A soft-magnetic rotor body made of steel offers advantages of high rigidity and strength, so that it is well suited for the integration of a rolling guide, in particular also in thin-walled design, as described above. However, the rotor base body does not necessarily have to be magnetically soft for the above-described arrangement of the rolling guide.

Der mindestens eine Permanentmagnet ist im Wesentlichen in Normalenrichtung zu der dem Zwischenraum zugewandten Fläche eines der beiden Statorabschnitte magnetisiert. Der Läufergrundkörper ist so ausgeführt, dass er zusammen mit dem zweiten Statorabschnitt den Rückschluss für den magnetischen Fluss bildet. Er kann aber alternativ auch mit einem unmagnetischen Läufergrundkörper realisiert werden, dann mit dem Nachteil kleinerer magnetischer Flussdichten und Kräfte. The at least one permanent magnet is magnetized substantially in the normal direction to the surface of one of the two stator sections facing the intermediate space. The rotor base body is designed so that it forms the conclusion for the magnetic flux together with the second stator section. However, it can alternatively be realized with a non-magnetic rotor body, then with the disadvantage of smaller magnetic flux densities and forces.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Statorabschnitt als ein äußerer und der zweite Statorabschnitt als ein innerer Statorabschnitt angeordnet. In the preferred embodiment of the invention, the first stator section is arranged as an outer and the second stator section as an inner stator section.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Lineardirektantriebs ist zylinderförmig aufgebaut, wobei die Läuferanordnung in einem hohlzylinderförmigen Zwischenraum in axiale Richtung beweglich angeordnet ist. A particularly advantageous embodiment of the linear direct drive is constructed cylindrical, wherein the rotor assembly is arranged to be movable in a hollow cylindrical space in the axial direction.

Eine erfindungsgemäß in den Magnetkreis des Linearmotors integrierte Führung bringt eine hohe Kompaktheit der aus Motor und Führung bestehenden Antriebseinheit mit sich. Weiterhin ermöglicht eine solche Wälzführung aufgrund ihrer Anordnung eine hohe Steifigkeit und aufgrund ihrer geringen Reibung eine gute Regelbarkeit der Läuferposition oder Kraft. An integrated according to the invention in the magnetic circuit of the linear motor leadership brings a high degree of compactness of the existing engine and leadership drive unit with it. Furthermore, such a rolling guide allows due to their arrangement a high rigidity and due to their low friction good controllability of the rotor position or force.

Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lineardirektantriebs umfasst eine Linearführung, wie zuvor beschrieben. Insbesondere sind davon ein symmetrischer Aufbau mit beliebigem Querschnitt sowie als besonders vorteilhafte Ausführungsform ein zylindrischer Aufbau von Lineardirektantrieb mit Linearführung eingeschlossen. The preferred embodiment of the linear direct drive according to the invention comprises a linear guide, as described above. In particular, a symmetrical structure of any desired cross-section and, as a particularly advantageous embodiment, a cylindrical construction of a linear direct drive with a linear guide are included.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen besonders kompakten elektrischen Lineardirektantrieb mit hoher Funktionenintegration, der sich durch hohe Kraftdichte, geringe Verlustleistung, hohe Dynamik, eine integrierte, steife und nahezu spielfreie Linearführung sowie durch gute Regelbarkeit von Position und Kraft aufgrund geringer Reibung auszeichnet. The present invention thus relates to a particularly compact electric linear direct drive with high function integration, which is characterized by high power density, low power loss, high dynamics, an integrated, stiff and almost backlash-free linear guide and good controllability of position and force due to low friction.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Linearführung für den erfindungsgemäßen konzentrisch aufgebauten Linearantrieb erwiesen. Diese umfasst zumindest einen ersten Statorabschnitt und eine Läuferanordnung, wobei zwischen dem ersten Statorabschnitt und der Läuferanordnung eine Antriebskraft gebildet wird. Die Linearführung basiert dabei auf einer im Wesentlichen konzentrisch um eine Mittelachse des Linearantriebs angeordneten, parallel zur Mittelachse längsbeweglich wirksamen Wälzführung, die jeweils Führungsbahnen auf dem ersten Statorabschnitt und einer dem ersten Statorabschnitt zugewandten Fläche der Läuferanordnung sowie eine Wälzkörperanordnung zwischen den sich jeweils gegenüberliegenden Führungsbahnen umfasst. A linear guide for the concentrically constructed linear drive according to the invention has proved to be particularly advantageous. This comprises at least a first stator section and a rotor arrangement, wherein a driving force is formed between the first stator section and the rotor arrangement. The linear guide is based on a substantially concentrically arranged about a central axis of the linear drive, parallel to the central axis longitudinally effective rolling guide, each comprising guideways on the first stator and a first stator section facing surface of the rotor assembly and a rolling element between the respective opposing guideways.

Als günstig hat es sich erwiesen, wenn als Führungsbahnen für die Wälzkörpernester hochfeste Drähte, Stäbe oder profilierte Körper eingelegt sind, da sich auf diese Weise einfache und kostengünstige Wälzführungen ergeben. Die Führungsbahnen können auch einstückig mit dem Statorabschnitt bzw. der Läuferanordnung verbunden und in diese eingebracht und beispielsweise mit einer gehärteten Oberfläche versehen sein, ohne dass zusätzliche Elemente nötig würden. It has proven to be favorable if high-strength wires, rods or profiled bodies are inserted as guideways for the rolling element esters, since in this way simple and inexpensive rolling guides result. The guideways can also be integrally connected to the stator section or the rotor arrangement and introduced into it and be provided, for example with a hardened surface, without additional elements would be necessary.

Eine besonders genaue und spielarme Führung wird möglich, wenn in mindestens einem Teil der Wälzführung zwischen den Führungsbahnen und dem diese aufnehmenden ersten Statorabschnitt und/oder der diese aufnehmenden Läuferanordnung ein Einlegestück eingelegt ist. Mit dessen Hilfe kann eine Justage der Wälzführung vorgenommen werden und eine vorgespannte, spielfreie Linearführung ist erreichbar. A particularly accurate and low-backlash guidance becomes possible if an insert piece is inserted in at least part of the rolling guide between the guideways and the first stator section receiving the latter and / or the rotor arrangement accommodating the latter. With its help, an adjustment of the rolling guide can be made and a preloaded, backlash-free linear guide is achievable.

Eine besonders kompakte Führung wird möglich, wenn nach einer alternativen Ausgestaltung der Läufergrundkörper so dünnwandig ausgeführt ist, dass sich bei dem montierten Lineardirektantrieb durch die Elastizität des Läufergrundkörpers eine vorgespannte, spielfreie Linearführung ausbildet. Hierzu wird der Läufergrundkörper von innen her durch ein Übermaß des inneren Statorabschnitts inklusive des darauf angeordneten Teils der Wälzführung im Durchmesser aufgeweitet. Besonders vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich, ist dafür aufgrund seiner Elastizität und Festigkeit ein Läufergrundkörper aus Stahl. A particularly compact guidance becomes possible if, according to an alternative embodiment, the rotor base body is made so thin-walled that a preloaded, backlash-free linear guide is formed in the mounted linear direct drive by the elasticity of the rotor base body. For this purpose, the rotor base body is widened in diameter from the inside by an excess of the inner stator section including the part of the rolling guide arranged thereon. Particularly advantageous, but not mandatory, is due to its elasticity and strength a rotor body made of steel.

Eine einfache Montage wird möglich, wenn die Wälzkörper und/oder deren Käfige unmagnetisch sind. Dann werden die Wälzkörper und Käfige bei der Montage eines Linearantriebs nicht durch vorhandene Permanentmagnete in unerwünschter Weise angezogen. Vorteilhaft ist ein Linearmotor, bei dem die Wälzkörper und, sofern vorhanden, deren Käfige unmagnetisch sind auch deshalb, weil magnetische Anziehungskräfte, die auf Stahlkugeln wirken würden und die sich als erhöhte Reibkraft bemerkbar machen, verhindert werden können. A simple assembly is possible if the rolling elements and / or their cages are non-magnetic. Then the rolling elements and cages are not attracted by existing permanent magnets in the assembly of a linear drive in an undesirable manner. Advantageously, a linear motor in which the rolling elements and, if present, their cages are non-magnetic also because magnetic attraction forces that would act on steel balls and make the noticeable as increased frictional force can be prevented.

Für längere lineare Verfahrwege, wie sie beispielsweise mit mehrphasigen Antrieben möglich sind, ist ein geschlossener Wälzkörperumlauf vorgesehen. Dadurch werden die Wälzkörper am Ende der Führungsbahn gegenläufig zurückgeführt und wieder am Anfang eingespeist. For longer linear travel paths, as are possible, for example, with multi-phase drives, a closed Wälzkörperumlauf is provided. As a result, the rolling elements at the end of the guideway are returned in opposite directions and fed back to the beginning.

Vorteilhaft ist die Führung daneben für unterschiedliche weitere Linearantriebe nutzbar, beispielsweise für Elektromagnete (auch als Reluktanzaktoren bezeichnet) mit translatorischer Ankerbewegung. Sie ist darüber hinaus für vielfältige Bauformen mehrphasiger Lineardirektantriebe, beispielsweise für lineare Schrittmotoren oder für lineare Synchronmotoren, nutzbar. Bevorzugt ist eine Wälzkörperanordnung, die zu mindestens zwei Wälzkörpernestern zusammengefasste Wälzkörper umfasst. Die bevorzugte Ausführungsform der Linearführung sieht vor, dass der erste Statorabschnitt als innerer Statorabschnitt angeordnet ist. Advantageously, the guide next to different different linear actuators usable, for example, for electromagnets (also referred to as reluctance) with translational armature movement. It can also be used for a variety of designs of multiphase linear direct drives, for example for linear stepper motors or for linear synchronous motors. Preference is given to a rolling element arrangement which comprises rolling bodies combined to form at least two rolling element esters. The preferred embodiment of the linear guide provides that the first stator section is arranged as an inner stator section.

Besonders vorteilhaft hinsichtlich der einfachen Fertigung und der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Ableitung von auftretenden Kräften, dem sicheren Lauf und der Stabilität insgesamt, ist der Lineardirektantrieb, wenn er zylindrisch aufgebaut ist. Particularly advantageous in terms of ease of manufacture and mechanical properties, in particular the derivative of forces occurring, the safe operation and stability in total, is the linear direct drive, if it is cylindrical.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1: schematisch als Halbschnitt entlang der Rotationsachse eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors; und 1 FIG. 2: schematically, as a half section along the axis of rotation, an embodiment of a linear motor according to the invention; FIG. and

2: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors; 2 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an axis of rotation of an embodiment of a linear motor according to the invention; FIG.

3: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors mit Justagemöglichkeit der Linearführung und 3 FIG. 2: schematically, in a sectional view, transverse to the axis of rotation, a further embodiment of a linear motor according to the invention with adjustment capability of the linear guide and

4: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors mit Verspannung der Linearführung. 4 FIG. 2: schematically, in a sectional view, transverse to the axis of rotation, a further embodiment of a linear motor according to the invention with bracing of the linear guide.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors nach den 1 und 2 ist schematisch ein Linearmotor gezeigt, insbesondere als ein Lineardirektantrieb 1 ausgeführt, bei dem mindestens zwei Wälzkörpernester 35 (mit Kugeln, wie dargestellt, oder Rollen) und deren zugehörige harte Führungsbahnen 32 zwischen einem der beiden weichmagnetischen Abschnitte 12, 14 der Statoranordnung 10 und dem Läufergrundkörper 22 als Teil einer Läuferanordnung 20 angeordnet sind. Die Bewegungsrichtung 21 der Läuferanordnung 20 ist durch einen Doppelpfeil auf dem Läufergrundkörper 22 angegeben. In the embodiment of the linear motor according to the invention according to the 1 and 2 schematically a linear motor is shown, in particular as a linear direct drive 1 executed, in which at least two Wälzkörpernester 35 (with balls, as shown, or rollers) and their associated hard guideways 32 between one of the two soft magnetic sections 12 . 14 the stator assembly 10 and the runner body 22 as part of a runner arrangement 20 are arranged. The direction of movement 21 the rotor arrangement 20 is by a double arrow on the runner main body 22 specified.

1 zeigt schematisch den Halbschnitt des Magnetkreises des erfindungsgemäßen Lineardirektantriebs 1. Dargestellt ist ein einphasiger zylinderförmiger Antrieb für kurze Verfahrwege. Ein radial außen liegender weichmagnetischer Statorabschnitt 12 ist mit zwei nach innen weisenden Polflächen 18 mit einer einphasigen konzentrischen Wicklung 16 versehen. Radial innen liegend ist ein zweiter weichmagnetischer Statorabschnitt 14 angeordnet. 1 schematically shows the half-section of the magnetic circuit of the linear direct drive according to the invention 1 , Shown is a single-phase cylindrical drive for short travels. A radially outer soft magnetic stator 12 is with two inwardly facing pole faces 18 with a single-phase concentric winding 16 Mistake. Radial inside is a second soft magnetic stator 14 arranged.

In einem Zwischenraum 13 zwischen beiden Statorabschnitten 12, 14 ist die axial bewegliche Läuferanordnung 20 mit mindestens einem radial magnetisierten Permanentmagneten 24 angeordnet, dessen Polarität durch drei Pfeile angegeben wird. Erfindungsgemäß ist der den mindestens einen Permanentmagneten 24 tragende Läufergrundkörper 22 im magnetisch wirksamen Bereich des Zwischenraums 13 zwischen beiden Statorabschnitten 12, 14 weichmagnetisch und vorzugsweise dünnwandig, so dass er gemeinsam mit dem innen liegenden Statorabschnitt 14 den Rückschluss für den magnetischen Fluss im Magnetkreis bildet. In a gap 13 between both stator sections 12 . 14 is the axially movable rotor arrangement 20 with at least one radially magnetized permanent magnet 24 arranged, whose polarity is indicated by three arrows. According to the invention is the at least one permanent magnet 24 carrying runners basic body 22 in the magnetically active region of the intermediate space 13 between both stator sections 12 . 14 soft magnetic and preferably thin-walled, so that it together with the inner stator section 14 forms the conclusion for the magnetic flux in the magnetic circuit.

2 zeigt schematisch den inneren Teil des Querschnitts des Lineardirektantriebs 1 mit erfindungsgemäß in den Magnetkreis integrierter Linearführung 30, ausgeführt als eine Wälzführung 34. Zwischen dem innen liegenden Statorabschnitt 14 und der normal zur Zeichenebene axial beweglichen Läuferanordnung 20 ist die Linearführung 30, im Beispiel eine Wälzführung 34 mit Kugeln als Wälzkörpern 35, platzsparend und mit hoher Steifigkeit unmittelbar in den Magnetkreis des Lineardirektantriebs 1 integriert. Zur Minimierung magnetisch wirksamer Luftspalte und Maximierung der Antriebskraft ist der Läufergrundkörper 22 vorzugsweise weichmagnetisch, er kann jedoch auch unmagnetisch sein. Bevorzugt sind die Führungsbahnen 32 für die Wälzkörper 35 eingelegte hochfeste Drähte oder Stäbe oder profilierte Körper, da sich auf diese Weise einfache und kostengünstige Wälzführungen 34 ergeben. 2 schematically shows the inner part of the cross section of the linear direct drive 1 with integrated according to the invention in the magnetic circuit linear guide 30 , designed as a rolling guide 34 , Between the inner stator section 14 and the normal to the drawing plane axially movable rotor assembly 20 is the linear guide 30 , in the example a Wälzführung 34 with balls as rolling elements 35 Space-saving and with high rigidity directly into the magnetic circuit of the linear direct drive 1 integrated. To minimize magnetically active air gaps and maximize the driving force is the rotor body 22 preferably soft magnetic, but it may also be non-magnetic. The guideways are preferred 32 for the rolling elements 35 inserted high-strength wires or rods or profiled body, as in this way simple and inexpensive rolling guides 34 result.

3 zeigt schematisch den inneren Teil des Querschnitts einer Ausführungsform des Lineardirektantriebs 1 mit erfindungsgemäß in den Magnetkreis integrierter Wälzführung 34 als Linearführung 30. Zwischen den eingelegten hochfesten Drähten oder Stäben, die als Führungsbahnen 32 (hier aus zwei parallele Stäben gebildet) dienen, und dem diese aufnehmenden Bauteil, hier der Läufergrundkörper 22, ist mindestens ein Einlegestück 36 angeordnet, das eine Minimierung oder Beseitigung des Führungsspiels mittels Justage, z. B. durch mindestens eine Justageschraube 33, ermöglicht. 3 schematically shows the inner part of the cross section of an embodiment of the linear direct drive 1 with inventively integrated in the magnetic circuit Wälzführung 34 as a linear guide 30 , Between the inserted high-strength wires or rods used as guideways 32 (formed here of two parallel bars) serve, and this receiving component, here the rotor body 22 , is at least one insert 36 arranged to minimize or eliminate the leadership game by adjusting, z. B. by at least one adjustment screw 33 , allows.

4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lineardirektantriebs 1, bei dem der mindestens den Permanentmagneten tragende Läufergrundkörper 22‘ dünnwandig ausgeführt ist und die Wälzführung 34 ohne Erfordernis einer zusätzlichen Justagemöglichkeit so ausgeführt ist, dass sich im montierten Zustand durch die Elastizität des dünnwandigen Läufergrundkörpers 22‘ eine vorgespannte und damit spielfreie Führung ergibt. Die Vorspannung entsteht, wenn die beiden gegenüberliegenden Wälzführungen 34 auf dem inneren Statorabschnitt 14 den Läufergrundkörper 22‘ geringfügig auseinanderdrücken und damit elastisch verformen. 4 schematically shows a further embodiment of the linear direct drive according to the invention 1 in which the rotor base body carrying at least the permanent magnet 22 ' is executed thin-walled and the Wälzführung 34 executed without the need for an additional adjustment option so that in the assembled state by the elasticity of the thin-walled rotor main body 22 ' a preloaded and thus play-free leadership results. The preload arises when the two opposing Wälzführungen 34 on the inner stator section 14 the runner main body 22 ' slightly apart and thus elastically deform.

In allen Ausführungsformen sind bevorzugt bei dem Lineardirektantrieb 1 die Führungsbahnen 32 als eingelegte hochfeste Drähte oder Stäbe oder profilierte Körper ausgeführt. In all embodiments are preferred in the linear direct drive 1 the guideways 32 designed as inserted high-strength wires or rods or profiled body.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Lineardirektantrieb Linear motor drive
10 10: Statoranordnung stator
12 12: äußerer Statorabschnitt outer stator section
13 13: Zwischenraum gap
14 14: innerer Statorabschnitt inner stator section
16 16: Wicklung winding
18 18: Polfläche pole
20 20: Läuferanordnung rotor assembly
21 21: Bewegungsrichtung movement direction
22 22: Läufergrundkörper (Originalzustand) Runner base (original condition)
22‘ 22 ': Läufergrundkörper (verbauter Zustand) Runner body (built-in condition)
24 24: Permanentmagnet permanent magnet
30 30: Linearführung linear guide
32 32: Führungsbahn guideway
33 33: Justageschraube adjusting screw
34 34: Wälzführung roller guide
35 35: Wälzkörper, Wälzkörpernest Rolling elements, rolling element test
36 36: Einlegestück insert piece

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19643518 A1 [0004]
DE 102012104840 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

T. Bödrich, F. Ehle, O. Rivera, J. Lienig: Compact Moving Magnet Actuator for Automation and its Control. Proceeding ACTUATOR 2014, 14th International Conference on New Actuators, Bremen, 23.-25.6.2014, pp. 193-196 [0003]
T. Bödrich, F. Ehle, M. Süßenbecker, J. Lienig: Novel Magnetic-Magnetic-Electro-Dynamics Feed Units for Small Machine Tools. Production Engineering 7 (2013) No. 5, pp. 497-501 [0003]

Claims

Electric linear direct drive, comprising a stator arrangement having at least one soft-magnetic stator section and at least one winding for generating at least a first magnetic field, a rotor arrangement having at least one permanent magnet arrangement for generating at least one second magnetic field and a linear guide, characterized in that the stator arrangement ( 10 ) a first stator section ( 12 . 14 ), in the interior of which the at least one concentric winding ( 16 ), and a second magnetically soft stator section (FIG. 12 . 14 ) and the rotor arrangement ( 20 ) concentrically in a space ( 13 ) between the first and second stator sections ( 12 . 14 ) is arranged axially movable, wherein the rotor arrangement ( 20 ) at least in the area of the interspace ( 13 ) a soft magnetic rotor body ( 22 . 22 ' ) and at least one with the runner main body ( 22 . 22 ' ), substantially in the normal direction to the space ( 13 ) facing surface of one of the two stator sections ( 12 . 14 ) magnetized permanent magnet ( 24 ), wherein the runner base body ( 22 . 22 ' ) is designed so that it together with the second stator section ( 12 . 14 ) forms the conclusion for the magnetic flux.

A linear direct drive according to claim 1, wherein the first stator section is formed as an outer stator section (Fig. 12 ) and the second stator section as an inner stator section (FIG. 14 ) is arranged.

Linear direct drive according to claim 1 or 2, which is of cylindrical construction, wherein the rotor arrangement ( 20 ) in a hollow cylindrical space ( 13 ) is arranged to be movable in the axial direction.

Linear direct drive according to one of claims 1 or 2, in which a linear guide ( 30 ) at least a first stator section and a rotor arrangement ( 20 ), wherein between the first stator section and the rotor arrangement ( 20 ) a driving force is formed, wherein a substantially coaxial about a central axis of the linear drive ( 1 ) arranged rolling guide ( 34 ), the respective guideways ( 32 ) on the first stator section ( 12 . 14 ) and a first stator section ( 12 . 14 ) facing surface of the rotor assembly ( 20 ) and a rolling element arrangement ( 35 ) between the respective opposite guideways ( 32 ), wherein the runner base body ( 22 ' ) is designed so thin-walled and the opposite Wälzführungen ( 34 ) and carried out on the receiving first stator section ( 12 . 14 ) are arranged in such a way that in the mounted linear drive ( 1 ) by the elasticity of the rotor base body ( 22 ' ) a preloaded, backlash-free linear guide ( 30 ) trains.

Linear direct drive according to claim 4, wherein the linear direct drive cylindrically constructed, the rotor assembly ( 20 ) in a hollow cylindrical space ( 13 ) movably arranged in the axial direction and in the linear guide ( 30 ) is provided a closed Wälzkörperumlauf.