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Die Erfindung betrifft einen translatorischen elektrischen Direktantrieb, insbesondere ausgeführt als Lineardirektantrieb und eine Linearführung für einen Linearantrieb.
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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.
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Der Stand der Technik von Führungen tubularer Linearantriebe, also solcher mit im Wesentlichen konzentrisch angeordneten Hauptelementen (nachfolgend auch Linearmotoren), ist durch Führungen, zumeist Gleitführungen, an beiden Läuferenden gekennzeichnet. Diese Gleitführungen weisen ausgeprägte Haft-Gleitreibungsübergänge auf und sind daher für den positions- oder kraftgeregelten Betrieb von Linearmotoren ungeeignet. Weiterhin tritt radiales Spiel, also Spiel quer zur linearen Arbeitsrichtung entlang der Rotationsachse der konzentrisch angeordneten Hauptelemente, auf. Dieses Spiel setzt die Genauigkeit bei der Positionierung herab. Abhilfe schaffen häufig extern angebrachte Wälzführungen, zumeist Kugelführungen mit geschlossenem Kugelumlauf auf einer Profilschiene. Diese vergrößern jedoch das Volumen und die Masse des Antriebssystems erheblich und verschlechtern die Dynamik wesentlich. Zwar ist eine Reduzierung des radialen Spiels der Gleitführung möglich, diese erhöht aber die Reibkräfte und verschlechtert das Regelverhalten zusätzlich. Das Gesamtvolumen von Linearmotor und extern angeordneter Wälzführung führt zu einer geringen Kraftdichte der gesamten, aus Antrieb und externer Wälzführung bestehenden Antriebseinheit. Derartige Linearmotoren sind druckschriftlich nicht dokumentiert, aber durch Benutzung und durch Internetveröffentlichungen (vgl. für Motoren mit Gleitführung beispielsweise: http://www.linmot.com/de/produkte/linearmotoren/ und Motoren mit externer Wälzführung beispielsweise: http://www.ja2-gmbh.de/) bekannt.
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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.
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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.
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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 resultiert ein großer Bauraum und eine entsprechend niedrige Leistungsdichte.
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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.
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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. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine steife und nahezu spielfreie und reibungsarme Linearführung anzubieten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Linearführung eines konzentrisch aufgebauten Linearantriebs, umfassend 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.
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Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Führung für unterschiedliche 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.
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Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Linearführung sieht vor, dass der erste Statorabschnitt als innerer Statorabschnitt angeordnet ist.
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Als günstig hat 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Aufgabe wird weiterhin 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Statorabschnitt als ein äußerer und der zweite Statorabschnitt als ein innerer Statorabschnitt angeordnet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Lineardirektantriebs ist zylinderförmig aufgebaut, wobei die Läuferanordnung in einem hohlzylinderförmigen Zwischenraum in axiale Richtung beweglich angeordnet ist.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: schematisch als Halbschnitt entlang der Rotationsachse eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors;
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2: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors;
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3: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors mit Justagemöglichkeit der Linearführung und
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4: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors mit Verspannung der Linearführung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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3 zeigt schematisch den inneren Teil des Querschnitts einer Ausführungsform des Lineardirektantriebs 1 mit erfindungsgemäß in den Magnetkreis integrierter Wälzführung 34. 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.
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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.
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In allen Ausführungsformen sind bevorzugt bei dem Lineardirektantrieb 1 die Führungsbahnen 32 als eingelegte hochfeste Drähte oder Stäbe oder profilierte Körper ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lineardirektantrieb
- 10
- Statoranordnung
- 12
- äußerer Statorabschnitt
- 13
- Zwischenraum
- 14
- innerer Statorabschnitt
- 16
- Wicklung
- 18
- Polfläche
- 20
- Läuferanordnung
- 21
- Bewegungsrichtung
- 22
- Läufergrundkörper (Originalzustand)
- 22‘
- Läufergrundkörper (verbauter Zustand)
- 24
- Permanentmagnet
- 30
- Linearführung
- 32
- Führungsbahn
- 33
- Justageschraube
- 34
- Wälzführung
- 35
- Wälzkörper, Wälzkörpernest
- 36
- Einlegestück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19643518 A1 [0005]
- DE 102012104840 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.linmot.com/de/produkte/linearmotoren/ [0003]
- http://www.ja2-gmbh.de/ [0003]
- 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 [0004]
- 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 [0004]
