-
Die Erfindung betrifft eine Linearführung eines koaxial aufgebauten Linearantriebs, umfassend zumindest einen ersten Statorabschnitt und eine Läuferanordnung, wobei zwischen dem ersten Statorabschnitt und der Läuferanordnung eine Antriebskraft gebildet wird, wobei im Wesentlichen koaxial um eine Mittelachse des Linearantriebs angeordnete Wälzführungen vorgesehen sind, 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 umfassen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Weitere Lösungen sind aus dem Druckschriften
DE 86 14 673 U1 ,
DE 196 00 801 A1 ,
DE 10 2007 000 085 A1 ,
DE 10 2008 058 319 A1 und
WO 96/37 031 A1 bekannt. Die Druckschrift
DE 86 14 673 U1 beschreibt eine Lineareinheit für Handhabungsgeräte der industriellen Fertigung mit einem Lagerflächen aufweisenden Werkzeugträger, der in einem Halter längsverschiebbar geführt ist, sowie mit einem elektromagnetischen Linearantrieb, welcher eine mit dem Werkzeugträger verbundene Zahnstange aus magnetisch leitendem Material als Motorläufer und einen magnetisierbaren Motorständer aufweist.
-
Aus der Druckschrift
DE 196 00 801 A1 ist eine Linearmotorvorrichtung für eine Werkzeugmaschine bekannt. Die Linearmotorvorrichtung weist ein primäres Linearmotorteil und ein sekundäres Linearmotorteil auf, das aus Zähnen eines Kammes mit mehreren vorspringenden Abschnitten in vorbestimmten Abständen angeordnet ist. Vertiefungen, die zwischen den vorspringenden Abschnitten definiert sind, sind mit Füllteilen zum Abflachen einer Oberfläche des sekundären Linearmotorteils aufgefüllt, das in Richtung des primären Linearmotorteils weist. Daher ist es möglich, Späne von der Fläche leicht zu entfernen. Da die Füllteile aus Material niedriger magnetischer Permeabilität hergestellt sind, kann die magnetische Abschirmung zwischen den benachbarten vorspringenden Abschnitten aufrechterhalten werden. Die Linearmotorvorrichtung schließt ein stabförmiges sekundäres Linearmotorteil ein, wobei beide Enden durch ein unbewegliches Teil der Werkzeugmaschine getragen werden, und ein zylindrisches primäres Linearmotorteil, das an einem beweglichen Teil der Werkzeugmaschine befestigt ist. Das sekundäre Linearmotorteil ist in das primäre Linearmotorteil durch einen Spalt eingeführt, so dass das primäre Linearmotorteil sich in axialer Richtung des sekundären Linearmotorteils bewegen kann. Das primäre Linearmotorteil hat zylindrische erste elektrische Wicklungen um den ganzen Umfang des sekundären Linearmotorteils.
-
Die Druckschrift
DE 10 2007 000 085 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors. Gesteuert wird ein einphasiger Linearmotor zum Antrieb eines Schlagwerks mit einer losen Kopplung zwischen einem geregelt angetriebenen Läufer des Linearmotors und einem Schläger des Schlagwerks. Die lose Kopplung an einer läuferseitigen Kontaktfläche liegt mit einem einseitigen Kontaktzwang an und weist eine Druckphase auf, bei welcher die lose Kopplung an einer schlägerseitigen Kontaktfläche mit einem einseitigen Kontaktzwang anliegt. Die Wechselphase wird von der Zugphase zur Druckphase mit der örtlichen Lage des Läufers zur Polperiode von ausgeprägten Polen des Linearmotors diskret getriggert.
-
Die Druckschrift
DE 10 2008 058 319 A1 beschreibt ein Wälzlager, umfassend einen ersten Lagerring, einen zweiten Lagerring, und ein zwischen den beiden Lagerringen bezüglich beider Lagerringe beweglich angeordnetes Zwischenelement, insbesondere einen Wälzkörper oder einen Käfig für einen Wälzkörper, und einen Reluktanzschrittmotor, der einen Rotor und einen Stator umfasst. Zur Lösung der Aufgabe, ein Wälzlager mit einem Reluktanzschrittmotor anzugeben, das nur geringe bauliche Veränderungen erfordert, wird vorgeschlagen, dass der Stator durch mindestens einen Polschuh gebildet ist, der zwischen den beiden Lagerringen angeordnet ist und dessen Magnetfeld elektrisch ansteuerbar ist, und dass das Zwischenelement als Rotor des Reluktanzschrittmotors ausgebildet ist.
-
Einen geräuscharmen Elektromotor schlägt die Druckschrift
WO 96/37 031 A1 vor. Zur Geräuschdämpfung von rotorseitigen Schwingungsgeräuschen ist vorgesehen, dass zumindest ein einerseits statorseitig befestigter und andererseits mit einer Lageraufnahme für die Rotorwelle versehener Lagerbügel in zumindest einen ersten statorseitigen Lagerbügelteil und einen zweiten lagerseitigen Lagerbügelteil geteilt ist. Die beiden Lagerbügelteile sind über ein Geräusch-Dämpfungsteil miteinander verbunden.
-
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.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine nahezu spielfreie Linearführung für einen Linearantrieb anzubieten.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Linearführung gemäß Anspruch 1.
-
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.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Linearführung sieht vor, dass der erste Statorabschnitt als innerer Statorabschnitt angeordnet ist.
-
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.
-
Eine besonders kompakte Führung wird möglich, wenn erfindungsgemäß 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: schematisch als Halbschnitt entlang der Rotationsachse ein erläuterndes Beispiel eines Linearmotors;
- 2: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse ein erläuterndes Beispiel eines Linearmotors;
- 3: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse ein weiteres erläuterndes Beispiel eines Linearmotors mit Justagemöglichkeit der Linearführung und
- 4: schematisch in Schnittdarstellung quer zur Rotationsachse eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linearführung.
-
Bei den erläuternden Beispielen des 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
3 zeigt schematisch den inneren Teil des Querschnitts eines weiteren erläuternden Beispiels des Lineardirektantriebs 1 mit 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.
-
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Linearführung 30 (vgl. auch 2 und 3) des 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.
-
Es sind bevorzugt bei der Linearführung 30 die Führungsbahnen 32 als eingelegte hochfeste Drähte oder Stäbe oder profilierte Körper ausgeführt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 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
