DE102020106146A1

DE102020106146A1 - Linearmaschine und Verfahren zum Betreiben der Linearmaschine

Info

Publication number: DE102020106146A1
Application number: DE102020106146.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Gerold
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Es wird eine Linearmaschine (20) angegeben, welche mindestens zwei Primärteile (21), einen Sekundärteil (22) mit einer Haupterstreckungsrichtung (x), und eine Ansteuerungseinheit (23) umfasst, wobei die zwei Primärteile (21) unbeweglich zueinander angeordnet sind, die zwei Primärteile (21) beweglich zum Sekundärteil (22) gelagert sind, die zwei Primärteile (21) entlang der Haupterstreckungsrichtung (x) des Sekundärteils (22) um einen Abstand (d) verschoben zueinander angeordnet sind, und die Ansteuerungseinheit (23) dazu ausgelegt ist, die zwei Primärteile (21) unabhängig voneinander anzusteuern. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben der Linearmaschine (20) angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Linearmaschine und ein Verfahren zum Betreiben der Linearmaschine.
Typischerweise umfassen Linearmaschinen einen Primärteil und einen dazu relativ beweglichen Sekundärteil. Der Primärteil und der Sekundärteil sind entlang einer linearen Achse beweglich zueinander angeordnet. Linearmaschinen sind elektrische Maschinen, welche motorisch oder generatorisch arbeiten können, wobei elektrische Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt konvertiert wird. Im Betrieb interagiert ein Magnetfeld des Primärteils mit einem Magnetfeld des Sekundärteils. Dabei wird eine Kraft entlang einer Richtung erzeugt. Aufgrund verschiedener Parameter der Linearmaschine kann die Kraft Schwankungen über die Zeit aufweisen. Für einen effizienten Betrieb der Linearmaschine ist es meist unerwünscht, dass die Kraft Schwankungen aufweist. Außerdem ist es unerwünscht, dass bei einer Reduktion der Schwankungen die Kraftdichte wesentlich reduziert wird.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Linearmaschine anzugeben, welche effizient betrieben werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein effizientes Verfahren zum Betreiben der Linearmaschine anzugeben.
Die Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs und das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, umfasst die Linearmaschine mindestens zwei Primärteile. Die Primärteile können jeweils mindestens eine elektrische Wicklung aufweisen. Dazu können die Primärteile jeweils Nuten aufweisen, in welchen die elektrischen Wicklungen angeordnet sind. Die Primärteile weisen jeweils eine Haupterstreckungsrichtung auf. Die Nuten sind entlang der Haupterstreckungsrichtung nebeneinander angeordnet. Die elektrischen Wicklungen sind um Zähne zwischen den Nuten gewickelt. Die Haupterstreckungsrichtungen der beiden Primärteile verlaufen parallel zueinander.
Die Linearmaschine umfasst einen Sekundärteil mit einer Haupterstreckungsrichtung. Der Sekundärteil ist beabstandet zu den Primärteilen angeordnet. Zwischen dem Sekundärteil und den Primärteilen kann jeweils ein Luftspalt angeordnet sein. Der Sekundärteil erstreckt sich hauptsächlich entlang seiner Haupterstreckungsrichtung. Die von der Linearmaschine erzeugte Kraft wirkt entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils. Der Sekundärteil kann eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweisen. Die Permanentmagnete sind entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils nebeneinander am oder im Sekundärteil angeordnet. Weiter ist es möglich, dass der Sekundärteil Reluktanzen oder eine elektrische Wicklung aufweist.
Die Linearmaschine umfasst eine Ansteuerungseinheit. Bei der Ansteuerungseinheit kann es sich um eine Leistungselektronik handeln. Die Ansteuerungseinheit kann eine Einheit zur Ansteuerung der Primärteile sein. Weiter ist es möglich, dass die Ansteuerungseinheit mindestens zwei einzelne Einheiten aufweist, wobei jede Einheit zur Ansteuerung für jeweils einen Primärteil vorgesehen ist. Die Ansteuerungseinheit kann eine Vielzahl von Anschlüssen aufweisen, über welche die Ansteuerungseinheit mit den elektrischen Wicklungen der Primärteile verbunden ist.
Die zwei Primärteile sind unbeweglich zueinander angeordnet. Das bedeutet, die zwei Primärteile sind unbeweglich zueinander gelagert. Die Primärteile können fix oder starr zueinander angeordnet sein. Das kann bedeuten, dass die zwei Primärteile mechanisch miteinander verbunden sind. Zum Beispiel sind die Primärteile mechanisch fest miteinander verbunden. Die zwei Primärteile können aneinander befestigt sein. Weiter ist es möglich, dass die zwei Primärteile jeweils an einem unbeweglichen Teil der Linearmaschine befestigt sind. Somit sind die zwei Primärteile mechanisch miteinander gekoppelt.
Die zwei Primärteile sind beweglich zum Sekundärteil gelagert. Das bedeutet, die zwei Primärteile können sich relativ zum Sekundärteil bewegen. Da die zwei Primärteile unbeweglich zueinander angeordnet sind, können sich diese gemeinsam relativ zum Sekundärteil bewegen. Zum Beispiel können sich die zwei Primärteile entlang Richtungen bewegen, welche parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils verlaufen.
Die zwei Primärteile sind entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils um einen Abstand verschoben zueinander angeordnet. Das bedeutet, die zwei Primärteile weisen entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils einen Versatz zueinander auf. Somit sind die zwei Primärteile entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils an unterschiedlichen Positionen angeordnet. Beispielsweise ist eine erste Nut des einen Primärteils um den Abstand verschoben zur ersten Nut des anderen Primärteils entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils angeordnet. Die zwei Primärteile sind entlang einer Achse, welche parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils verläuft, um den Abstand verschoben zueinander angeordnet. Wenn die zwei Primärteile an unterschiedlichen Seiten des Sekundärteils angeordnet sind, kann der Abstand kleiner als die Ausdehnung der Primärteile entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils sein. Wenn die zwei Primärteile an der gleichen Seite des Sekundärteils angeordnet sind, kann der Abstand zwischen der ersten Nut des einen Primärteils und der ersten Nut des anderen Primärteils größer als die Ausdehnung eines Primärteils entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils sein. Insbesondere bedeutet die verschobene Anordnung der Primärteile, dass die Primärteile um den Abstand von einer symmetrischen Anordnung der Primärteile in Bezug auf die Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils abweichen.
Die Ansteuerungseinheit ist dazu ausgelegt, die zwei Primärteile unabhängig voneinander anzusteuern. Das kann bedeuten, dass die Ansteuerungseinheit dazu ausgelegt ist, die zwei Primärteile mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase zu versorgen. Die zwei Primärteile sind somit elektrisch nicht miteinander verbunden. Die Ansteuerungseinheit kann weiter dazu ausgelegt sein die zwei Primärteile unterschiedlich anzusteuern. Somit ist die Ansteuerungseinheit dazu ausgelegt, die zwei Primärteile separat anzusteuern. Dazu können die zwei Primärteile jeweils mit unterschiedlichen Anschlüssen der Ansteuerungseinheit verbunden sein.
Die zwei Primärteile können jeweils derart verschoben zueinander angeordnet sein, dass sich zeitliche Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine kompensieren. Dazu ist es nötig, die zwei Primärteile um eine Polteilung oder einen Bruchteil einer Polteilung des Sekundärteils zueinander verschoben anzuordnen und die Primärteile mit einer Phasenverschiebung zueinander anzusteuern. Die Polteilung des Sekundärteils bezeichnet den Abstand zwischen zwei direkt nebeneinander liegenden magnetischen Polen des Sekundärteils. Das bedeutet beispielsweise, eine Polteilung des Sekundärteils entspricht dem Abstand zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Permanentmagneten des Sekundärteils. Somit tragen beide Primärteile zur Erzeugung der Kraft der Linearmaschine bei, wobei sich die Anteile der beiden Primärteile addieren. Sind die Verschiebung der zwei Primärteile und die Phasenverschiebung angepasst an die Schwankungen in der Kraft gewählt, so können sich die Schwankungen durch die Addition der beiden Anteile zur Kraft kompensieren. Das bedeutet, dass sich die Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine eliminieren oder auslöschen.
Dieses Prinzip wird anhand einer sinusförmigen Schwankung in der Kraft der Linearmaschine näher erläutert. Das bedeutet, in diesem Beispiel weist die Kraft der Linearmaschine sinusförmige Schwankungen auf. Dabei durchläuft die sinusförmige Schwankung entlang von zwei Polteilungen des Sekundärteils eine Periode. Für die Kompensation sind die Primärteile entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils um einen Abstand von einer Polteilung des Sekundärteils zueinander verschoben angeordnet. Außerdem werden die zwei Primärteile mit unterschiedlichen elektrischen Phasen von der Ansteuerungseinheit versorgt, wobei die elektrischen Phasen eine Phasenverschiebung von π aufweisen. Dies führt dazu, dass die durch die Primärteile erzeugten Anteile an der Kraft jeweils Schwankungen in Form einer Sinuswelle aufweisen, wobei die zwei Sinuswellen um eine halbe Periode zueinander verschoben sind. Da sich die zwei Anteile der durch die Primärteile erzeugten Kraft zu der Gesamtkraft der Linearmaschine addieren, kompensieren sich die Schwankungen. Somit können Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine wesentlich reduziert werden. Gleichzeitig wird eine hohe Kraftdichte ermöglicht. Dies ist insbesondere durch die zwei Primärteile möglich, welche beide zur Krafterzeugung beitragen. Bei der Kompensation der Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine wird die durchschnittliche Kraftdichte nicht reduziert. Das bedeutet, die Linearmaschine kann effizienter betrieben werden.
Mit der hier beschriebenen Linearmaschine können auch Schwankungen mit einer höheren Ordnung als der Grundwelle kompensiert werden. Dazu sind weitere Primärteile benötigt. Die Anzahl der benötigten Primärteile beträgt 2^k, wobei k die Anzahl der zu kompensierenden Wellenangibt. Das bedeutet zum Beispiel, für die Kompensation von zwei harmonischen Komponenten der Schwankungen werden vier Primärteile benötigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, weisen die Primärteile den gleichen Aufbau auf. Das kann bedeuten, dass die Primärteile einen identischen Aufbau aufweisen. Insbesondere weisen die Primärteile die gleiche Anzahl an Nuten und gleich aufgebaute elektrische Wicklungen auf. Dies vereinfacht die Herstellung der Linearmaschine. Außerdem ermöglicht der gleiche Aufbau der Primärteile die Kompensation von Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, weisen die Primärteile die gleiche Ausdehnung entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils auf. Das bedeutet, die zwei Primärteile weisen die gleiche Länge entlang der Haupterstreckungsrichtung des Sekundärteils auf. Dies ermöglicht die Kompensation von Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, beträgt der Abstand zwischen den zwei Primärteilen eine Polteilung des Sekundärteils oder ein Bruchteil einer Polteilung des Sekundärteils. Ein Versatz von einer Polteilung zwischen den zwei Primärteilen ermöglicht die Kompensation von Schwankungen der Grundwelle der Kraft der Linearmaschine. Ein Versatz von einem Bruchteil einer Polteilung des Sekundärteils ermöglicht die Kompensation von Schwankungen höherer harmonischer Komponenten der Kraft der Linearmaschine. Für eine Kompensation beträgt der Abstand zwischen den zwei Primärteilen p/m, wobei p die Polteilung ist und m die Ordnung der harmonischen Komponente. Es ist weiter möglich, dass für eine Kompensation der Abstand zwischen zwei Primärteilen p/m + p*n beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, sind die Primärteile an unterschiedlichen Seiten des Sekundärteils angeordnet. Beispielsweise sind die Primärteile an gegenüberliegenden Seiten des Sekundärteils angeordnet. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Linearmaschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, sind die Primärteile an der gleichen Seite des Sekundärteils angeordnet. Das bedeutet, die Primärteile sind nebeneinander an der gleichen Seite des Sekundärteils angeordnet. Dabei sind die Primärteile beabstandet zueinander angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht eine mechanische Kopplung der Primärteile beispielsweise über einen Verbindungssteg.
Weist die Linearmaschine mehr als zwei Primärteile auf, können die Primärteile sowohl an unterschiedlichen Seiten des Sekundärteils als auch nebeneinander an der gleichen Seite des Sekundärteils angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, ist die Ansteuerungseinheit dazu ausgelegt die zwei Primärteile mit einer elektrischen Phasenverschiebung zueinander anzusteuern. Das bedeutet, die Ansteuerungseinheit ist dazu ausgelegt die zwei Primärteile mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase zu versorgen, wobei die elektrischen Phasen der zwei Primärteile verschoben zueinander sind. Weiter ist es möglich, dass die Ansteuerungseinheit dazu ausgelegt ist jeden der Primärteile mit mindestens drei verschiedenen Phasen zu versorgen. In diesem Fall weisen die jeweils ersten Phasen der zwei Primärteile eine Phasenverschiebung zueinander auf. Die elektrische Phasenverschiebung ermöglicht eine Kompensation von Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, beträgt die Phasenverschiebung π oder ein Bruchteil von π. Die Phasenverschiebung bezieht sich auf die elektrische Phasenverschiebung zwischen den jeweils ersten Phasen der Primärteile. Eine Phasenverschiebung von π und ein Abstand von einer Polteilung zwischen den zwei Primärteilen ermöglicht die Kompensation von Schwankungen der Grundwelle der Kraft der Linearmaschine. Eine Phasenverschiebung von einem Bruchteil von π und ein Abstand von einem Bruchteil einer Polteilung zwischen den zwei Primärteilen ermöglicht die Kompensation von Schwankungen höherer harmonischer Komponenten der Kraft der Linearmaschine. Um eine Kompensation zu erreichen, beträgt die Phasenverschiebung π/m, wobei m die Ordnung der harmonischen Komponente bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Linearmaschine, sind die zwei Primärteile elektromagnetisch voneinander entkoppelt. Das bedeutet, die Primärteile werden unabhängig voneinander von der Ansteuerungseinheit mit elektrischen Phasen versorgt. Außerdem sind die zwei Primärteile beabstandet zueinander angeordnet. Die mechanische Verbindung der zwei Primärteile erfolgt bevorzugt über magnetisch isolierendes Material oder über einen möglichst schmalen Verbindungssteg. Somit beeinflussen sich die von den Primärteilen erzeugten Magnetfelder gegenseitig wenig oder gar nicht. Aufgrund der elektromagnetischen Entkopplung der zwei Primärteile können diese unabhängig voneinander Anteile der Kraft der Linearmaschine erzeugen, bei welchen sich die Schwankungen kompensieren.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben der hier beschriebenen Linearmaschine angegeben. Somit sind alle Merkmale der beschriebenen Linearmaschine auch für das Verfahren zum Betreiben der Linearmaschine offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der Linearmaschine, werden die zwei Primärteile von der Ansteuerungseinheit mit mindestens einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt, wobei die elektrischen Phasen phasenverschoben zueinander sind. Es ist weiter möglich, dass die zwei Primärteile von der Ansteuerungseinheit mit jeweils mehreren eigenen elektrischen Phasen versorgt werden. Dabei sind zum Beispiel die jeweils ersten elektrischen Phasen der zwei Primärteile phasenverschoben zueinander. Insgesamt können die Primärteile jeweils mit mindestens drei elektrischen Phasen versorgt werden. Die Phasenverschiebung ermöglicht, dass Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine kompensiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Phasenverschiebung π oder ein Bruchteil von π.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens versorgt die Ansteuerungseinheit jeden der Primärteile mit mindestens zwei verschiedenen elektrischen Phasen. Dies ermöglicht die Verwendung der Linearmaschine als Motor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens versorgt die Ansteuerungseinheit jeden der Primärteile mit mindestens drei verschiedenen elektrischen Phasen.
Im Folgenden werden die hier beschriebene Linearmaschine und das Verfahren zum Betreiben der Linearmaschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Linearmaschine.
In 2 ist die von zwei Primärteilen erzeugte Kraft aufgetragen.
In 3 sind Ströme zur Ansteuerung von zwei Primärteilen aufgetragen.
In 4 ist die von zwei Primärteilen erzeugte Kraft aufgetragen.
In den 5, 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele der Linearmaschine gezeigt.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Linearmaschine 20 gezeigt. Die Linearmaschine 20 weist zwei Primärteile 21 und ein Sekundärteil 22 auf. Das Sekundärteil 22 weist eine Haupterstreckungsrichtung x auf. Weiter weist die Linearmaschine 20 eine Ansteuerungseinheit 23 auf.
Die zwei Primärteile 21 sind an gegenüberliegenden Seiten des Sekundärteils 22 angeordnet. Die zwei Primärteile 21 weisen jeweils drei elektrische Wicklungen 24 auf. Bei den elektrischen Wicklungen 24 handelt es sich um konzentrierte Zweischichtwicklungen. Die elektrischen Wicklungen 24 sind in Nuten 25 der Primärteile 21 angeordnet. Jedes der Primärteile 21 weist zehn Nuten 25 auf. Die elektrischen Wicklungen 24 weisen elektrische Leiter auf, welche um Zähne 26, welche zwischen den Nuten 25 angeordnet sind, gewickelt sind. Die Nuten 25 sind in Richtung des Sekundärteils 22 geöffnet. Zwischen den Primärteilen 21 und dem Sekundärteil 22 ist jeweils ein Luftspalt 27 angeordnet. Somit sind die Primärteile 21 nicht in direktem Kontakt mit dem Sekundärteil 22. Die Primärteile 21 weisen den gleichen Aufbau und die gleiche Ausdehnung entlang der Haupterstreckungsrichtung x des Sekundärteils 22 auf.
Der Sekundärteil 22 weist eine lang gestreckte Form auf. Außen am Sekundärteil 22 sind Permanentmagnete 28 angeordnet. Die Permanentmagnete 28 sind an gegenüberliegenden Seiten des Sekundärteils 22 angeordnet. Somit sind die Permanentmagnete 28 an den Seiten, welche in Richtung der Primärteile 21 zeigen, angeordnet. Entlang der Haupterstreckungsrichtung x des Sekundärteils 22 weist das Sekundärteil 22 eine größere Ausdehnung als die Primärteile 21 auf.
Die Ansteuerungseinheit 23 ist elektrisch mit den elektrischen Wicklungen 24 der Primärteile 21 verbunden. Dazu weist die Ansteuerungseinheit 23 pro Primärteil 21 drei Anschlüsse 29 auf. Über die Anschlüsse 29 ist die Ansteuerungseinheit 23 mit verschiedenen elektrischen Wicklungen 24 verbunden. Dies ermöglicht, dass die Ansteuerungseinheit 23 die zwei Primärteile 21 unabhängig voneinander ansteuern kann. Die Ansteuerungseinheit 23 ist dazu ausgelegt die zwei Primärteile 21 mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase zu versorgen, welche phasenverschoben zueinander sind. Das bedeutet, dass die Ansteuerungseinheit 23 dazu ausgelegt ist die zwei Primärteile 21 mit einer elektrischen Phasenverschiebung zueinander anzusteuern. Dabei beträgt die Phasenverschiebung π/2. Weiter ist die Ansteuerungseinheit 23 dazu ausgelegt jeden der Primärteile 21 mit drei verschiedenen elektrischen Phasen zu versorgen. Das bedeutet, jeder der Primärteile 21 wird mit einer ersten elektrischen Phase, einer zweiten elektrischen Phase und einer dritten elektrischen Phase versorgt. Somit kann die Linearmaschine 20 als Motor verwendet werden.
Die zwei Primärteile 21 sind beweglich zum Sekundärteil 22 gelagert. Dabei sind die zwei Primärteile 21 unbeweglich zueinander angeordnet. Somit können sich die zwei Primärteile 21 relativ zum Sekundärteil 22, aber nicht relativ zueinander, bewegen. Aufgrund der separaten Ansteuerung der zwei Primärteile 21 durch die Ansteuerungseinheit 23 sind die zwei Primärteile 21 jedoch elektromagnetisch voneinander entkoppelt. Weiter sind die zwei Primärteile 21 entlang der Haupterstreckungsrichtung x des Sekundärteils 22 um einen Abstand d verschoben zueinander angeordnet. Das bedeutet, die zwei Primärteile 21 sind nicht an derselben Position an gegenüberliegenden Seiten des Sekundärteils 22 angeordnet sondern im Vergleich zum Sekundärteil 22 zueinander verschoben. Der Abstand d, um welchen die Primärteile 21 zueinander verschoben sind, beträgt eine halbe Polteilung p des Sekundärteils 22. Eine Polteilung p ist durch den Abstand zwischen zwei direkt benachbarten magnetischen Polen des Sekundärteils 22 gegeben. Das bedeutet, eine Polteilung des Sekundärteils 22 entspricht dem Abstand zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Permanentmagneten 28 des Sekundärteils 22.
In 2 ist die Kraft von den in 1 gezeigten Primärteilen 21 für eine Bewegung um eine Polteilung p des Sekundärteils 22 aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Zeit in ms (Millisekunden) aufgetragen und auf der y-Achse ist die Kraft in kN (kilo-Newton) aufgetragen. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf die von einem der Primärteile 21 erzeugte Kraft. Die gestrichelte Linie bezieht sich auf die von dem anderen der Primärteile 21 erzeugte Kraft. Beide Kurven der Kraft weisen in etwa die Form einer Sinuswelle auf. Eine Bewegung um eine Polteilung p entspricht einer halben elektrischen Periode. Innerhalb einer ganzen Periode weist die Kraft für beide Primärteile 21 somit zwei Perioden einer Sinuskurve auf. Das bedeutet, in 2 ist die Schwankung der Komponente zweiter Ordnung der Kraft aufgetragen.
Die zwei Primärteile 21 sind um den Abstand d zueinander entlang der Haupterstreckungsrichtung x des Sekundärteils 22 verschoben. Der Abstand d beträgt eine halbe Polteilung p des Sekundärteils 22. Außerdem werden die zwei Primärteile 21 von der Ansteuerungseinheit 23 mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt, wobei die elektrischen Phasen zueinander um π/2 verschoben sind. Das bedeutet, die jeweils ersten elektrischen Phasen der Primärteile 21 sind um π/2 zueinander verschoben. Auch die jeweils zweiten und dritten elektrischen Phasen der Primärteile 21 sind um π/2 zueinander verschoben.
Aufgrund des örtlichen Versatzes der zwei Primärteile 21 zueinander entlang der Haupterstreckungsrichtung x des Sekundärteils 22 und aufgrund der elektrischen Phasenverschiebung zwischen den zwei Primärteilen 21 sind die zwei Sinuswellen um π zueinander verschoben. Das bedeutet, bei einer Addition würden sich die zwei Sinuswellen kompensieren. Somit wird eine Auslöschung der Schwankungen der Komponente zweiter Ordnung der Kraft erreicht.
Eine Auslöschung der Schwankungen der Grundwelle der Kraft der Linearmaschine 20 ist mit einem Versatz der zwei Primärteile 21 um eine Polteilung p und einer elektrischen Phasenverschiebung zwischen den zwei Primärteilen 21 um π möglich.
In 3 sind die Ströme zur Ansteuerung der in 1 gezeigten Primärteile 21 aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Zeit in ms aufgetragen. Auf der y-Achse sind die Ströme in A (Ampere) aufgetragen. Die Kurven A₁ , B₁ und C₁ beziehen sich auf das erste der Primärteile 21. Dies sind die Ströme zur Ansteuerung der drei elektrischen Wicklungen 24. Die Kurven A₂ , B₂ und C₂ beziehen sich auf das zweite der Primärteile 21. Dies sind die Ströme zur Ansteuerung der drei elektrischen Wicklungen 24. Die Ströme zur Ansteuerung der Primärteile 21 werden von der Ansteuerungseinheit 23 bereitgestellt. Die Ströme weisen jeweils die Form einer Sinuskurve auf.
Die Ströme zur Ansteuerung des ersten der Primärteile 21 sind jeweils um 120° zueinander phasenverschoben. Die Ströme zur Ansteuerung des zweiten der Primärteile 21 sind jeweils um 120° zueinander phasenverschoben. Weiter sind die Kurven A₁ und A₂ um 90° oder π/2 zueinander phasenverschoben. Außerdem sind die Kurven B₁ und B₂ um 90° oder π/2 zueinander phasenverschoben und die Kurven C₁ und C₂ sind um 90° oder π/2 zueinander phasenverschoben. Das bedeutet, die Ansteuerungseinheit 23 steuert die Primärteile 21 mit einer elektrischen Phasenverschiebung von π/2 zueinander an.
In 4 sind die Kraft der zwei Primärteile 21 und deren Summe aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Zeit in ms aufgetragen und auf der y-Achse ist die Kraft in kN aufgetragen. Die durchgezogene Linie zeigt die Kraft des ersten der Primärteile 21 und die gestrichelte Linie zeigt die Kraft des zweiten der Primärteile 21. Dies sind die in 2 gezeigten Kurven. Die Punkt-gestrichelte Linie zeigt die Summe der Kräfte der zwei Primärteile 21. In der Summe kompensieren sich die Schwankungen der Kräfte. Für die Kraft jedes einzelnen Primärteils 21 beträgt die Schwankung 11,5 %. Für die Summe der Kräfte beträgt die Schwankung lediglich 0,8 %. Somit kann mit der hier beschriebenen Linearmaschine 20 die Schwankung der Kraft wesentlich reduziert werden.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Linearmaschine 20 gezeigt. Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die zwei Primärteile 21 auf der gleichen Seite des Sekundärteils 22 angeordnet. Die mechanische Verbindung der Primärteile 21 ist in 5 nicht gezeigt. Damit die Primärteile 21 elektromagnetisch voneinander entkoppelt sind, beträgt der Abstand d nicht nur eine halbe Polteilung p des Sekundärteils 22 sondern die Summe aus einer halben Polteilung p des Sekundärteils 22 und einem ganzzahligen Vielfachen einer Polteilung p des Sekundärteils 22.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Linearmaschine 20 gezeigt. Die Linearmaschine 20 weist den in 5 gezeigten Aufbau auf, mit dem einzigen Unterschied, dass die zwei Primärteile 21 über einen Verbindungssteg 30 miteinander verbunden sind. Der Verbindungssteg 30 ist möglichst dünn ausgeführt, so dass dieser magnetisch isolierend wirkt. Somit sind die Primärteile 21 elektromagnetisch voneinander entkoppelt.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Linearmaschine 20 gezeigt. Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Aufbau weist die Linearmaschine 20 insgesamt vier Primärteile 21 auf. Dabei sind jeweils zwei Primärteile 21 wie in 1 gezeigt angeordnet. Der Sekundärteil 22 erstreckt sich zwischen den Primärteilen 21. Außerdem weist die Linearmaschine 20 insgesamt zwei Ansteuerungseinheiten 23 auf. Diese sind an gegenüberliegenden Seiten des Sekundärteils 22 angeordnet. Die Primärteile 21, welche an der gleichen Seite des Sekundärteils 22 angeordnet sind, sind jeweils mit derselben Ansteuerungseinheit 23 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass alle Primärteile 21 mit nur einer Ansteuerungseinheit 23 verbunden sind.
Somit sind die Primärteile 21, welche an unterschiedlichen Seiten des Sekundärteils 22 angeordnet sind, jeweils zum nächstliegenden anderen Primärteil 21 um eine halbe Polteilung p des Sekundärteils 22 entlang der Haupterstreckungsrichtung x des Sekundärteils 22 verschoben angeordnet. Außerdem werden die Primärteile 21, welche an unterschiedlichen Seiten des Sekundärteils 22 angeordnet sind, jeweils zum nächstliegenden anderen Primärteil 21 phasenverschoben von der jeweiligen Ansteuerungseinheit 23 angesteuert. Dabei beträgt die elektrische Phasenverschiebung π/2.
Durch die Verwendung von insgesamt vier Primärteilen 21 ist es möglich auch eine Schwankung einer höheren harmonischen Komponente der Kraft der Linearmaschine 20 zu kompensieren. Dafür weisen zwei Primärteile 21, welche auf der gleichen Seite des Sekundärteils 22 angeordnet sind, jeweils einen Abstand d von p/m + p*n auf, wobei p eine Polteilung des Sekundärteils 22 ist, m die Ordnung der höheren harmonischen Komponente und n eine natürliche Zahl. Außerdem werden die Primärteile 21, welche an der gleichen Seite des Sekundärteils 22 angeordnet sind, von der jeweiligen Ansteuerungseinheit 23 mit einer elektrischen Phasenverschiebung zueinander von π/m + p*n angesteuert.
Das bedeutet, die zwei Primärteile 21, welche an verschiedenen Seiten des Sekundärteils 22 angeordnet sind, ermöglichen eine Kompensation der Schwankungen in der Kraft beispielsweise für die Grundwelle und die Primärteile 21, welche an der gleichen Seite des Sekundärteils 22 angeordnet sind, ermöglichen eine Kompensation der Schwankungen in der Kraft für eine harmonische Komponente höherer Ordnung. Es ist jedoch auch möglich, dass mit vier oder mehr Primärteilen 21 die Schwankungen von zwei oder mehr höheren harmonischen Komponenten der Kraft kompensiert werden. Dadurch werden insgesamt die Schwankungen in der Kraft der Linearmaschine 20 reduziert.
Bezugszeichenliste

20:: Linearmaschine
21:: Primärteil
22:: Sekundärteil
23:: Ansteuerungseinheit
24:: elektrische Wicklung
25:: Nut
26:: Zähne
27:: Luftspalt
28:: Permanentmagnet
29:: Anschluss
30:: Verbindungssteg
A1, B1, C1, A2, B2, C2:: Kurven
d:: Abstand
p:: Polteilung
x:: Haupterstreckungsrichtung

Claims

Linearmaschine (20) umfassend: - mindestens zwei Primärteile (21), - einen Sekundärteil (22) mit einer Haupterstreckungsrichtung (x), und - eine Ansteuerungseinheit (23), wobei - die zwei Primärteile (21) unbeweglich zueinander angeordnet sind, - die zwei Primärteile (21) beweglich zum Sekundärteil (22) gelagert sind, - die zwei Primärteile (21) entlang der Haupterstreckungsrichtung (x) des Sekundärteils (22) um einen Abstand (d) verschoben zueinander angeordnet sind, und - die Ansteuerungseinheit (23) dazu ausgelegt ist, die zwei Primärteile (21) unabhängig voneinander anzusteuern.
Linearmaschine (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei der die Primärteile (21) den gleichen Aufbau und die gleiche Ausdehnung entlang der Haupterstreckungsrichtung (x) des Sekundärteils (22) aufweisen.
Linearmaschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Abstand (d) zwischen den zwei Primärteilen (21) eine Polteilung (p) des Sekundärteils (22) oder ein Bruchteil einer Polteilung (p) des Sekundärteils (22) beträgt.
Linearmaschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Primärteile (21) an unterschiedlichen Seiten des Sekundärteils (22) angeordnet sind.
Linearmaschine (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Primärteile (21) an der gleichen Seite des Sekundärteils (22) angeordnet sind.
Linearmaschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Ansteuerungseinheit (23) dazu ausgelegt ist die zwei Primärteile (21) mit einer elektrischen Phasenverschiebung zueinander anzusteuern.
Linearmaschine (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei der die Phasenverschiebung π oder ein Bruchteil von π beträgt.
Linearmaschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zwei Primärteile (21) elektromagnetisch voneinander entkoppelt sind.
Verfahren zum Betreiben der Linearmaschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die zwei Primärteile (21) von der Ansteuerungseinheit (23) mit mindestens einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt werden, wobei die elektrischen Phasen phasenverschoben zueinander sind.
Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Phasenverschiebung π oder ein Bruchteil von π beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Ansteuerungseinheit (23) jeden der Primärteile (21) mit mindestens zwei verschiedenen elektrischen Phasen versorgt.