DE19700392A1 - Antriebsvorrichtung mit mehreren flachen Linearmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit meh­ reren flachen Linearmotoren, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils einen plattenförmigen Stator, einen plattenförmigen Läufer, sowie wenigstens einen ein Mag­ netfeld erzeugenden Magneten oder stromdurchflossene Wicklungen aufweisen.

Aus der US-A-4 768 357 ist eine Strickmaschine mit einer derartigen Antriebsvorrichtung bekannt, mit der die ein­ zelnen Nadeln der Strickmaschine hin- und herbewegt wer­ den. Bei dieser bekannten Anordnung sind Permanentmagnete auf den Außenflächen der plattenförmigen Läufer be­ festigt, die die Nadeln bewegen. Auf den den Läufern zu­ gewandten Seiten der Statoren sind Spulenwicklungen ange­ bracht. Bei derartigen Antriebseinrichtungen ist es er­ forderlich, möglichst flach zu bauen, damit möglichst viele Linearmotoren pro Zentimeter nebeneinander angeord­ net werden können. Eine weitere Forderung besteht darin, die Linearmotoren mit möglichst geringer Leistung zu be­ treiben, um neben der Energieeinsparung insbesondere auch die Wärmeentwicklung der Antriebseinrichtungen möglichst klein zu halten. Mit der bekannten Antriebseinrichtung sind diese Erfordernisse nicht oder nur unzureichend zu verwirklichen, weil die einzelnen Linearmotoren relativ breit sind und auf Grund der großen Masse des Läufers durch die daran angebrachten Permanentmagneten eine hohe kinetische Energie beim Beschleunigen und Abbremsen der Läuferbewegung aufgebracht werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine An­ triebseinrichtung mit Linearmotoren zu schaffen, die sehr flache Linearmotoren und damit eine große Anzahl von Li­ nearmotoren pro Zentimeter aufweist, und die mit einer geringen Leistungsaufnahme betrieben werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß die Wicklungen im Läufer eingelegt sind. Da die Wicklungen wesentlich leichter als Permanentmagnete sind, kann das Gewicht der Läufer mit der Folge wesentlich re­ duziert werden, daß die aufzubringende Energie zum Be­ schleunigen und Abbremsen des Läufers, aber auch die mechanische Beanspruchung und der Verschleiß der Linear­ motoren wesentlich geringer ist, so daß die Linearmotoren einfacher und leichter gebaut werden können und eine hö­ here Lebensdauer aufweisen. Durch das Einlegen oder Ein­ betten der Wicklungen in den Läufer ergibt sich wiederum eine Reduzierung der Breite des Linearmotors.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Zwei-Phasen- Synchronmotoren als Linearmotoren und/oder Zwei-Phasen­ wicklungen als Wicklungen auf bzw. in den Läufern.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfin­ dung, bei der der Läufer aus einem isolierenden Material besteht, in das die Wicklungen eingelegt oder eingebettet sind. Das isolierende Material sollte dabei zur Reduzie­ rung des Läufergewichts ein möglichst geringes spezifi­ sches Gewicht aufweisen. Vorteilhaft ist hierbei die Ver­ wendung einer Leiterplatte, die mit Wicklungen versehen ist, sei es durch gedruckte Leitungen oder Drähte, die in entsprechenden Nuten oder Bohrungen der Leiterplatten verlaufen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß zusätzlich oder alternativ auch dadurch gelöst, daß die Magneten in einer Platte des Stators eingelegt sind. Da die relativ schweren Magnete nunmehr Teil des Stators sind und nicht beschleunigt und abgebremst werden müssen, ist es mög­ lich, mit weniger Energie für den Antrieb auszukommen. Durch die Gewichtsverringerung des Läufers auf Grund der statorseitigen Anbringung der Magneten sind auch die Reibungs- und Führungskräfte zwischen Läufer und Stator geringer, so daß die Führungs- und Gleitbereiche zwischen Läufer und Stator weniger schnell verschleißen, wodurch insbesondere im Hinblick auf die vielen Hin- und Herbewe­ gungen der Läufer die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wesentlich erhöht wird. Darüberhinaus weist die Antriebsvorrichtung pro Zentimeter wesentlich mehr Linearmotoren, also eine höhere Dichte auf, als herkömmliche Antriebseinrichtungen, weil die Magnete nicht auf der Oberfläche einer Statorplatte angeordnet, sondern in die Platte eingelegt sind und dadurch die Linearmotoren wesentlich schmaler gebaut werden können. Obgleich die Magneten auch an oder in Magnetfluß-Rück­ führungsplatten der Statoren angebracht werden können, ist es besonders vorteilhaft, die Platte, in die die Magnete eingelegt sind, aus einem nicht-magnetischen Material herzustellen. Dies ist insbesondere dann vor­ teilhaft, wenn - wie dies im weiteren noch beschrieben werden wird - eine Antriebseinrichtung gewählt wird, wie sie in der nicht vorveröffentlichten DE-A-195 04 641 be­ schrieben ist, nämlich mehrere Linearmotoren zu einem Paket zusammenzufassen und den magnetischen Fluß rei­ henschaltungsmäßig durch die Linearmotoren des Pakets hindurchfließen zu lassen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Breite oder Dicke der Platte kleiner oder gleich der Breite der Magneten. Dadurch trägt die Platte nicht zur Breite der einzelnen Linearmotoren bei. Vorteilhaft ist es dabei, die Breite der Magneten - so­ weit dies im Hinblick auf das von dem Magneten zu er­ zeugende magnetische Feld möglich ist - klein zu halten.

Die Magnete, die gemäß der Erfindung statorseitig ange­ ordnet sind, sind vorzugsweise Permanentmagnete. Es ist jedoch auch möglich, Elektromagnete zu verwenden, wenn dies konstruktionsmäßig oder im Hinblick auf das Betrei­ ben der Anordnung vorteilhaft ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Linearmotoren zu einem Paket zu­ sammengefaßt, wie dies in der bereits erwähnten, nicht vorveröffentlichten DE-A-195 04 641 beschrieben ist. Die inneren Rückschlußplatten können dabei weggelassen werden und lediglich auf der Außenseite des Pakets sind Rück­ schlußplatten vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ sind jedoch auch innere Rückschlußplatten für jeden einzelnen Linearmotor vorgesehen, wobei die inneren Rückschlußplat­ ten von wenigstens einigen der Linearmotoren eines Pakets dünner sind als die außenliegenden Rückschlußplatten. Die Dicke der inneren Rückschlußplatten ist dabei lediglich noch im Hinblick auf die magnetische Belastung zu wählen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Magnete auf den inneren Rückschlußble­ chen angeordnet bzw. in die inneren Rückschlußbleche ein­ gelegt oder eingebettet. Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Rückschlußbleche Ausnehmungen auf, in denen die Permanentmagnete mit sie umgebenden magnetisch isolierenden Bereichen eingesetzt sind.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist die mechanische und reibungsmäßige Beanspruchung von Stator und Rotor der Linearmotoren auf Grund der sehr zahlreichen Hübe sehr hoch, so daß die Lebensdauer der Linearmotoren zu wün­ schen übrig läßt. Neben den Maßnahmen für eine Verrin­ gerung des Läufergewichts sind gemäß der Erfindung zu­ sätzlich oder alternativ Lagerungs- und/oder Führungsele­ mente für die Läufer vorgesehen, um den Verschleiß und insbesondere auch die Reibungskräfte beim Betrieb der Antriebsvorrichtung möglichst klein zu halten. Die La­ gerungs- und/oder Führungselemente sind dabei vorzugs­ weise Gleithülsen und/oder Drehelemente, beispielsweise Räder oder Walzen, deren Außenumfänge vorzugsweise eine Umfangs-Nut zur Führung des Läufers aufweisen. Aus her­ stellungstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, die Lagerungs- und/oder Führungselemente am Läufer vorzu­ sehen, es ist jedoch auch möglich, diese am Stator vorzu­ sehen, in denen dann der Läufer gleitet oder abrollt. Wenigstens die Kanten des Läufers sind dabei zur Verrin­ gerung des Verschleißes vorzugsweise aus einem besonderen Material und/oder die Lagerungs- und/oder Führungselemen­ te sind aus einem besonders abriebfesten, widerstands­ fähigen Material hergestellt. Gemäß einer besonders vor­ teilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jeweils ein Lagerungs- und/oder Führungselement an den Endbereichen der Kanten des Läufers vorgesehen, die an den Läufer ins­ besondere angeklebt und/oder in einer sonstigen Weise me­ chanisch befestigt sind.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist für die ver­ schiedensten Anwendungsfälle einsetzbar. Besonders vor­ teilhaft ist jedoch deren Verwendung zum Antreiben von Nadeln einer Strickmaschine, insbesondere einer Flach­ strickmaschine.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Linearmotor-Elements der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der in Fig. 1 einge­ zeichneten Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Läufers,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Statorplatte mit eingelegten Permanentmagneten,

Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung mehrerer zu einem Paket zusammengefaßten Linearmotoren,

Fig. 6 Pakete von Linearmotoren, die in verschiedenen Ebenen angeordnet sind,

Fig. 7 eine perspektivische, schematische Darstellung eines Lagerungs- und/oder Führungselements,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Lage­ rungs- und/oder Führungselement,

Fig. 9 eine Seitenansicht des Läufers mit angebrachten Lagerungs- und/oder Führungselementen, und

Fig. 10 einen Querschnitt entlang der in Fig. 9 einge­ zeichneten Schnittlinie X-X.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors synchroner Bauart ist ein Läufer 1 mit darin eingelegten oder angebrachten Wicklungen 2 vorgesehen, der bezüglich feststehenden, einem Stator zugeordneten Permanentmagneten 3 beweglich ist. Der Stator weist magnetische Rückschlußplatten 4, 5 auf, die eine Magnetfluß-Rückführung des von den Perma­ nentmagneten 3 gebildeten magnetischen Flusses ermögli­ chen. Der Übersichtlichkeit und Deutlichkeit halber ist in Fig. 1 die vordere Rückschlußplatte 5 weggelassen. Der Aufbau von Linearmotoren sowie deren Funktionsweise ist allgemein bekannt und beispielsweise in dem Buch Budig "Linearmotoren", Verlag Technik, Berlin, 1977, oder in dem Artikel von Y. Kanu et al. in Electrical Engineers of Japan, Vol. MAG-85, No. 111-119, Seiten 77-86 im einzel­ nen beschrieben. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf diese Druckschriften Bezug genommen und diese insofern zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Permanentmagnete 3 an den Rückschlußplatten 4, 5 der Sta­ toren angebracht. Auch die Wicklungen 2 sind jeweils auf den Läufern 1 angebracht. Die Breite, d. h. die Abmessun­ gen in X-Richtung, jedes einzelnen Linearmotors wird durch die aufgebrachten Magnete und Wicklungen entspre­ chend vergrößert.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Wicklungen in dieser Ausfüh­ rungsform der Erfindung im Läufer 1 eingelegt oder einge­ bettet, so daß sich die Breite des Läufers 1 und damit auch der mechanische Luftspalt δ um das Maß 2d₁ verrin­ gert. Die Breite des Linearmotors läßt sich somit eben­ falls um 2d₁ verringern.

Als Breite der Linearmotoren, Läufer, Rückschlußplatten oder der Antriebsvorrichtung wird dabei die Abmessung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Läufer, d. h. in der in Fig. 2 eingezeichneten X-Richtung verstanden.

Wie aus der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform er­ sichtlich ist, läßt sich die Motorbreite bzw. Teilung t eines Pakets weiter dadurch verringern, daß die Perma­ nentmagnete 3, die bei der in Fig. 2 dargestellten Aus­ führungsform auf den Rückschlußplatten 4, 5 angeordnet sind, nunmehr in einer Platte aus nicht magnetischem Ma­ terial eingelegt oder einzubettet sind.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung mit mehreren zu einem Paket zusammen­ gefaßten Linearmotoren, bei denen die Rückführplatten 4, 5 auf Grund der Paketanordnung wesentlich dünner ausge­ führt werden können, als dies bei herkömmlichen Linearmo­ toren der Fall ist. Bei herkömmlichen Anordnungen muß die Bemessung der Materialdicke für die Rückschlußplatten 4, 5 den zwischen diesen auftretenden magnetischen Grenz­ flächenkräften

F = 1/(2µ₀)·A·B²

mit

µ₀ = 1.256 · 10^-6 Vs/Am
A = Fläche m²
B = magnetische Induktion Vs/m²

Rechnung tragen.

Die Rückschlußplatten 4, 5 sind daher breiter bzw. dicker als es von der magnetischen Belastung her notwendig ist. Eine Verringerung der Dicke der Linearmotoren, d. h. ge­ ringere Abmessungen in der in Fig. 2 eingezeichneten x- Richtung, lassen sich dadurch erreichen, daß mehrere Mo­ toren zu einem "Modul" bzw. Paket zusammengefaßt werden. Da die im Inneren liegenden Rückschlußplatten 7 nur den magnetischen Beanspruchungen unterworfen sind, können diese dünner ausgeführt werden und damit kann in x-Rich­ tung, also die Motorbreite, dadurch n_*(d₂-d₃) eingespart bzw. verringert werden, wobei n die Zahl der Linearmo­ toren pro Paket, d₂ die Dicke der herkömmlichen, "dicken" Rückschlußplatten 4, 5, und d₃ die Dicke der inneren, "dünnen" Rückschlußplatten 7 ist. Die Abmessungen von Linearmotor zu Linearmotor innerhalb eines Pakets, also die Teilung t des Pakets bzw. Moduls läßt sich also mit den erfindungsgemäßen Merkmalen wesentlich reduzieren.

Fig. 6 zeigt zwei Pakete 8, 9 von Linearmotoren in zwei Ebenen übereinander. Ist die Teilung der anzutreibenden Baugruppen, beispielsweise der Nadeln einer Strickmaschi­ ne, kleiner als die des Linearmotor-Pakets, so müssen zur Ankopplungen aller dieser Baugruppen die Motoren in der y-Richtung zueinander versetzt, also in zwei oder mehr Ebenen angeordnet werden. Zur Betätigung der Baugruppen, beispielsweise der Nadeln einer Strickmaschine, sind dann mehrdimensional geformte Ankoppelstücke erforderlich.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Er­ findung ist der Läufer 1, d. h. der mit Wicklungen ver­ sehene Isolierteil bzw. dessen Kante 10 in einer Führ­ ungsnut oder Gleitbahn 11 eines Lagerungs- und Führungs­ elements 12 geführt und gehalten. Das Material dieses Lagerungs- und Führungselements 12 kann dabei ebenso wie die Kante des Läufers 1 aus einem mechanisch widerstands­ fähigen Material bestehen und gute Gleiteigenschaften aufweisen.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Er­ findung ist als Lagerungs- und Führungselement ein Dreh­ element oder Wälzlager 13 vorgesehen, das zwischen Außen­ ringen eine Umfangsnut 14 aufweist, in der die Kante des Läufers 1 läuft, und das Drehelement 13 sich um eine Drehachse 15 dreht. Durch diesen Drehvorgang ist die Rei­ bung gering, so daß nicht nur der Verschleiß und der Ab­ rieb gering bleibt, sondern auch der Kraftaufwand für die Bewegung gering ist und damit die Leistungsaufnahme der Linearmotoren und deren Erwerbung klein gehalten werden kann.

Die Fig. 9, 10 zeigen eine Ausführungsform, bei der aus einem verschleißfesten und/oder gut gleitendem Material bestehende Lagerungs- und Führungselemente 16 so angeord­ net sind, daß sie den Läufer 1 über den gesamten Läufer­ hub hinweg führen. Die Lagerungs- und Führungselemente 16 können je nach den konstruktiven Gegebenheiten und Erfor­ dernissen sowohl am Läufer 1 als auch am Stator, oder auch nur am Läufer 1 oder nur am Stator vorgesehen sein. Die Lagerungs- und Führungselemente 16 sind bei diesem Ausführungsbeispiel am Läufer 1 befestigte Gleitschuhe, die entweder in komplementär ausgebildeten Gleithülsen oder in Walzlagern geführt und gelagert sind.

Die Erfindung wurde zuvor an bevorzugten Ausführungsbei­ spielen der Erfindung erläutert. Dem Fachmann sind jedoch zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Die in den Ansprüchen, insbesondere den nebengeordneten Ansprü­ chen, angegebenen Merkmale sind sowohl additiv als auch kulminativ einsetzbar.

Claims (23)

1. Antriebsvorrichtung mit mehreren flachen Linearmoto­ ren, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils einen plattenförmigen Stator (4, 5, 6) und einen plattenförmigen Läufer (1) sowie wenigstens einen ein Magnetfeld erzeugenden Magneten (3) oder strom­ durchflossene Wicklungen (2) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (2) in einen Läufer (1) eingelegt sind.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Linearmotor ein Zwei-Phasen- Synchronmotor ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen Zwei-Phasenwick­ lungen sind.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (1) aus einem isolierenden Material besteht.

5. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (1) eine Leiterplatte ist.

6. Antriebsvorrichtung mit mehreren flachen Linearmoto­ ren, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils einen plattenförmigen Stator (4, 5, 6) und einen plattenförmigen Läufer (1) sowie wenigstens einen ein Magnetfeld erzeugenden Magneten (3) oder strom­ durchflossene Wicklungen (2) aufweisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnete (3) in einer Platte (6) des Stators (4, 5, 6) eingelegt sind.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platte (6) aus einem nicht magne­ tischen Material besteht.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Platte (6) klei­ ner oder gleich der Breite der Magnete (3) ist.

9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (3) Per­ manentmagnete sind.

10. Antriebsvorrichtung mit mehreren flachen Linearmoto­ ren, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils einen plattenförmigen Stator (4, 5, 6) und einen plattenförmigen Läufer (1) sowie wenigstens einen ein Magnetfeld erzeugenden Magneten (3) oder strom­ durchflossene Wicklungen (2) aufweisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Linearmotoren zu einem Paket zusammengefaßt sind.

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Linearmotoren Zwei-Phasen- Synchronmotoren sind.

12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, da­ durch gekennzeichnet, daß inneren Rückschlußplatten (6) von wenigstens einigen der Linearmotoren eines Pakets dünner sind als die außen liegenden Rück­ schlußplatten (4, 5).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dicke der inneren Rückschlußplatten (6) entsprechend der magnetischen Belastung gewählt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Magnete (3) auf den inneren Rückschlußblechen (7) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß Rückschlußplatten (4, 5) nur an den Außen­ seiten des Linearmotoren-Pakets vorgesehen sind.

16. Antriebseinrichtung mit mehreren flachen Linearmoto­ ren, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils einen plattenförmigen Stator (4, 5, 6) und einen plattenförmigen Läufer (1) sowie wenigstens einen ein Magnetfeld erzeugenden Magneten (3) oder strom­ durchflossene Wicklungen (2) aufweisen, gekennzeich­ net durch Lagerungs- und/oder Führungselemente (12, 13, 16) für die Läufer (1).

17. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lagerungs- und/oder Führungs­ elemente Gleithülsen (12) sind.

18. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lagerungs- und/oder Führungs­ elemente Drehelemente (13) sind.

19. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Außenumfang der Drehelemente (13) eine Umfangsnut (14) zur Führung des Läufers (1) aufweist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lagerungs- und/oder Führungselemente (12, 13, 16) am Läufer (1) ange­ bracht sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lagerungs- und/oder Führungselemente (12, 13, 16) angeklebt sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lagerungs- und/oder Führungselemente (12, 13, 16) formschlüssig am Läufer (1) oder Stator befestigt sind.

23. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zum Antreiben von Nadeln einer Strickmaschine.