DE19723924A1 - Linearmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor.

Nachstehend sind Dokumente aufgeführt, die technischen Hin­ tergrund für die Erfindung zeigen. Allerdings erhebt diese Liste keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Außerdem zeigen einige dieser Dokumente ganz spezielle Anwendungsfälle: DE 33 07 070 A1, DE 35 00 530 A1, EP 244 878 B1, WO 90/07635, US 4,829,947, EP 377 244 B1, EP 347 211 B1, EP 390 519 B1, EP 328 194 B1, EP 377 251 B1, EP 312 216 B1, US 4,967,702, US 3,853,102, US 4,829,947, US 4,915,015, WO 90/07637, EP 244 878 B1, EP 328 195 A2.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Linearmotor bereitzustellen, der eine hohe Leistungsdichte, Zuverlässigkeit, hohe Be­ schleunigungen, geringe bewegte Massen, sowie einen einfa­ chen und kompakten Aufbau erlaubt.

Zur Lösung dieser Probleme lehrt die Erfindung einen elek­ trischen Linearmotor, der einen Läufer und einen Ständer aufweist, wobei der Ständer aus Blechen aufgebaut ist, de­ ren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers ori­ entiert ist, und der Ständer dem Läufer zugewandte Zähne aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer zuge­ wandte Mantelfläche haben.

Diese Anordnung ermöglicht eine sehr kleine Polteilung des Linearmotors, so daß eine sehr hohe Kraftdichte realisier­ bar ist. Außerdem kann die durch den Linearmotor erzeugte Kraft entlang des Hubweges des Läufers genau eingestellt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Ventilanordnung weist der Ständer wenigstens eine Wicklung auf, die parallel zu der Fläche der Bleche orientiert ist. Damit ist es möglich, die auf die Wicklung wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so daß Vibrationen der Wicklung oder Reibung der Wicklung an den Blechen ge­ ring sind. Damit ist es möglich, mit minimalem Isolations­ material bzw. Auskleidungsmaterial der Wicklungskammer aus­ zukommen. Auch dies trägt zur Kompaktheit und Zuverlässig­ keit der Gesamtanordnung bei. Außerdem bewirkt dies eine hohe Leistungsdichte auch bei kleinen Linearmotoren, da der Füllfaktor der Wicklungskammer (Wicklungsvolumen in der Wicklungskammer bezogen auf das Gesamtvolumen der Wick­ lungskammer) hoch ist.

Bevorzugt weisen die Bleche wenigstens eine Ausnehmung auf, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche enthält. Dieses Eisenmaterial kann durch (gepackte oder kompaktierte) Ei­ sendrähte gebildet sein, die die Bleche quer zu deren Flä­ che durchdringen. Alternativ dazu kann das Eisenmaterial auch durch Eisenpartikel gebildet sein, die mittels Kunst­ harz oder dergl. in den Ausnehmungen der Bleche verpreßt sind.

Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines Linearmotors, bei dem die wenigstens eine Wicklung über ihre gesamte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor bei­ trägt. Dies bedeutet, daß die Wicklung keine Wickelköpfe aufweist, wie dies bei herkömmlichen Motoren der Fall ist. Der Grund dafür ist, daß die Wicklung vollständig zwischen den Blechen des Ständers in den Wickelkammern aufgenommen ist und die Wicklung weder in axialer Richtung, noch in ra­ dialer Richtung über die Zähne des Ständers hinausragt.

Damit hat der Linearmotor gemäß der Erfindung gegenüber ei­ nem herkömmlichen Motor erheblich weniger Kupfer bei ver­ gleichbarem Nutenquerschnitt.

Erfindungsgemäß kann der Läufer als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder im speziellen als Reluktanzläufer ausgebildet sein. Im Fall eines Asynchronläufers ist noch ein den Läufer umgreifender magnetischer Rückschluß aus Ei­ sen vorzusehen. Die Ausbildung des Läufers als Reluktanz­ läufer erlaubt eine konstante Kraftausübung des Linearmo­ tors über den gesamten Hub.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors ist der Läufer mit einem Sensor zur Wegerfas­ sung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung gekoppelt.

Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil mit dem er­ findungsgemäßen Aktuator auch ein Teilhub des Betätigungs­ gliedes möglich ist. Dieser Teilhub kann über den Sensor erfaßt werden.

Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Linearmotor der Läufer mit einer Resonanzfederanordnung gekoppelt sein.

Bevorzugt ist der Läufer als Hybridläufer, mit einem Eisen­ körper in den Kupfer- oder Aluminiumreifen zur Ausübung der Reluktanzwirkung eingesetzt sind, ausgestaltet.

In einer weiterentwickelten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Linearmotors sind in den Ständer Kühlmittelkanäle eingearbeitet, die mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar sind. Damit kann der Ständer gekühlt werden, so daß der Li­ nearmotor mit zumindest zeitweise mit erhöhter Leistung be­ trieben werden kann. Insbesondere wenn wenigstens einige der Kühlmittelkanäle so angeordnet sind, daß sie an der Mantelfläche des Ständers in den Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer münden, wird außer dem Ständer auch der Läufer gekühlt. Außerdem kann bei Verwendung von Öl als Kühlmittel auch der Luftspalt sehr schmal dimensioniert werden, so daß der Läufer durch einen dünnen Ölfilm ge­ trennt auf dem Ständer läuft. Dies dient außerdem der gleichzeitigen Schmierung und bewirkt eine Versteifung der Anordnung. Dies erhöht die Laufruhe.

In einer Ausführungsform sind die wenigstens eine Wicklung und die Wicklung zumindest teilweise begrenzende Bleche als eigenständig handhabbare Baugruppe hergestellt. Dies kann zum Beispiel mittels Multilayer-Technik erfolgen, wie sie aus der Technik zur Herstellung elektrischer Leiterplatten mit gedruckten Schaltungen bekannt ist. Damit bilden die Bleche und die Wicklung eine kompakte mechanisch äußerst stabile Einheit, die als Kunstharz-verstärktes Laminat so­ wohl ein oder mehrere Bleche enthält, als auch die Wick­ lung, die als eine oder mehrere gedruckte Leiterbahnstruk­ tur hergestellt sein kann. Eine Vielzahl solcher Baugruppen ist dann zur Bereitstellung des Ständers aufeinandergesta­ pelt und in geeigneter Weise mit dem Eisenkern verbunden, wobei die Wicklungen elektrisch in der erforderlichen Weise verschaltet werden.

In einer anderen Ausführungsform ist die wenigstens eine Wicklung zwischen zwei Lagen aus blattförmigem Isoliermate­ rial (zum Beispiel Kapton oder dergl.) aufgenommen. Alter­ nativ dazu können auch isolierte (zum Beispiel oxidbe­ schichtete) Bleche verwendet werden, zwischen denen die Wicklungen jeweils angeordnet sind.

In einer Kategorie von Ausgestaltungen des erfindungsgemä­ ßen Linearmotors ist der Ständer als Zylinder ausgestaltet ist, den ein entsprechend hohlzylindrisch gestalteter Läu­ fer umschließt. Dies ist eine Außenläuferanordnung. Es ist jedoch ebenfalls möglich, das erfindungsgemäße Konzept in der Weise zu realisieren, daß der Ständer als hohlzylindri­ scher Ring ausgestaltet, der einen entsprechend zylindrisch gestalteten Läufer umschließt. Dies ist eine Innenläuferan­ ordnung.

Für die Ausgestaltung und Anordnung der Wicklungen gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten. In einer bevorzugten Aus­ führungsform ist die wenigstens eine Wicklung spiralförmig gestaltet, wobei deren inneres Ende mit einem gemeinsamen Potentialpunkt (bei einem Mehrphasensystem dem Sternpunkt) verbunden ist, und deren äußeren Ende mit dem äußeren Ende einer weiteren Wicklung gleicher Phase parallel geschaltet ist. Die Kontaktierung paralleler Wicklungen über deren äu­ ßere Enden kann in einem oder mehreren gleichmäßig am Um­ fang des Ständers verteilten Kanälen erfolgen.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Linearmotors bewegt sich der Läufer koaxial zur Mittellängsachse des Ständers. Durch die nachstehend beschriebene Ausgestaltung des Ständers ist es bei entspre­ chender Ansteuerung einzelner (Gruppen von) Wicklungen mög­ lich, zusätzlich oder anstelle der linearen Bewegung dem Läufer auch eine rotatorische Bewegung aufzuprägen.

Dazu sind einzelne der (zahn-bildenden) Bleche entlang ih­ res Umfangs in vorzugsweise gleichförmige Zahnabschnitte unterteilt. Diese einzelnen Zahnabschnitte sind in axialer Richtung des Ständers in abwechselnder Richtung abgekröpft. Dies hat zur Folge, daß die einzelnen Zahnabschnitte be­ nachbarter Bleche versetzt ineinandergreifen. Damit kann zum Beispiel ein in Umfangsrichtung einphasiger Motor rea­ lisiert werden.

Alternativ dazu können auch die Wicklungen zwischen den Blechen in axialer Richtung des Ständers abschnittsweise gekröpft sein, so daß die Bleche eben sind und jeweils randseitig offene radiale Schlitze aufweisen, durch die die Wicklungen hindurchgeführt sind. Damit wird erreicht, daß der magnetische Fluß stets in der Ebene der Bleche verläuft und keine axialen Fluß-Anteile auftreten.

Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist kein Eisenkern erfor­ derlich, da hier der magnetische Rückfluß im Blech erfolgen kann.

Dabei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, daß die Resultierende aus den magnetischen Flüssen um alle Zahnabschnitte die Bewegungsrichtung des Läufers bestimmt.

Wenn außerdem einzelne der Zahnabschnitte eines Bleches in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, kann auch in Umfangsrichtung ein mehrphasiges System realisiert werden.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Ab­ wandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehen­ den Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügte Zeich­ nung Bezug genommen ist.

Fig. 1 zeigt eine Ventilanordnung für einen ventil­ gesteuerten Verbrennungsmotor schematisch im Längs schnitt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Draufsicht auf einen Ständer eines erfindungs­ gemäßen Linearmotors in einer zweiten Ausfüh­ rungsform, dessen Läufer sowohl in Umfangs­ richtung als auch in axialer Richtung bewegbar ist.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen elektrischen Linearmo­ tor 10. Der Linearmotor 10 hat ein Betätigungsglied 14, das mit Läufer 16 gekoppelt ist, und einen Ständer 18.

Der Ständer 18 ist aus kreisrunden Blechen 20 aus Eisen aufgebaut, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung B des Läufers 16 orientiert ist. Der Ständer 18 weist dem Läufer 16 zugewandte Zähne 22 auf, die jeweils eine ge­ schlossene, dem Läufer 16 zugewandte Mantelfläche haben. Im vorliegenden Beispiel mit kreisrunden Blechen 20 haben die einzelnen Zähne eine kreiszylindrische Mantelfläche. Es ist jedoch auch möglich, ovale Bleche oder Bleche mit polygona­ ler Gestalt zum Aufbau des Ständers 18 zu verwenden.

Der Ständer 18 weist als Ständerfeldspulen Wicklungen 24 auf, die parallel zu der Fläche der Bleche 20 orientiert sind. Das heißt, daß die Spulenmittelachse im wesentlichen senkrecht zu der Fläche der Bleche 20 und im wesentlichen koaxial zu der Längsmittelachse des Ständers 18 orientiert ist. Dazu haben einzelne der Bleche 20 einen geringeren Durchmesser als diejenigen Bleche, welche die Zähne 22 bil­ den. Damit sind jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen 22 Wicklungskammern 26 gebildet, in denen sich jeweils eine zur Mittellängsachse des Ständers 18 konzentrische Wicklung 24 befindet. Die Art der Verschaltung der einzelnen Wick­ lungen 24 bzw. deren Beaufschlagen mit elektrischem Strom ist von der gewünschten Art des Motors (Ein- oder Mehrpha­ senmotor) abhängig.

In der Mitte hat jedes der Bleche 20 eine Ausnehmung 30 in der polymorphes Eisenmaterial oder gepackte Eisendrähte zur magnetischen Verbindung der Bleche enthalten ist.

Da jede Wicklung 24 über ihre gesamte Erstreckung in der Wicklungskammer angeordnet ist, trägt sie auch über ihre gesamte Länge zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmo­ tor bei.

In der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 ein hohlzylin­ drischer Eisenring, der an seiner dem Ständer 18 zugewand­ ten Innenfläche voneinander axial beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen Kupfer- oder Aluminiumringe 34 aufgenom­ men sind. Damit arbeitet der Läufer 16 als Hybridläufer.

An der dem Ventilglied 12 abgewandten Stirnseite ist der Läufer 16 mit einem Sensor 36 zur Wegerfassung des Läufers 16 längs der Bewegungsrichtung B gekoppelt.

Der Läufer 16 ist gegen das Gehäuse 40 mit einer Resonanz­ federanordnung 42 abgestützt. Damit kann Blindleistung kom­ pensiert werden.

In Fig. 2 ist gezeigt, wie gemäß einer weitergehenden Ent­ wicklung der Erfindung die durchgehende Mantelfläche der Zähne des Ständers in einzelne Zahnabschnitte aufgeteilt ist. Dazu sind die zahn-bildenden Bleche in radialer Rich­ tung geschlitzt und in axialer Richtung abgekröpft. Damit entstehen die mit NNN, NNS, NSS, SSS, SSN, SNN, NNN . . . be­ zeichneten Zahnabschnitte, wobei in dieser Ausführungsform alle Zahnabschnitte in einer Ebene zu einem gegebenen Zeit­ punkt die gleiche Polarität haben. Mit den Bezeichnungen NNN, NNS, NSS, SSS, SSN, SNN, NNN wird für ein Dreiphasen­ system die jeweiligen Magnetpol-Orientierung und die Ma­ gnetpol-Stärke der Zahnabschnitte angedeutet. Es versteht sich, daß für ein Phasensystem mit mehr oder weniger als drei Phasen die Polverteilung entsprechend anders ist.

Die schrägen Verbindungslinien zwischen einzelnen Zahnab­ schnitten unterschiedlicher Ebenen (die jedoch zum gleichen Blech gehören) stellen Rückenstege der Zahnabschnitte dar, die den magnetischen Fluß tangential von einem Zahnab­ schnitt zum nächsten leiten. In dem Ausführungsbeispiel ge­ mäß Fig. 1 wird im Gegensatz zu der vorliegenden Anordnung der magnetische Fluß in axialer Richtung von einem Zahn(- Blech) zum nächsten durch das Eisenmaterial im Zentrum ge­ leitet.

Die horizontalen Pfeile zwischen den einzelnen Ebenen der Zahnabschnitte stellen die Strombahnen der Wicklungen des Dreiphasensystems dar.

Eine Erhöhung der Phasenzahl in Umfangsrichtung des Stän­ ders kann durch einen Versatz von Gruppen von Zähnen bzw. Zahnabschnitten entlang des Umfangs erfolgen, wobei eine Gruppe jeweils von NNN, NNS, NSS, SSS, SSN, bis SNN in axialer Richtung reicht. Alternativ dazu können die einzel­ nen Gruppen auch ineinander geschachtelt werden, so daß die in Fig. 2 gezeigte Verteilung von Zahnabschnitten gleicher Magnetpol-Orientierung und die Magnetpol-Stärke der Zahnab­ schnitte nicht mehr zutreffend ist. Vielmehr sind dann die einzelnen Zahnabschnitte in einer Ebene auch unterschied­ lich.

Bei den Ausführungsformen mit zusätzlicher Drehbewegung des Läufers ist die Anordnung der Wicklungen zwischen den Ble­ chen bzw. Zahn-Abschnitten komplizierter. Falls im Einzel­ fall die gestapelte Aufbauweise (siehe Fig. 1) nicht mehr möglich ist, muß dann auf zwischen die Bleche gewickelte Spulen zurückgegriffen werden.

Bei den Ausgestaltungen mit den ebenen Blechen und den ab­ gekröpften Strombahnen ist es möglich, die Multilayer-Tech­ nik einzusetzen.

Claims (18)

1. Elektrischer Linearmotor (10), der

• - einen Läufer (16) und
• - einen Ständer (18) aufweist, wobei
• - der Ständer (18) aus Blechen (20) aufgebaut ist, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientiert ist, und
• - der Ständer (18) dem Läufer (18) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (18) zugewandte Mantelfläche haben.

2. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei der Ständer (16) wenigstens eine Wicklung (24) aufweist, die parallel zu der Fläche der Bleche (20) orientiert ist.

3. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei die Bleche (20) wenigstens eine Ausnehmung (30) aufweisen, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche (20) enthält.

4. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung (24) über ihre gesamte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor (10) bei­ trägt.

5. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder als Reluktanzläufer ausgebildet ist.

6. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einem Sensor zur Wegerfassung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung (36) gekoppelt ist.

7. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einer Resonanzfederanordnung (42) gekoppelt ist.

8. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei der Läufer als Hybridläufer, mit einem Eisenkörper (16) in den Kupfer- oder Aluminiumreifen (34) eingesetzt sind, ausge­ staltet ist.

9. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei in den Ständer Kühlmittelkanäle eingearbeitet sind, die mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar sind.

10. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 9, wobei wenig­ stens einige der Kühlmittelkanäle so angeordnet sind, daß sie an der Mantelfläche des Ständers in den Luftspalt zwi­ schen dem Ständer und dem Läufer münden.

11. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung und die Wicklung zumindest teil­ weise begrenzende Bleche als eigenständig handhabbare Bau­ gruppe hergestellt sind, und wobei eine Vielzahl solcher Baugruppen zur Bereitstellung des Ständers aufeinanderge­ stapelt ist.

12. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung durch eine zwischen zwei Lagen aus blattförmigem Isoliermaterial aufgenommen ist.

13. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei der Ständer als hohlzylindrischer Ring ausgestaltet ist, der einen entsprechend zylindrisch gestalteten Läufer um­ schließt.

14. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei der Ständer als Zylinder ausgestaltet ist, den ein entsprechend hohlzylindrisch gestalteter Läufer umschließt.

15. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung spiralförmig ist, deren inneres Ende mit einem gemeinsamen Potentialpunkt verbunden ist, und deren äußeres Ende mit dem äußeren Ende einer weiteren Wicklung gleicher Phase parallel geschaltet ist.

16. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei ein­ zelne der Bleche entlang ihres Umfangs in Zahnabschnitte unterteilt sind, und die Zahnabschnitte in axialer Richtung des Ständers abgekröpft sind.

17. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 16, wobei ein­ zelne der Zahnabschnitte eines Bleches in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.

18. Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 16, wobei zwi­ schen den Blechen des Ständers wenigstens eine Wicklung an­ geordnet ist, die entlang des Umfangs in axialer Richtung des Ständers versetzte Abschnitte aufweist.