DE19723924B4

DE19723924B4 - Elektrischer Linearmotor

Info

Publication number: DE19723924B4
Application number: DE19723924A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Dr. Gründl; Bernhard Dipl.-Ing. Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Compact Dynamics GmbH
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2017-06-07
Also published as: DE19723924A1; WO1998056098A1; EP0986853A1; JP2002510459A

Abstract

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 (16) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (16) zugewandte Mantelfläche haben,
– der Läufer (16) als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder als Reluktanzläufer ausgebildet ist,
– in den Ständer (18) Kühlmittelkanäle eingearbeitet sind, die mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar sind und von denen wenigstens einige an der Mantelfläche des Ständers (18) in den Luftspalt zwischen dem Ständer (18) und dem Läufer (16) münden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Linearmotor.
Nachstehend sind Dokumente aufgeführt, die technischen Hintergrund 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 A1 , US 4 829 947 A , 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 A ,
US 3 853 102 A , US 4 829 947 A , US 4 915 015 A ,
WO 90/07637 A1 , EP 244 878 B1 , EP 328 195 A2 .
Aus der DE 21 09 241 A ist ein elektrischer Linearmotor bekannt, der einen Läufer und einen Ständer aufweist, wobei der Ständer aus Blechen aufgebaut ist, deren Fläche zur Bewegungsrichtung des Läufers orientiert ist und der Ständer dem Läufer zugewandte Zähne aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer zugewandte Mantelfläche haben.
Aus der DE 42 17 357 A1 ist ein Linearmotor bekannt, dessen Ständer aus Ringscheiben gebildet ist, die in einer Schichtung mit Spulen abwechseln. Der Läufer ist aus Ringscheiben aufgebaut, die in einer Schichtung mit Leitringen abwechseln. Die Ringscheiben sind aus Paketen ringförmiger Bleche gebildet (siehe Sp.3, 2.27,28). Die Leiterringe und die Ringscheiben des Läufers sind auf einem massiven Rohr aus Weicheisen montiert. Der Läufer ist als Hybridläufer mit einem Eisenkörper ausgestaltet, der einen den Ständer wenigstens teilweise umgebenden Hohlraum aufweist, der an seiner dem Ständer zugewandten Fläche voneinander axial beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen Kupfer oder Aluminiumreifen aufgenommen sind. Der Ständer hat einen Doppelmantel dessen Mantelzwischenraum mit einer Kühlmittelzu- und einer -abführleitung verbunden ist. Der Läufer ist rohrförmig mit einem Zwischenraum, der mit einer Kühlmittelzu- und einer -abführleitung verbunden ist.
Aus der DE 11 53 122 A ist ein Linearmotor bekannt, welcher einen zylindrischen Eisenstator aus Weicheisenringen aufweist. In den Weicheisenringen sind Nuten zur Aufnahme von gleichstromerregten Spulen ausgeformt. Ein Läufer weist einen Stabanker mit equidistanten ringförmigen Polstücken auf, welche abwechselnd Nord- und Südpole bilden. Die Joche zwischen den Polstücken sind aus Permanentmagneten gebildet. Außerdem sind die Polteilungen des Stators und des Ankers geringfügig voneinander verschieden.
Aus der US 3 135 879 ist ein Linearmotor bekannt, der einen von einem Ständer umgebenen Läufer aufweist, wobei der Läufer aus einem Körper gebildet wird, der an einer äußeren Oberfläche axial beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen die Sekundärwicklung bildenden Spulen aufgenommen sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Linearmotor bereitzustellen, der eine hohe Leistungsdichte, Zuverlässigkeit, hohe Beschleunigungen, geringe bewegte Massen, sowie einen einfachen und kompakten Aufbau erlaubt.
Zur Lösung dieser Probleme lehrt die Erfindung einen elektrischen Linearmotor, der die Merkmale des Anspruch 1 aufweist.
Diese Anordnung ermöglicht eine sehr kleine Polteilung des Linearmotors, so dass eine sehr hohe Kraftdichte realisierbar ist. Außerdem kann die durch den Linearmotor erzeugte Kraft entlang des Hubweges des Läufers genau eingestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform 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 gering sind. Damit ist es möglich, mit minimalem Isolationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial der Wicklungskammer auszukommen. Auch dies trägt zur Kompaktheit und Zuverlässigkeit 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 Wicklungskammer) hoch ist.
Bevorzugt weisen die Bleche wenigstens eine Ausnehmung auf, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche enthält. Dieses Eisenmaterial kann durch (gepackte oder kompaktierte) Eisendrähte gebildet sein, die die Bleche quer zu deren Fläche durchdringen. Alternativ dazu kann das Eisenmaterial auch durch Eisenpartikel gebildet sein, die mittels Kunstharz 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 beiträgt. 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 radialer Richtung über die Zähne des Ständers hinausragt.
Damit hat der Linearmotor gemäß der Erfindung gegenüber einem herkömmlichen Motor erheblich weniger Kupfer bei vergleichbarem Nutenquerschnitt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors ist der Läufer mit einem Sensor zur Wegerfassung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung gekoppelt.
Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil mit dem erfindungsgemäßen Aktuator auch ein Teilhub des Betätigungsgliedes möglich ist. Dieser Teilhub kann über den Sensor erfasst werden.
Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Linearmotor der Läufer mit einer Resonanzfederanordnung gekoppelt sein.
In den erfindungsgemäßen Linearmotors sind in den Ständer Kühlmittelkanäle eingearbeitet, die mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar sind. Damit kann der Ständer gekühlt werden, so dass der Linearmotor mit zumindest zeitweise mit erhöhter Leistung betrieben werden kann. Da 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 getrennt 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 Multilager-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 sowohl ein oder mehrere Bleche enthält, als auch die Wicklung, die als eine oder mehrere gedruckte Leiterbahnstruktur hergestellt sein kann. Eine Vielzahl solcher Baugruppen ist dann zur Bereitstellung des Ständers aufeinandergestapelt 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 Isoliermaterial (zum Beispiel Kapton oder dergl.) aufgenommen. Alternativ dazu können auch isolierte (zum Beispiel oxidbeschichtete) Bleche verwendet werden, zwischen denen die Wicklungen jeweils angeordnet sind.
In einer Kategorie von Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Linearmotors ist der Ständer als Zylinder ausgestaltet ist, den ein entsprechend hohlzylindrisch gestalteter Läufer umschließt. Dies ist eine Außenläuferanordnung. Es ist jedoch ebenfalls möglich, das erfindungsgemäße Konzept in der Weise zu realisieren, dass der Ständer als hohlzylindrischer Ring ausgestaltet, der einen entsprechenden zylindrisch gestalteten Läufer umschließt. Dies ist eine Innenläuferanordnung.
Für die Ausgestaltung und Anordnung der Wicklungen gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine Wicklung spiralförmig gestaltet, wobei deren inneres Ende mit einem gemeinsamen Potentialpunkt (bei einem Mehrphasensystem dem Sternpunkt) verbunden ist, und deren äußeres Ende mit dem äußeren Ende einer weiteren Wicklung gleicher Phase parallel geschaltet ist. Die Kontaktierung paralleler Wicklungen über deren äußere Enden kann in einem oder mehreren gleichmäßig am Umfang des Ständers verteilten Kanälen erfolgen.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Linearmotors bewegt sich der Läufer koaxial zur Mittellängsachse des Ständers. Durch die nachstehend beschriebene Ausgestaltung des Ständers ist es bei entsprechender Ansteuerung einzelner (Gruppen von) Wicklungen möglich, zusätzlich oder anstelle der linearen Bewegung dem Läufer auch eine rotatorische Bewegung aufzuprägen.
Dazu sind einzelne der (zahn-bildenden) Bleche entlang ihres 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 benachbarter Bleche versetzt ineinandergreifen. Damit kann zum Beispiel ein in Umfangsrichtung einphasiger Motor realisiert 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 erforderlich, 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 Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen elektrischen Linearmotor schematisch im Längsschnitt.
2 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Draufsicht auf einen Ständer eines erfindungsgemäßen Linearmotors in einer zweiten Ausführungsform, dessen Läufer sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung bewegbar ist.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen elektrischen Linearmotor 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 geschlossene, 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 polygonaler 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 bilden. 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 Wicklungen 24 bzw. deren Beaufschlagen mit elektrischem Strom ist von der gewünschten Art des Motors (Ein- oder Mehrphasenmotor) 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 (26) angeordnet ist, trägt sie auch über ihre gesamte Länge zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor (10) bei.
In der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 ein hohlzylindrischer Eisenring, der an seiner dem Ständer 18 zugewandten Innenfläche voneinander axial beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen Kupfer- oder Aluminiumringe 34 aufgenommen sind. Damit arbeitet der Läufer 16 als Hybridläufer.
An der dem Betätigungsglied 14 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 Resonanzfederanordnung 42 abgestützt. Damit kann Blindleistung kompensiert werden.
In 2 ist gezeigt, wie gemäß einer weitergehenden Entwicklung der Erfindung die durchgehende Mantelfläche der Zähne des Ständers in einzelne Zahnabschnitte aufgeteilt ist. Dazu sind die zahn-bildenden Bleche in radialer Richtung geschlitzt und in axialer Richtung abgekröpft. Damit entstehen die mit NNN, NNS, NSS, SSS, SSN, SNN, NNN ... bezeichneten Zahnabschnitte, wobei in dieser Ausführungsform alle Zahnabschnitte in einer Ebene zu einem gegebenen Zeitpunkt die gleiche Polarität haben. Mit den Bezeichnungen NNN, NNS, NSS, SSS, SSN, SNN, NNN wird für ein Dreiphasensystem die jeweiligen Magnetpol-Orientierung und die Magnetpol-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 Zahnabschnitten unterschiedlicher Ebenen (die jedoch zum gleichen Blech gehören) stellen Rückenstege der Zahnabschnitte dar, die den magnetischen Fluss tangential von einem Zahnabschnitt zum nächsten leiten. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 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 geleitet.
Die horizontalen Pfeile zwischen den einzelnen Ebenen der Zahnabschnitte stellen die Strombahnen der Wicklungen des Dreiphasensystems dar.
Eine Erhöhung der Phasenzahl in Umfangsrichtung des Ständers 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 einzelnen Gruppen auch ineinander geschachtelt werden, so dass die in 2 gezeigte Verteilung von Zahnabschnitten gleicher Magnetpol-Orientierung und die Magnetpol-Stärke der Zahnabschnitte nicht mehr zutreffend ist. Vielmehr sind dann die einzelnen Zahnabschnitte in einer Ebene auch unterschiedlich.
Bei den Ausführungsformen mit zusätzlicher Drehbewegung des Läufers ist die Anordnung der Wicklungen zwischen den Blechen bzw. Zahn-Abschnitten komplizierter. Falls im Einzelfall die gestapelte Aufbauweise (siehe 1) nicht mehr möglich ist, muß dann auf zwischen die Bleche gewickelte Spulen zurückgegriffen werden.
Bei den Ausgestaltungen mit den ebenen Blechen und den abgekröpften Strombahnen ist es möglich, die Multilager-Technik einzusetzen.

Claims

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 (16) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (16) zugewandte Mantelfläche haben, – der Läufer (16) als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder als Reluktanzläufer ausgebildet ist, – in den Ständer (18) Kühlmittelkanäle eingearbeitet sind, die mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar sind und von denen wenigstens einige an der Mantelfläche des Ständers (18) in den Luftspalt zwischen dem Ständer (18) und dem Läufer (16) münden.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Ständer (16) wenigstens eine Wicklung (24) aufweist, die parallel zu der Fläche der Bleche (20) orientiert ist.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Bleche (20) wenigstens eine Ausnehmung (30) aufweisen, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche (20) enthält.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung (24) über ihre gesamte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor (10) beiträt.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einem Sensor zur Wegerfassung gekoppelt ist.
Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 5, wobei der Sensor zur Wegerfassung eine Tauchspulenanordnung (36) ist.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einer. Resonanzfederanordnung (42) gekoppelt ist.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) als Hybridläufer, mit einem Eisenkörper (16) in den Kupfer- oder Aluminiumreifen (34) eingesetzt sind, ausgestaltet ist.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung (24) und die Wicklung (24) zumindest teilweise begrenzende Bleche (20) als eigenständig handhabbare Baugruppe hergestellt sind, und wobei eine Vielzahl solcher Baugruppen zur Bereitstellung des Ständers (18) aufeinandergestapelt ist.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung (24) durch eine zwischen zwei Lagen aus blattförmigem Isoliermaterial aufgenommen ist.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Ständer (18) als hohlzylindrischer Ring ausgestaltet ist, der einen entsprechend zylindrisch gestalteten Läufer (16) umschließt.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Ständer (18) als Zylinder ausgestaltet ist, den ein entsprechend hohlzylindrisch gestalteter Läufer (16) umschließt.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Wicklung (24) spiralförmig ist, deren inneres Ende mit einem gemeinsamen Potentialpunkt verbunden ist, und deren äußeres Ende mit dem äußeren Ende einer weiteren Wicklung (24) gleicher Phase parallel geschaltet ist.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 1, wobei einzelne der Bleche (20)entlang ihres Umfangs in Zahnabschnitte unterteilt sind, und die Zahnabschnitte in axialer Richtung des Ständers (18) abgekröpft sind.
Elektrischer Linearmotor (10) nach Anspruch 14, wobei zwischen den Blechen (20) des Ständers (18) wenigstens eine Wicklung (24) angeordnet ist, die entlang des Umfangs in axialer Richtung des Ständers (18) versetzte Abschnitte aufweist.