DE19829052C1

DE19829052C1 - Synchronlinearmotor

Info

Publication number: DE19829052C1
Application number: DE19829052A
Authority: DE
Inventors: Klaus Greubel; Axel Knauff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: EP1092259A1; US6713899B1; WO2000001059A1

Abstract

Um die Kraftwelligkeit eines Synchronlinearmotors nahezu vollständig zu unterdrücken, weist dieser folgende Merkmale auf. Mindestens ein Primärteil (1) und mindestens ein Sekundärteil (6), das eine Folge von durch Permanentmagneten gebildeten Polen (10) aufweist und außerdem in Bewegungsrichtung (5) größer ist als die Länge des Primärteils (1). Das Primärteil (19) weist Primärnuten (9) auf, die zur Aufnahme von ein- oder mehrphasigen Wicklungen geeignet sind. Außerdem weist das Primärteil (1) Mittel auf, die zu einer Änderung der Magnetkraft in Bewegungsrichtung (5) des Linearmotors im Bereich der Endstücke (2) des Primärteils (1) führen. Die Stirnflächen (14) der Endstücke (2) verlaufen senkrecht zur Bewegungsrichtung (5) des Linearmotors.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronlinearmotor.

Synchronmotoren, die als Stellmotoren eingesetzt werden, sollten eine möglichst gleichmäßige und störungsfreie Kraf tentfaltung aufweisen.

Bei rotatorischen Synchronmotoren kommt als Ursache für peri odische Kraftschwankungen, allgemein auch Kraftwelligkeit ge nannt, im wesentlichen die Nutung des Stators in Betracht. Zur Kompensation dieser Kraftwelligkeit sowie weiterer ande rer durch die Nutung hervorgerufener Auswirkungen auf das Mo ment an der Antriebswelle werden üblicherweise die Rotor- und/oder Statorpole über die Weite einer Nutung geschrägt.

Auch bei Synchronlinearmotoren ist es aus der US 4,908,533 bekannt, zur Verminderung der Kraftwelligkeit die Pole über die Weite einer Nut des bewickelten Primärteils zu schrägen. Da die Kanten der Stirnflächen des Primärteils bei Draufsicht parallel zu dessen Nuten verlaufen, ergibt sich bei der be kannten Nutschrägung eine Anschrägung an den vorderen und hinteren Stirnkanten der Pole.

Eine weitere, aus der EP 0 334 645 A1 bekannte Möglichkeit zur Verminderung der Kraftwelligkeit, besteht darin, den Kern des Primärteils eines Synchronlinearmotors als ferromagneti sche Platte auszubilden und im Luftspalt des Linearmotors Spulen so anzuordnen, daß die Stirnbereiche der Platte über die Luftspaltspulen hinausragen und im Bereich der Längsmit tellinie des Linearmotors eine Stufe bilden.

Aus der DE 195 28 043 C1 ist ein Synchronlinearmotor bekannt, bei dem um die Bewegungsgenauigkeit zu verbessern vorgeschla gen wird, die vorderen und hinteren Stirnbereiche des Primär teils ungenutet und unbewickelt sowie abschnittsweise derart abgeschrägt auszubilden, daß der Neigungswinkel der abge schrägten Flächen an den vorderen und hinteren Stirnbereichen des Primärteils bezüglich der Motorlängsachse entsprechend geschrägt ausgebildet ist.

Im Gegensatz zu den rotatorischen Synchronmotoren, die sich in Umfangsrichtung betrachtet endlos fortsetzen, weist ein Synchronlinearmotor als besonderes Merkmal einen Anfang und ein Ende auf. An den Übergängen am Anfang und am Ende entste hen bei einem Synchronlinearmotor periodische Motorendkräfte in Bewegungsrichtung, die sich auf die kontinuierliche Bewe gung des Linearmotors störend auswirken.

Die Motorendkräfte entstehen deshalb, weil der Linearmotor je nach Motorstellung die magnetischen Pole unterschiedlich überdeckt. Dabei gibt es Vorzugslagen, in denen die gespei cherte magnetische Energie des Linearmotors besonders groß ist. Es bedarf eines zusätzlichen Kraftaufwandes, den Linear motor aus solchen Vorzugslagen heraus zu bewegen. Über jedem Magnetpol befindet sich eine Vorzugslage.

Die Polkraft verläuft daher periodisch zu den Magnetpolen, was zu einer als Polwelligkeit bezeichneten Störung der Mo torkraft führt. Da die Polkraft nicht vom Motorstrom abhängig ist, stellt sie eine passive Kraft dar, die auch im stromlo sen Zustand vorhanden ist. Die Polkraft verrichtet keine Ar beit, da sie abwechselnd in Bewegungsrichtung und entgegen der Bewegungsrichtung des Linearmotors wirkt. Im Betrieb ad diert sie sich zu der durch den Motorstrom erzeugten Kraft hinzu. Die Polkraft hat nichts gemein mit der Nutkraft, mit welcher die Magnetpolkanten und die Statornuten aufeinander wirken.

Die beschriebene Polwelligkeit führt zu einer Bewegungsunge nauigkeit bisheriger Synchronlinearmotoren, was besonders bei Verwendung dieser Motoren als Präzisionssteller unerwünscht ist.

Demnach besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Syn chronlinearmotor zu schaffen, bei dem die Kraftwelligkeit bei kompaktem Aufbau des Linearmotors nahezu vollständig unter drückt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Synchronline armotor mit folgenden Merkmalen gelöst:

- mindestens einen Primärteil und mindestens einen Sekundär teil,
- der Sekundärteil weist eine Folge von durch Permanentmagne ten gebildeten Polen auf,
- die Länge des Sekundärteils in Bewegungsrichtung ist größer als die Länge des Primärteils,
- das Primärteil weist Primärteilnuten auf, die zur Aufnahme von ein- oder mehrphasigen Wicklungen geeignet sind,
- der Luftspalt im Bereich der Endstücke ist derart geformt, daß eine stetige Änderung der Magnetkraft in Bewegungsrich tung des Linearmotors im Bereich der Endstücke des Primär teils eintritt,
- die Stirnflächen der Endstücke verlaufen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Linearmotors.

Im erfindungsgemäßen Synchronlinearmotor ist im Bereich der Endstücke des Primärteils der Luftspalt derart geformt, daß er abschnittsweise nicht konstant ist. Die Stirnflächen der Endstücke sind jeweils senkrecht zur Bewegungsrichtung paral lel ausgeführt. Dabei wird die Kraftwelligkeit bei nahezu un verändert kompaktem Aufbau des Synchronlinearmotors erheblich reduziert.

Der Luftspalt der Endstücke ist in einer weiteren Ausfüh rungsform so geformt, daß die Änderung der Magnetkraft auf die Endstücke bei einer Relativbewegung von Primär- und Se kundärteil stetig ist, insbesondere abgerundet ist. Infolge der erfindungsgemäßen Formung der Endstücke des Primärteils gibt es zu jedem Polkraftbeitrag an der Vorderseite des Line armotors exakt einen entgegengesetzt gleich großen Polkraft beitrag an der Rückseite des Linearmotors. Die geformten End stücke des Primärteils sind vorzugsweise nicht genutet und bewickelt.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Geometrie der dem Luftspalt zugewandten Teile der Endstücke des Primärteils entsprechend folgender Beziehung gewählt,

wobei
δ₀ der magnetisch wirksame Luftspalt zwischen dem Sekundärteil und dem Primärteil incl. der Höhe der Permanentmagnete,
x₀ Ausdehnung des Teils des Endstücks in Bewegungs richtung des Linearmotors mit nicht konstantem Luftspalt,
y₀ Höhe des Teils des Endstücks mit nicht konstantem Luftspalt bei x₀,
y(x) Koordinate des Teils des Endstücks mit nicht kon stantem Luftspalt an der Stelle x
bedeuten.

Dabei nimmt die Magnetkraft auf die Endstücke bei einer Rela tivbewegung von Primärteil und Sekundärteil linear ab, bzw. zu. Die Länge der Endstücke in Bewegungsrichtung des Linear motors kann damit kurz gehalten werden, so daß die räumliche Ausdehnung des Primärteils sich auf die notwendigsten Abmes sungen begrenzen läßt. Vorzugsweise werden die Parameter δ₀ = 5 mm, x₀ = 5 mm und y₀ = 4,2 mm gewählt.

In einer weiteren Ausführungsform werden die zwischen den Po len befindlichen Polspalte des Sekundärteils gegenüber der Bewegungsrichtung des Linearmotors von 90° verschieden ge wählt. Unter einem Pol wird im weiteren Verlauf eine Anord nung von z. B. mindestens einem Permanentmagneten verstanden, die einen Nord- und einen Südpol aufweist. Vorzugsweise wird die Schrägung im Bereich der Weite einer Nut des Primärteils gewählt. Zusammen mit der Endstückformung des Primärteils ist die Polschrägung zu vergrößern oder zu verkleinern, je nach dem wie die Parameter gemäß obiger Beziehung bzgl. des Ver laufs des Endstücks gewählt werden.

In einer weiteren Ausführungsform sind die zwischen den Polen befindlichen Polspalte im wesentlichen senkrecht zur Bewe gungsrichtung ausgeführt, weisen aber unterschiedliche Spalt breiten auf, so daß sich auch hier ein weiterer Beitrag zur Reduzierung der Kraftwelligkeit einstellt.

Zusammen mit einer Endstückformung des Primärteils sind die Spaltbreiten zu vergrößern oder zu verkleinern, je nachdem wie die Parameter gemäß obiger Beziehung bzgl. des Verlaufs des Endstücks gewählt werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird das ferromagnetische Blechpaket in mehrere senkrecht zur Bewegungsrichtung des Li nearmotors gerichteten Teilblechpakete unterteilt, um die Montage und die Lagervorhaltung zu optimieren.

Die geformten Endstücke des Primärteils sind vorzugsweise se parat herstellbar und an dem Primärteil anbringbar, so daß je nach Primärteil und Verwendungszweck die Endstücke für sich selbst herstellbar und dem jeweiligen Primärteil zuordenbar sind. Dabei sind sämtliche bekannten Form- und Kraftschluss verbindungen einsetzbar.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im fol genden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 Eine Seitenansicht eines Linearmotors,

Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Seitenansicht eines Linearmotors,

Fig. 3, 4 Anordnungen von Permanentmagneten des Sekundär teils.

In Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen aus gebildeten Synchronlinearmotors dargestellt, der in üblicher Weise aus einem Primärteil 1 und einem Sekundärteil 6 be steht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine Dar stellung von Polen 10 in Fig. 1 verzichtet. Die Bewegungsrich tung des Linearmotors ist mit einem Pfeil 5 angedeutet. Die Länge des Primärteils 1 in Bewegungsrichtung 5 ist kürzer als die Länge des Sekundärteils 6. Der Primärteil 1 umfaßt ein geschichtetes Blechpaket 8 mit parallel zueinander verlaufen den Primärteilnuten 9, in die Wicklungen eingelegt werden können, die von einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung elektrisch erregt werden. Dabei haben sich vorgefertigte Pol spulen als besonders montagefreundlich erwiesen. Die Längs achsen der Primärteilnuten 9 verlaufen beim Ausführungsbei spiel nach Fig. 1 senkrecht zur Längsachse des Primärteils 1, also senkrecht zur Bewegungsrichtung 5. Es sind auch ge schrägte Primärteilnuten 9 vorstellbar.

Der ortsfeste Sekundärteil 6 besteht aus einer Vielzahl von hintereinander in Bewegungsrichtung angeordneten Pole 10 mit jeweils einem Nordpol 11 und einem Südpol 12. Zwischen den Polen 10 mit jeweils der Weite W befindet sich ein schmaler Polspalt 13 mit der Spaltbreite P. Die Längsachsen der Polspalte 13 verlaufen in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 senkrecht zur Längsachse des Primärteils 1 und sind damit in derselben Weise orientiert wie die Längsachsen der Primärteilnuten 9 nach Fig. 1. Bei Erregung der Wicklung im Primärteil 1 wird eine Kraft erzeugt, welche den z. B. unter einem Schlitten befestigten Primärteil 1 in Richtung dessen Pfeils 5 relativ zum ortsfesten Sekundärteil 6 bewegt. Die Geschwindigkeit des Primärteils 1 ist dabei synchron bezüg lich der Frequenz der zwei- oder dreiphasigen Wechselspannung zur Erregung des Primärteils 1, wovon dieser Lineartyp die Bezeichnung Synchronlinearmotor hat.

Erfindungsgemäß sind die Stirnbereiche 14 des Blechpakets 8 des Primärteils 1 ungenutet ausgebildet; und um einen kon stanten Kraftverlauf eines Magnetpols zu erreichen, sind die Endstücke 2 des Primärteils 1 gemäß der Beziehung

wobei
δ₀ der magnetisch wirksame Luftspalt zwischen dem Sekundärteil und dem Primärteil incl. der Höhe 21 der Permanentmagnete,
x₀ Ausdehnung des Teils des Endstücks 2 in Bewe gungsrichtung 5 des Linearmotors mit nicht kon stantem Luftspalt,
y₀ Höhe des Teils des Endstücks 2 mit nicht konstan tem Luftspalt bei x₀,
y(x) Koordinate des Teils des Endstücks 2 mit nicht konstantem Luftspalt an der Stelle x
bedeuten, ausgebildet.

Die geformten Endstücke 2 können ein Teil des Blechpakets 8 bilden, sie sind aber auch als Einzelformteile an das ur sprüngliche Blechpaket 8 anbringbar, wodurch das Blechpaket in herkömmlicher Weise mit Primärteilnuten 9 und Wicklungen gefertigt und anschließend mit den Endstücken 2 versehen wer den kann. Die Orientierung der Blechschichtung stimmt vor zugsweise mit der Orientierung des Blechpakets 8 überein. Die Endformstücke 2 sind form-, kraft- oder stoffschlüssig 4 mit dem Blechpaket 8 verbunden.

Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten weiteren Ausführungsbei spielen des erfindungsgemäßen Synchronlinearmotors sind die Längsachsen der Pole 10 des Sekundärteils 6 zur Kompensation der nutungsbedingten Kraftwelligkeit unter einem Winkel 20 zur Bewegungsrichtung 5 geschrägt. Diese Schrägung der Pole 10 korreliert mit der Formung des Endstücks 2 des Primärteils 1, so daß eine mehr oder weniger ausgebildete Schrägung der Längsachsen der Pole 10 zur Bewegungsrichtung 5 erforderlich sein kann, um eine optimale Kompensation der Kraftwelligkeit zu erhalten. Es versteht sich, daß die Schrägung der Längs achsen der Primärteilnuten 9 gemäß Fig. 4 und eine Veränderung der Polspalte 13 zwischen den Polen 10 gemäß Fig. 3 auch ge meinsam angewendet werden kann.

Es ist desweiteren möglich, auch die Polspalte 13 schräg an geordneter Pole 10 variabel zu gestalten. Außerdem können Polspalte 13 konisch ausgerichtet sein.

Weiterhin ist es möglich, Pole 10 unterschiedlicher Weite W zu verwenden, wobei die einzelnen Pole 10 auch aus mehreren Permanentmagneten gebildet werden können.

Durch Staffelung dieser auch unterschiedlich ausführbaren Permanentmagnete sind unterschiedliche Pole 10 und Polspalte 13 ausbildbar.

Um die Kraftwelligkeit weiter zu kompensieren, sind Perma nentmagnete nahezu beliebiger räumlicher Formgebung (z. B. un terschiedlicher Höhe 21, Weite W und Länge) einsetzbar.

Claims

1. Synchronlinearmotor, der folgende Merkmale aufweist:

a) mindestens einen Primärteil (1) und mindestens einen Se kundärteil (6),
b) das Sekundärteil (6) weist eine Folge von durch Permanent magneten gebildeten Polen (10) auf,
c) die Länge des Sekundärteils (6) in Bewegungsrichtung (5) ist größer als die Länge des Primärteils (1),
d) das Primärteil (1) weist Primärteilnuten (9) auf, die zur Aufnahme von ein- oder mehrphasigen Wicklungen geeignet sind,
e) der Luftspalt im Bereich der Endstücke (2) ist derart ge formt, daß eine stetige Änderung der Magnetkraft in Bewe gungsrichtung (5) des Linearmotors im Bereich der Endstüc ke (2) des Primärteils (1) eintritt,
f) die Stirnflächen (14) der Endstücke (2) verlaufen senk recht zur Bewegungsrichtung (5) des Linearmotors.

2. Synchronlinearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante zwischen Stirn fläche (14) und der dem Luftspalt zugewandten Fläche eines Endstückes (2) des Primärteils (1) gerundet ist.

3. Synchronlinearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der dem Luftspalt zugewandten Teile der Endstücke (2) entsprechend folgender Beziehung gewählt ist:
wobei
δ₀der magnetisch wirksame Luftspalt zwischen dem Sekundärteil und dem Primärteil incl. der Höhe der Permanentmagnete,
x₀ Ausdehnung des Teils des Endstücks in Bewegungs richtung des Linearmotors mit nicht konstantem Luftspalt,
y₀ Höhe des Teils des Endstücks mit nicht konstantem Luftspalt bei x₀,
y(x) Koordinate des Teils des Endstücks mit nicht kon stantem Luftspalt an der Stelle x
bedeuten.

4. Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprü che dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Polen (10) befindlichen Polspalte (13) des Sekundärteils (6) gegenüber der Bewegungsrichtung (5) des Li nearmotors von 90° verschiedene Winkel (20) aufweisen.

5. Synchronlinearmotor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Polen (10) befindlichen Polspalte (13) eine sich verändernde Spaltbreite (P) aufweisen.

6. Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstücke (2) mindestens ein im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung (5) des Linearmotors gerichtetes ferro magnetisches Teilblechpaket aufweisen.

7. Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstücke (2) am Primärteil (1) anbringbar (4) sind.