DE19915945C1

DE19915945C1 - Synchron-Linearmotor

Info

Publication number: DE19915945C1
Application number: DE19915945A
Authority: DE
Inventors: Helmut Nestler
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2019-04-10
Also published as: DE50006648D1; EP1043830A3; ATE268514T1; EP1043830B1; EP1043830A2

Abstract

Synchron-Linearmotor mit einem Primärteil und einem Sekundärteil, wobei das Primärteil Nuten mit einer ein- oder mehrphasigen Wicklung aufweist und das Sekundärteil aus einer Folge von Permanentmagneten mit jeweils als Nord- und Südpol wirkenden Polpaaren besteht, und wobei das Primärteil ein Blechpaket umfasst, wobei die vorderen und die hinteren Stirnbereiche des Primärteils mindestens teilweise mit unbewickelten Nuten versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Synchron-Linearmotor.

Aus der DE 23 46 540 A1 ist ein Primärteil für einen Linearmotor bekannt, wobei das Primärteil ein Blechpaket mit Nuten und einer mehrphasigen Wicklung aufweist. Diese Wicklung ist jedoch aufwendig gestaltet und daher kostspielig in der Herstellung.

Aus der DE 195 28 043 C1 ist ein Synchron-Linearmotor mit Permanentmagneten bekannt, bei dem am vorderen und hinteren Stirnbereich abgeschrägte Flächen kostspielig angebracht werden.

Aus der EP 0 334 645 A1 ist ebenfalls ein Synchron-Linearmotor mit Permanentmagneten bekannt. Er weist jedoch eine geringe Kraftausbeute auf.

Aus der DE 195 28 043 ist ein Synchron-Linearmotor mit einem Primärteil und einem Sekundärteil bekannt, wobei das Primärteil Nuten mit einer ein- oder mehrphasigen Wicklung aufweist und das Sekundärteil eine Folge von Permanentmagneten mit jeweils als Nord- und Südpol wirkenden Polpaaren umfasst.

Dabei umfasst das Primärteil ein Blechpaket, das aus dünnen gestanzten Blechen besteht. Die Dicke der Bleche wird hauptsächlich durch die maximal tolerierten Wirbelströme bestimmt. Die Form der Bleche wird durch FEM-Programme optimiert. Im Wesentlichen weisen die Bleche Nuten auf, die die Spulenwicklungen des Primärteils aufnehmen können.

Das Sekundärteil weist Magnete auf, die in Motorlängsachsenrichtung angeordnet sind und in abwechselnder Reihenfolge magnetische Nord- und Südpole aufweisen.

Im Gegensatz zu rotatorischen Synchronmotoren, die sich über den Umfang betrachtet, endlos fortsetzen, weist ein Synchron-Linearmotor als besonderes Merkmal einen Anfang und ein Ende auf. An den Übergängen am Anfang und am Ende entstehen bei einem Synchron-Linearmotor periodische Motorendkräfte in Bewegungsrichtung, die sich auf die Bewegung des Linearmotors störend auswirken. Diese Motorendkräfte entstehen deshalb, weil der Linearmotor je nach Motorstellung die magnetischen Pole unterschiedlich überdeckt. Dabei gibt es Vorzugslagen, in denen die gespeicherte magnetische Energie des Linearmotors besonders groß ist. Es bedarf dann eines zusätzlichen Kraftaufwandes, um den Linearmotor aus solchen Vorzugslagen herauszubewegen. Die Kraft, mit der sich der Linearmotor in die Vorzugslagen der magnetischen Pole zieht, wird als 'Polkraft' bezeichnet. Sie beträgt oft bis zu einem Viertel der Motor-Nennkraft. Über jedem Magnetpol befindet sich eine Vorzugslage. Die Polkraft verläuft daher periodisch zu den Magnetpolen, was zu einer als 'Polwelligkeit' bezeichneten Störung der Motorkraft führt. Da die Polkraft nicht vom Motorstrom abhängig ist, stellt sie eine passive Kraft dar, die auch im stromlosen Zustand vorhanden ist. Die Polkraft verrichtet keine Arbeit, da sie abwechselnd in Bewegungsrichtung und entgegen der Bewegungsrichtung des Linearmotors wirkt. Im Betrieb ergibt sich die gesamte Kraft aus der Polkraft, der Nutkraft und der durch den Motorstrom erzeugten Kraft. Die Ursache der Nutkraft beruht dabei auf der Wechselwirkung zwischen Magnetpolkanten und Primärteilnuten. Dies bedingt einen periodischen Verlauf über eine Nutteilung, weshalb dieser Verlauf auch als 'Nutwelligkeit' bezeichnet wird. Da die gesamte Kraft Polkraft und Nutkraft umfasst, umfasst die Welligkeit der Kraft daher auch die 'Nutwelligkeit' und die 'Polwelligkeit'.

Die Welligkeit der Kraft führt zu einer Bewegungsungenauigkeit der herkömmlichen Synchron- Linearmotoren, was besonders bei Verwendung solcher Motoren als Präzisionssteller unerwünscht ist.

Zur Verminderung der Kraftwelligkeiten wird in der DE 195 28 043 vorgeschlagen, am vorderen und hinteren Stirnbereich des Primärteils mit dem Winkel β abgeschrägte Flächen anzubringen. Die Fertigung dieser abgeschrägten Flächen ist jedoch aufwendig und kompliziert. Zum Aufbau des Blechpakets ist eine der Paketbreite entsprechend große Anzahl unterschiedlich gestanzter Einzelbleche notwendig, was keine einfache und kostengünstige Fertigung zulässt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile einen Synchron-Linearmotor weiterzubilden. Insbesondere soll dieser verminderte Kraftwelligkeiten aufweisen, die Bewegungsgenauigkeit verbessern und in einfacher und kostengünstiger Weise zu fertigen sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Synchron-Linearmotor gelöst nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass in den vorderen und in den hinteren Stirnbereichen sich Nuten befinden, die nicht bewickelt sind. Das Blechpaket kann also aus Einzelblechen zusammengesetzt werden, in welche Nuten gestanzt sind. Die Nuten, die unbewickelt sind, können derart gestaltet sein, dass die Welligkeit der Kraft vermindert wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Blechpaket im Primärteil in mindestens zwei Teilpakete aufteilbar, wobei die Teilpakete im Wesentlichen senkrecht zur Normalen der Luftspaltfläche einerseits und senkrecht zur Motorlängsachsenrichtung andererseits in Stufen angeordnet sind, und wobei die Anzahl der Teilpakete N_T ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass gleiche Einzelbleche ein Paket bilden, das in zwei Teilpakete aufteilbar ist. Bei gleicher Gestaltung der Einzelbleche ist die Fertigung derselben besonders einfach und kostengünstig. Insbesondere ist auch die Montage einfach, schnell und übersichtlich durchführbar. Im vorderen und hinteren Stirnbereich des Primärteils befinden sich unbewickelte Nuten, wobei die Teilpakete jeweils versetzt stufenförmig angeordnet sind. Das Magnetfeld bildet sich dann derart aus, dass bei Abweichungen von den Vorzugslagen die Welligkeit der Kraft vermindert wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Teilpakete um jeweils eine Nutteilung τ_N versetzt. Das Magnetfeld bildet sich dann vorteilhafterweise derart aus, dass bei Abweichungen von den Vorzugslagen die störende Polkraft bzw. die Polwelligkeit nahezu ausgelöscht oder wenigstens deutlich vermindert wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist jedes Teilpaket mindestens eine unbewickelte Nut auf, wobei die Anzahl der unbewickelten Nuten des jeweiligen Teilpakets im vorderen und hinteren Stirnbereich N_F ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Magnetfeldlinien und die somit erzeugte Kraftwirkung sich derart ausbilden, dass die Kraftwelligkeit vermindert ist und somit die Bewegungsgenauigkeit des Synchronmotors verbessert ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Anzahl der unbewickelten Nuten des jeweiligen Teilpakets im vorderen und hinteren Stirnbereich N_F = N_T - 1, wobei N_T die Anzahl der Teilpakete ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Aufbau des Blechpakets symmetrisch ausführbar ist, sich die Felder daher vorne und hinten in entsprechender Weise ausbilden und daher in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung das gleiche Fahrverhalten und die gleiche Positioniergenauigkeit erreichbar ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist in der Anordnung ansteigender Stufen ein jeweils aufeinander folgendes Teilpaket mindestens eine unbewickelte Nut mehr auf als das vorhergehende Teilpaket. Dadurch entsteht am vorderen Stirnbereich eine gleichmäßig aufsteigende Treppe, wie ebenso in analoger Art und Weise am hinteren Stirnbereich. Von Vorteil ist dabei, dass der Motor symmetrisch ausführbar wird und daher auch ein gegenüber Vorwärts- und Rückwärtsfahren symmetrisches Verhalten aufweist, insbesondere eine Positioniergenauigkeit gleicher Güte.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die einzelnen Einzelbleche jeweils die gleiche Länge oder Form auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Fertigung gleicher Teile kostengünstig ist und die Lagerhaltung und Fertigung einfacher ist im Gegensatz zur Lagerhaltung bei Verwendung vieler verschiedener Teile.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Magnete in der Luftspaltfläche schräg orientierbar gegenüber der Motorlängsachsenrichtung, und die Magnetschrägung γ ist von Null verschieden wählbar, wobei γ = a/τ_N ist und a der Versatz der Magnete in Motorlängsachsenrichtung und τ_N die Nutteilung ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Schrägung eine zusätzliche Verminderung der Welligkeit der Kraft ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erfüllen die Polteilung τ_P, die Nutteilung τ_N, die Magnetschrägung γ und die Anzahl der unbewickelten Nuten N_F die Bedingung: (N_F + γ)τ_N = τ_P - τ_N + gτ_P, wobei g eine beliebige ganze Zahl ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Polkraft oder Polwelligkeit sehr klein wird. Bei Einschränkung des Motors auf zwei Dimensionen verschwindet die Polkraft sogar exakt. Im realen dreidimensionalen Fall ergeben sich jedoch kleine Abweichungen von diesem idealen Fall.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste

1

Nuten (beispielhaft) mit senkrechter Nutrichtung

2

Permanentmagnete

3

Läufer, Primärteil

4

Motorlängsachsenrichtung

5

vorderer Stirnbereich

6

hinterer Stirnbereich

11

Teilpaket

12

Teilpaket

13

Teilpaket

30

Einzelblech

31

Nut

32

Zahn

33

Zahnkopf

34

unbewickelte Nuten
β Schrägungswinkel

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert:
In der Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Synchron- Linearmotor gezeigt. Der Synchron-Linearmotor umfasst ein Primärteil als Läufer 3 und ein die Permanentmagnete 2 umfassendes Sekundärteil.

Dabei umfasst das Primärteil ein aus den Teilpaketen 11, 12, 13 zusammengesetztes Blechpaket. Zwischen dem in der Draufsicht näher oder oben liegenden Primärteil und dem Sekundärteil ist ein Luft-Abstand ausgebildet. Dieser Luft-Abstand definiert eine Fläche, deren Normale in der Richtung der Draufsicht und senkrecht zur Motorlängsachsenrichtung 4 orientiert ist.

In der Fig. 1 sind mit 1 bezeichnete Nuten angedeutet, deren Nutrichtung senkrecht zur Motorlängsachsenrichtung einerseits und senkrecht zur Normalen der Luftspaltfläche andererseits ausgerichtet ist.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind auch Nutrichtungen ausbildbar, die senkrecht zur Normalen der Luftspaltfläche ausgerichtet sind, aber nicht senkrecht zur Motorlängsachsenrichtung.

In der Fig. 2 ist das Sekundärteil eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gezeigt. Es weist eine schräge Orientierung der Permanentmagnete mit einem Schrägungswinkel ε gegenüber der Richtung des Kreuzproduktvektors aus Draufsichtrichtung einerseits und Motorlängsachsenrichtung 4 andererseits auf. Die Schrägung vermindert die Welligkeit der Kraft.

In der Fig. 3 sind drei gestanzte Einzelbleche 30 gezeigt. Sie weisen Nuten 31 zwischen den Zähnen 32 auf. Die Zähne ihrerseits weisen verbreiterte platte Zahnköpfe 33 auf. Hinter jedem gezeigten Einzelblech 30 befinden sich weitere identische Einzelbleche, die zusammen ein Teilpaket (11, 12, 13 in Fig. 1) bilden. Um Wirbelstromverluste zu reduzieren, haben die Einzelbleche jeweils eine Dicke im Millimeterbereich oder Bruchteilen hiervon. Die drei Einzelbleche 30 der Fig. 3 bzw. die drei Teilpakete 11, 12, 13 werden um eine Nutteilung versetzt übereinander gestapelt. Die Versetzung um eine Nutteilung ist in der Fig. 3 mit zwei teilweise gestrichelten Linien angedeutet. Das derart zusammengesetzte Blechpaket (11, 12, 13) ist in einer anderen Aufsicht in der Fig. 1 gezeigt. Die Nuten werden mit Wicklungen, wie in der Fig. 1 angedeutet, versehen.

Die mit 34 bezeichneten Nuten bleiben unbewickelt. Somit hat jedes versetzte Teilpaket am vorderen Stirnbereich eine unbewickelte Nut mehr als das vorhergehende. Entsprechendes gilt am hinteren Stirnbereich. Daher bildet sich ein Feldlinienverlauf aus, der eine verminderte Polkraft bewirkt.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann auch eine andere Anzahl von Teilpaketen verwendet werden. Beispielsweise ist auch eine Aufteilung in zwei, vier oder mehr Teilpakte ausführbar.

Im allgemeinen gilt jedoch N_P = 2mpq + N_F. Dabei ist m die Phasenzahl, p die Polpaarzahl, q die Lochzahl pro Pol und Strang, und N_F die Anzahl freier Nuten je Teilpaket bzw. im vorderen oder hinteren Stirnbereich. Die Anzahl der Teilpakete N_T und die Anzahl der unbewickelten Nuten N_F auf jeder Seite des Primärteils, also dem vorderen oder hinteren Stirnbereich, stehen im Zusammenhang über N_F = N_T - 1.

In der Fig. 2 sind die Magnete schräg angeordnet. Die Magnetschrägung γ ist ein Maß für diese Schrägung und beträgt γ = a/τ_N, wobei a der Versatz der Magnete in Motorlängsachsenrichtung ist und τ_N die Nutteilung ist. Die Magnetschrägung beträgt 0 im Fall von Magneten ohne Schrägung gemäß Fig. 1.

Wenn ganz allgemein (N_F + γ)τ_N = τ_P - τ_N + gτ_P gilt, ist die Kraftwelligkeit stark vermindert. Dabei ist g eine ganze Zahl und beispielsweise γ = ±1 bei Magnetschrägung um eine Nutteilung in bzw. entgegen der Motorlängsachsenrichtung. Eine weitere Minimierung der verbleibenden Kraftwelligkeit lässt sich bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel durch geeignete Wahl der Polbedeckung erreichen.

Bekanntlich gilt τ_P = mqτ_N für Mehrphasen-Maschinen. Insbesondere ist für Drehstrom m = 3. Daher läßt sich obige Gleichung auch als N_F + γ = (1 + g)mq - 1 schreiben.

Ein besonderer Vorteil kann jedoch im Rahmen der Erfindung erzielt werden, wenn q = 1 gewählt wird. In diesem Fall kann nämlich der Fertigungsaufwand für das Primärteil besonders vermindert werden. Die Zahl der unbewickelten Nuten N_F ist dann 2 für γ = 0, 3 für γ = -1 und 4 für γ = 1.

Bei einem Ausführungsbeispiel mit g = 0 ist vorteilhaft, dass eine kleine Länge erreicht werden kann. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel mit der Wahl g = 1 ist die Nutkraftwelligkeit stark verminderbar.

Im Rahmen der Erfindung sind also bei konstanter Breite b des Primärteils durch Aufteilung in eine verschiedene Anzahl von Teilpaketen und verschieden starke Zunahme der unbewickelten Nuten 34 von einem Teilpaket zum nächsten, also beispielsweise 11 zu 12, verschieden stark ansteigende 'Treppen' 11, 12, 13 ausführbar.

In der Fig. 4 ist für die Polpaarzahl 2 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt. Sie weist im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform zwar mehr Wechselfeldanteil auf, der größere Verluste und bei vergleichbarem Motor ein schwächeres Wanderfeld bedingt; ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt aber im geringeren Fertigungs- und Montageaufwand, da die Wicklungen einfacher ausführbar sind. Dadurch sinken die Fertigungs- und auch Wartungs- oder Repararturkosten.

In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen können im Rahmen der Erfindung dem Fachmann geläufige Optimierungen unter Berücksichtigung der Maximalgeschwindigkeit des Linearmotors vorgenommen werden, wie geometrische Änderung der Form des Zahnkopfes 33, Dimensionierung der Nuten 34, Festlegung des Luftspaltes, Materialwahl, Dicke der Einzelbleche, geometrische Form der Magnete, insbesondere die Breite, oder dergleichen. Besonders effektiv sind dabei auch Rundungen und/oder Abschrägungen von Kanten, Ecken oder dergleichen.

Claims

1. Synchron-Linearmotor mit einem Primärteil und einem Sekundärteil, wobei das Primärteil Nuten mit einer ein- oder mehrphasigen Wicklung aufweist und das Sekundärteil eine Folge von Permanentmagneten mit jeweils als Nord- und Südpol wirkenden Polpaaren umfasst, und wobei das Primärteil ein Blechpaket aus Einzelblechen umfasst,
wobei
das Blechpaket im Primärteil in mindestens zwei Teilpakete aufteilbar ist,
die Teilpakete in Stufen angeordnet sind,
die vorderen und die hinteren Stirnbereiche des Primärteils mindestens teilweise mit unbewickelten Nuten versehen sind,
die Magnete parallel zur Luftspaltfläche und schräg gegenüber der Motorlängsachsenrichtung orientiert sind
und benachbarte Teilpakete um eine Nutteilung τ_N oder ein Vielfaches der Nutteilung τ_N versetzt sind.

2. Synchron-Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete jeweils im Abstand der Polteilung τ_P zueinander angeordnet sind und die Nuten im Abstand der Nutteilung τ_N zueinander angeordnet sind.

3. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Sekundärteils in Bewegungsrichtung größer ist als die Länge des Primärteils.

4. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket im Primärteil in mindestens zwei Teilpakete aufteilbar ist, wobei die Teilpakete im Wesentlichen senkrecht zur Normalen der Luftspaltfläche einerseits und senkrecht zur Motorlängsachsenrichtung andererseits in Stufen angeordnet sind, und wobei die Anzahl der Teilpakete N_T ist.

5. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Einzelbleche jeweils die gleiche Länge aufweisen.

6. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Einzelbleche jeweils die gleiche Form aufweisen.

7. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Teilpaket mindestens eine unbewickelte Nut aufweist, wobei die Anzahl der unbewickelten Nuten des jeweiligen Teilpakets im vorderen und hinteren Stirnbereich N_F ist.

8. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der unbewickelten Nuten des jeweiligen Teilpakets im vorderen und hinteren Stirnbereich N_F = N_T - 1 beträgt, wobei N_T die Anzahl der Teilpakete ist.

9. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anordnung ansteigender Stufen ein jeweils aufeinander folgendes Teilpaket mindestens eine unbewickelte Nut mehr aufweist als das vorhergehende Teilpaket.

10. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilpakete um jeweils eine Nutteilung τ_N versetzt sind.

11. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete parallel zur Luftspaltfläche schräg orientierbar sind gegenüber der Motorlängsachsenrichtung, und dass die Magnetschrägung γ von Null verschieden wählbar ist, wobei γ = a/τ_N ist und a der Versatz der Magnete in Motorlängsachsenrichtung.

12. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polteilung τ_P, die Nutteilung τ_N, die Magnetschrägung γ und die Anzahl der unbewickelten Nuten N_F die Bedingung: (N_F + γ)τ_N = τ_P - τ_N + gτ_P erfüllen, wobei g eine beliebige ganze Zahl ist.

13. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutrichtung senkrecht zur Motorlängsachsenrichtung einerseits und senkrecht zur Normalen der Luftspaltfläche andererseits ausgerichtet ist.

14. Synchron-Linearmotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutrichtung senkrecht zur Normalen der Luftspaltfläche ausgerichtet ist, wobei die Nutrichtung zur Motorlängsachsenrichtung mit beliebigem Winkel wählbar ist und parallel zur Luftspaltfläche wählbar ist.