DE2118101A1

DE2118101A1 - Gleichstrornhnearmotor

Info

Publication number: DE2118101A1
Application number: DE19712118101
Authority: DE
Inventors: S Padmanabhan
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-04-14
Filing date: 1971-04-14
Publication date: 1972-11-02
Also published as: GB1322677A; SE373467B; IT946569B; JPS4735707A; FR2133583A1; FR2133583B1; DE2118101C3; DE2118101B2; JPS5143565B1

Description

Böblingen, 5. April 1971 hz-fr

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket GE 970 027; GE 870 084

Gleichstromlinearmotor

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromlinearmotor für schnelle, kurzhubige Bewegungen, der mit einem Stator und einem in Längs- t richtung verschiebbaren Anker versehen ist und bei dem einem konstanten Magnetfeld Steuermagnetfelder zur Verschiebung des Ankers überlagert werden und bei dem der Anker in den stabilen Endlagen vom Hauptfeld gehalten wird.

Ein Gleichstrom-Linearmotor bzw. elektromagnetischer Stellmotor ist aus der US Patentschrift 3 503 022 bekannt. Dieser bekannte Motor enthält einen Anker, der einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten zwischen zwei Polstücken aus magnetisierbarem Material enthält. Der Anker ist verschiebbar in runden Polschuhenden eines Gehäuses montiert, um die Bewegung zwischen zwei stabilen Lagen zu begrenzen. Zwischen den Polschuhen des Gehäuses, des Ständers, ist ein zylindrisches Joch angeordnet, das f Flußaufteilungsspulen enthält, die über die Länge des Gehäuses verteilt sind. Weitere Flußaufteilungsspulen sind in runden Ausnehmungen in den Polschuhen des Gehäuses angeordnet. Der Anker wird durch den Hauptfluß des Permanent- oder Elektromagneten in einer ausgewählten stabilen Lage gehalten und durch'das Zuführen von Strom auf die Flußteilungsspulen zur Erzeugung von Steuerfeldern, zwischen seinen stabilen Lagen verschoben.

Der Anker wird bei dieser bekannten Vorrichtung in seinen Endlagen durch eine besondere Haltespule gehalten. Diese Haltespule bringt den notwendigen magnetischen Fluß auf, der den Anker in dieser Lage hält.

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Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist, daß der Stator mit vier verschiedenen Wicklungen, nämlich zwei Steuerwicklungen für die Aufbringung des Steuerflusses für die Umsteuerung des Ankers in die beiden Endlagen und zwei Haltewicklungen für das Halten des Ankers in der jeweiligen Endlage ausgestaltet sein muß. Darüber hinaus ist die Aufbringung des Hauptflusses durch .den Anker damit bedingt, daß der Anker im allgemeinen relativ schwer ausgeführt werden muß* Dies bringt mit sich, daß die Trägheitsmasse groß ist und man für schnelle kräftige Bewegungen einen großen Steuerfluß benötigt oder aber die Bewegungen weniger kräftig und weniger schnell durchgeführt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichstrom-Linearmotor der eingangs genannten Art in die Lage zu versetzen, schnelle, kurze und sehr kräftige Stoßbewegungen auszuführen und dabei ein hohes Anzugsmoment aufzubringen. Die Konstruktion und der Aufbau des Motors soll einfach und zweckmäßig sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stator mit zwei Hauptpolen versehen ist, daß an jedem Hauptpol in Richtung auf die Stirnseiten des Motors hin ein Hilfspol angeordnet ist, daß der Anker an seinen Enden Pole aufweist, die zur Aufnahme je einer Steuerwicklung Ausnehmungen aufweisen, daß jeweils die innere Kante eines der jeweiligen Endlage nicht benachbarten Hauptpoles mit der jeweils zur Mitte hin liegenden Kante der Ausnehmung für diejenige Steuerwicklung, die nicht der jeweiligen Endposition benachbart ist, auf einer Höhe liegt, und daß gleichzeitig die jeweils der jeweiligen Endposition unmittelbar benachbarte Kante des der jeweiligen Endposition benachbarten Hauptpoles und die unmittelbar benachbarte Kante der Ausnehmung für diejenige Steuerwicklung, die der jeweiligen Endposition direkt benachbart ist, auf gleicher Höhe liegen und daß die Polschuhe der Steuerpole breiter sind, als die Polschuhe der Hauptpole.

Mit einem derartig aufgebauten Gleichstrom-Liiiearfuot^sr ist es aufgrund der Kombination des elektrodynamischen Prinzips _r nach dem

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der Motor grundsätzlich arbeitet, und der Magnetfeldkonzentration an den sich erfindungsgemäß gegenüberstehenden Kanten möglich, eine von Anfang an vorhandene erhebliche Anfangsbeschleunigung aufzubringen. Dadurch wird der Motor sehr schnell und mit einem starken Moment in die andere Lage verschoben. Durch den Hilfspol und dem mit ihm verbunden Streufluß wird eine ausreichende Kraft erzeugt, die den Anker in jeder Endlage sicher festhält, ohne daß hierzu noch besondere Vorrichtungen oder Steuerwicklungen notwendig sind. Die Verschiebung des Ankers erfolgt durch Zuführung von Steuerimpulsen auf die beiden Spulen, die in den Ausnehmungen der Pole des Ankers untergebracht sind.

Eine für die Fertigung des erfindungsgemäßen Motors zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß Stator und Anker zylinderförmig ausgebildet sind und daß die Hilfspole aus einem schmalen, zylinderförmigen Seitenteil des Hauptpoles und einem scheibenförmigen Ring bestehen, die innerhalb und parallel zu den Lagerschildern angeordnet sind.

Um von der Konstruktion des Motors her eine noch schnellere Version konstruktiv zu ermöglichen, sind nach einer vorteilhaften und zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung die Hauptpole und/oder die Steuerpole laminiert aufgebaut, zumindest sind die diesen Haupt- und Steuerpolen zugeordneten Polschuhe aus einzelnen Lamellen hergestellt. Durch diese Ausführung werden magnetische Verluste, die durch Wechselflüsse in den Bereichen der durch die Kantenwirkung hervorgerufenen Magnetfeldkonzentrationen auftreten, verringert. Dadurch ist eine noch schnellere Verschiebung des Ankers von einer Endlage in die andere Endlage möglich.

Eine besonders zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Linearmotors besteht darin, daß beim Verschieben des Ankers zunächst die eine Steuerwicklung mit einem Beschleunigungsimpuls und dann die andere Steuerwicklung mit einem Bremsimpuls beaufschlagt wird. Die Benutzung beider Spulen bzw. die Zuführung von Beschleunigungs- und Bremsimpulsen für

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die Erzielung der Verschiebung aus einer Endlage in die andere, ermöglicht die Zuführung eines energiereicheren Beschleunigungsimpulses, um somit die Beschleunigung zu erhöhen und die ganze Umschaltzeit zu verkürzen und ermöglicht es andererseits die Beschleunigungsphase recht lange anstehen zu lassen, well durch den Bremsimpuls eine sichere Abbremsung in die Endposition möglich ist.

Eine weitere vorteilhafte und zweckmäßige Variation des Steuerverfahrens, das dem möglichen Prellen des Ankers in der Endlage entgegenwirkt und ein sicheres Anliegen bezweckt, Desteht darin, daß kurz vor Erreichen der Endlage des Ankers diejenige Steuerwicklung, die zuerst mit einem Beschleunigungsimpuls beaufschlagt ist, mit einem Schiebeimpuls beaufschlagt wird.

Zur weiteren Erhöhung der schnellen Verschiebung des Ankers werden gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Motors die Steuerwicklungen mit nur wenigen Windungen versehen. Dadurch wird die Selbstinduktivität der Steuerwicklungen gering und die Zeitkonstante klein gehalten, so daß ein rascher Auf- und Abbau des jeweiligen Steuerfeldes möglich ist.

Eine weitere sehr zweckmäßige und vorteilhafte Version der Steuerung des Motors besteht darin, daß die Steuerimpulse in Abhängigkeit vom Weg, den der Anker zurücklegt, sowohl in bezug auf ihre Dauer als auch in bezug auf ihren EinsatzZeitpunkt veränderbar sind. Zu dieser wegabhängigen Impulslängen- und Impulseinschaltsteuerung kann in zweckmäßiger Weise eine photoelektrische Rückmeldung vom Anker her benutzt werden.

Anhand des in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispieles werden im folgenden Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Schnittbild durch den erfindungsgemäß ausqo-

stalteten Gleichstroni-Linoarmot.or ;

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Fig. 2 ein Impulsbild für die Steuerimpulse, mit denen

die Steuerwicklungen des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Linearmotors zweckmäßigerweise beaufschlagt werden, sowie den Bewegungsverlauf des Ankers zwischen den Endlagen.

Der Gleichstrom-Linearmotor gemäß Fig. l enthält einen zylinderförmigen Stator l_f der aus fabrikationstechnischen Gründen zweckmäßigerweise aus zwei Teilen la und Ib aufgebaut ist. In diesem Gehäuse ist ein ebenfalls zylindrischer Anker 2 verschiebbar angeordnet. Der Hauptmagnetfluß wird von einer konstant erregten Feldwicklung 3, die im Ständer 1 angeordnet ist, erzeugt. Diese Feldwicklung 3 kann selbstverständlich auch durch einen Permanentmagneten ersetzt werden. Die Feldwicklung 3 wird von zwei Hauptpolen 4a und 4b umschlossen. An jedem Hauptpol 4a bzw. 4b ist nach außen hin, d.h. in Richtung auf die Stirnseiten des Motors hin je ein Hilfspol 5a bzw. 5b in Form eines schmalen zylinderförmigen Teils angeordnet. Diese Hilfspole 5a und 5b werden durch eine Scheibe 6a bzw. 6b parallel zu Lagerschildern 7a bzw. 7b verlängert und bilden somit einen magnetischen Nebenfluß, der sich über den Anker 2 schließt.

Der Anker 2 ist in Richtung des in ihn eingezeichneten Pfeiles verschiebbar. Dazu ist er auf einer Welle 8 angeordnet, die ihrerseits in Lagern 9a bzw. 9b gelagert ist. Diese Lager sind in den Lagerschildern 7a bzw. 7b des Motors angeordnet. Der Anker 2 weist an seinen Enden Pole 10a bzw. lOb auf, die als Steuerpole bezeichnet werden können. Die Steuerpole 10a und lOb des Ankers 2 sind mit Ausnehmungen 11a und 11b versehen, die zur Aufnahme von Steuerwicklungen 12a und 12b dienen.

Um ein besonders hohes Anzugsmoment durch die sogenannte Kantenwirkung bzw. die Magnetfeldkonzentration an Kanten zu erreichen, ist erfindungsgemäß die gegenseitige Zuordnung und die Abmessung von Hauptpolen 4a, 4b und Steuerpolen 10a, 10b in folgender Weise getroffen. Die Ausnehmungen 11a und 11b für die Aufnahme der

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Steuerwicklungen 12a und 12b werden von den Polteilen 10a und 10b umgriffen. Diese beiden Polteile sind gleich breit. Damit die Kantenwirkung erzielt wird, sind die Hauptpole 4a und 4b um den Verschiebeweg langer als die Ausnehmungen 11a und lib. Die einer Endlage^ und zwar in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel die linke Endlage bei a, unmittelbar benachbarte Kante A der Ausnehmung 11a liegt der Kante C des Hauptpoles 4a gegenüber, die dieser Endlage a ebenfalls direkt benachbart ist. Das Gegenüberliegen bedeutet, daß die Kanten A und C auf gleicher Höhe liegen. Dadurch ergibt sich bei dem übergang des Magnetfeldes vom Anker 2 zum Hauptpol 10a an diesen Kanten eine ganz starke Magnetfeldkonzentration. Um diese Wirkung in derselben Endlage noch zu erhöhen, liegt die der Kante A entsprechende Kante B, d.h. diejenige Kante der Ausnehmung 11b, die der Endlage a ebenfalls direkt benachbart ist, und die entsprechende Kante D des der Endlage nicht benachbarten Hauptpoles 4b ebenfalls auf einer Höhe. Wird nun der Anker in die andere Endlage, Endlage b in Fig. 1, verschoben, dann stehen sich die entsprechenden Kanten auf der rechten Seite der Hauptpole 4a und 4b in derselben Weise gegenüber wie die Kanten A-C und die Kanten B-D.

Für die Zuführung der elektrischen Energie zu der Hauptwicklung 3 und den Steuerwicklungen 12a und 12b sind im Ständerteil Ib bzw. in den Lagerschildern 7a und 7b öffnungen vorgesehen. Die Hauptspule 3 wird mit einem konstanten Gleichstrom beaufschlagt, der ein konstantes Magnetfeld, das Hauptfeld 15, erzeugt. Dieses Hauptfeld 15 ist in der Fig. 1 im untern Teil eingezeichnet und verläuft beispielsweise im Ständer 1 von rechts nach links, d.h. vom Teil b zum Teil a hin und im Anker 2 in der umgekehrten Richtung von links nach rechts, d.h. von a nach b. Dies ist durch die Pfeile eingetragen. Im linkenTeil der Fig. 1, der Endlage a ist noch der Streufluß 16 eingezeichnet, der den Halteeffekt für den Anker 2 in dieser Endlage a hergibt und außerdem der über die Kanten A-C konzentrierte Magnetfluß.

In Fig. 2 ist ein Diagramm der Steuerimpulse gezeigt, die für Docket GE 970 027; GE 870 084 209845/013X3

eine zweckmäßige und gute Steuerung des erfindungsgemäßen Linearmotors verwendbar sind. Der obere Teil des Diagramms zeigt den Bewegungsverlauf von der mit a bezeichneten linken Endlage unten zu der rechten Endlage b oben. Der mittlere Teil zeigt diejenigen Impulse, die der rechten Spule 12b, d.h. der in Fig. mit b indexierten Spule, entspricht und der unterste Teil des Diagramms zeigt diejenigen Impulse, die der linken Spule 12a zugeführt werden, und die im wesentlichen diejenige Spule ist, die den Anker 2 aus der rechten, der Endlage b, in die linke, die Endlage a, bringt. Es soll nun angenommen werden, daß der Anker von der linken Endlage a in die rechte Endlage b verschoben werden soll. Dazu wird zunächst der Steuerspule 12b ein Beschleunigungsimpuls 17 zugeführt. Es soll vorausgesetzt werden, daß das von der Spule 3 erzeugte Hauptfeld und die Steuerspulen 12a und 12b in ihrer Polarität so aufeinander abgestimmt sind, daß die rechte Steuerspule 12b den Anker 2 nach rechts bewegt, und daß die Steuerspule 12a den Anker 2 nach links bewegt. Prinzipiell wäre demnach zur Verschiebung des Ankers nur notwendig, daß den beiden Steuerspulen 12a und 12b die entsprechenden Verschiebeimpulse zugeführt werden. Um jedoch eine erhöhte Beschleunigung und eine verkürzte Verschiebezeit zu erreichen, wird erfindungsgemäß bei einer Verschiebung zunächst der Verschiebespule ein Beschleunigungsimpuls zugeführt und danach der anderen Spule ein Bremsimpuls. Gegebenenfalls kann kurz vor Erreichen des Endanschlages der entsprechenden Beschleunigungs- bzw. Verschiebespule noch ein Schiebeimpuls zugeführt werden. Diese Schiebeimpulse sind durch das Prellverhalten des Ankers und durch die Art der Nutzlast, d.h. deren mechanisches Verhalten bestimmt, beispielsweise davon, daß die Nutzlast auch im Endteil des Verschiebeweges noch einige Kraft erfordert, so daß bei Weglassen des Schiebeimpulses der Bremsimpuls und die Nutzlast unter Umständen den Anker vor Erreichen der Endlage zum Stillstand bringen.

Ls soll nun angenommen werden, daß gemäß der Fig. 2 der Linearmotor Dzw. dessen Anker 2, von der linken Endlage a zur rechten

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Endlage b gebracht werden soll. Dazu wird zunächst der rechten Steuerspule 12b ein Beschleunigungsimpuls 17 zugeführt. Dieser kann etwa für ein Drittel des zurückzulegenden Weges anstehen. Dann wird dieser Beschleunigungsimpuls abgeschaltet und gleichzeitig ein Bremsimpuls 18 auf die linke Steuerspule 12a gegeben. Mit diesem Bremsimpuls wird die Endgeschwindigkeit ganz stark herabgesetzt, im Grunde genommen fast bis auf O beim Anschlag b. Zuletzt wird entweder kurz vor oder auch bei Erreichen der rechten Endlage b ein Schiebeimpuls 19 auf die Steuerspule 12b gegeben, die vorher mit dem Beschleunigungsimpuls 17 beaufschlagt war.

Zur Umsteuerung des Ankers 2 aus der rechten Endlage b in die linke Endlage a wird der umgekehrte Weg eingeschlagen, der in der rechten Hälfte der Fig. 2 dargestellt ist. Es wird demnach der linken Spule 12a ein Beschleunigungsimpuls 20 zugeführt, wieder etwa für ein Drittel des zurückzulegenden Weges, danach wird dieser Beschleunigungsimpuls abgeschaltet und ein Bremsimpuls 21 auf die rechte Spule 12b gegeben, der wiederum bis etwa zur Endlage a ansteht. Dann wird dieser Bremsimpuls der Spule 12b abgeschaltet und ein Schiebeimpuls 22 auf die Spule 12a gegeben, die vorher den Beschleunigungsimpuls 20 hatte, um den Anker 2 sicher in die Endlage a zu bringen. In den Endlagen b oder a wird der Anker 2 durch den in der Fig. 1 mit 16 bezeichneten Streufluß des Hauptflusses 15 gehalten.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel kann die Länge der Beschleunigungsimpulse ca. 6 ms, die Länge der Bremsimpulse ca. 5 ms und die Länge der Schiebeimpulse 3 ms sein. Es ergibt sich daraus eine ümschaltzeit von etwa 12 bis 14 ms von Endlage zu Endlage. Die Stromstärke der Impulse liegt bei 60 V Gleichspannung etwa bei 2,6 Ampere.

Mit dem erflndungsgemäß gestalteten Gleichstrom-Linearmotor und dem zugehörigen Steuerverfahren ist es auf einfache Weise möglich, eine sehr schnelle und kräftige, d.h. kraftvolle, Verschiebung

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des Ankers 2 innerhalb des mit l bezeichneten Gehäuses vorzunehmen. Es können also schnelle kurzhubige Bewegungen in kraftvoller Weise durchgeführt werden. Dabei ist die Konstruktion des Gleichetrom-Linearmotors einfach und fabrikationstechnisch billig.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Gleichstromlinearmotor für schnelle, kurzhubige Bewegungen, mit einem Stator und einem in Längsrichtung verschiebbaren Anker, bei dem einem konstanten Magnetfeld Steuermagnetfelder zur Verschiebung des Ankers überlagert werden und bei dem der Anker in den stabilen Endlagen vom Hauptfeld gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) mit zwei Hauptpolen (4a, 4b) versehen ist, daß an jedem Hauptpol (4a, 4b) in Richtung auf die Stirnseiten des Motors hin ein Hilfspol (5a, 6a bzw. 5b, 6b) angeordnet ist, daß der Anker (2) an seinen Enden Pole (10a, 10b) aufweist, die zur Aufnahme je einer Steuerwicklung (12a, 12b) Ausnehmungen (Ha, lib) aufweisen, daß jeweils die innere Kante (D) eines der jeweiligen Endlage (a) nicht benachbarten Hauptpoles (4b) mit der jeweils zur Mitte hin liegenden Kante (B) der Ausnehmung (lib) für diejenige Steuerwicklung (12b), die nicht der jeweiligen Endposition (a) benachbart ist, auf einer Höhe liegt, und daß gleichzeitig die jeweils der jeweiligen Endposition (a) unmittelbar benachbarte Kante (C) des der jeweiligen Endposition (a) benachbarten Hauptpoles (4a) und die unmittelbar benachbarte Kante (A) der Ausnehmung (Ha) für diejenige Steuerwicklung (12a) , die der jeweiligen Endposition (a) direkt benachbart ist, auf gleicher Höhe liegen und daß die Steuerpole (10a, 10b) breiter sind als die Haupt-' pole (4a, 4b).
2. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stator (1) und Anker (2) zylinderförmig ausgebildet sind und daß die Hilfspole aus einem schmalen, zylinderformigen Seitenteil (5a, 5b) des Hauptpoles (4a, 4b) und einem scheibenförmigen Ring (6a, 6b) besteht, der innerhalb und parallel zum Lagerschild (7a, 7b) angeordnet ist.
3. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verschieben des Ankers (2) zunächst

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die eine Steuerwicklung (12b, 12a) mit einem Beschleunigungsimpuls (17, 2O) und dann die andere Steuerwicklung (12a, 12b) mit einem Bremsimpuls (18, 21) beaufschlagt wird.
4. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß kurz vor Erreichen der Endlage (a_r b) des Ankers (2) diejenige Steuerwicklung (12a, 12b), die zuerst mit einem Beschleunigungsimpuls (17, 20) beaufschlagt ist, mit einem Schiebeimpuls (19, 22) beaufschlagt wird.
5. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklungen (12a, 12b) nur mit wenigen Windungen versehen sind.
6. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptpole (4a, 4b) und/oder die Steuerpole (10a, 10b) laminiert aufgebaut sind.
7. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (17 bis 22) in Abhängigkeit von dem Weg, den der Anker (2) zurücklegt, sowohl in bezug auf ihre Dauer als auch auf ihren Einsatzzeitpunkt veränderbar sind.

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