DE2208514A1

DE2208514A1 - Linearmotor mit Wagen

Info

Publication number: DE2208514A1
Application number: DE19722208514
Authority: DE
Inventors: Donald Everett Goleta Calif. Gillum (V.StA.)
Original assignee: Information Magnetics Corp., GoIeta, Calif. (V.StA.)
Priority date: 1971-05-04
Filing date: 1972-02-18
Publication date: 1972-11-16
Also published as: US3656015A; FR2135127A2; FR2135127B2; GB1326174A; NL7202209A; IT948638B; BE779417A

Description

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Information Magnetics Corporation, Goleta/California (V.St.ν.Ao)

Linearmotor mit Wagen

Die Erfindung betrifft elektrische Linearmotore und im "besonderen solche Motore mit einem an der Seite angebrachten Wagen oder Schlitten, der auf Schienen oder Mhrungen ruht«,

Obwohl in der Industrie elektrische Linearmotore weitgehend Eingang gefunden haben, wird die Erfindung im Zusammenhang mit einem Linearmotor und einem Wagen oder Schlitten beschrieben, der bei Computeranlagen zum Bewegen der Schreib- und Leseköpfe über sich bewegende Datenmedien, wie Scheiben, Trommeln oder Bänder, bewegt wird. Bei einer solchen Verwendung von Idnearmotoren muss die Bewegung mit äußerster Präzision erfolgen, und Ziel der Erfindung ist, diese gewünschte Genauigkeit zu erreichchen.

jjinearmotoren unterscheiden sich von den normalen Rotationsmotoren dadurch, dass der Anker häufig von einer Halterung außerhalb des Motorständers getragen wird. Beispielsweise werden die Läufer von Lagern in den Kappen des Ständers abgestützt, der auch die Feldwicklungen trägt. Ebenso können hin- und her-

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bewegbare Stäbe in den Stirnkappen von Linearmotoren gelagert werden, die die Ankerwicklung tragen, da diese sich entsprechend der Richtung des Antriebsstromes hin- und herbewegt. Für ein Arbeiten mit hoher Präzision ist im allgemeinen jedoch erforderlich, dass die Spule an einem Wagen oder Schlitten äußerlich . am Montagerahmen angebracht wird. Beispielsweise ist ein weitgehend benutzter Computermotor an dem einen Ende offen, und die Ankerwendel wird von einem passenden zylindrischen Rohr getragen, das in das offene Ende des Motors hineinragt. Die Spule ist am Ende des Rohres angebracht, und das Rohr ist an einem Wagen oder Schlitten befestigt, der sich unter der Einwirkung der Motorwicklung hin- und herbewegt. Die zu bewegende Einrichtung ist am Wagen oder Schlitten angebracht. Der Wagen oder Schlitten bewegt wich auf genau gearbeiteten Führungen oder Schienen, so dass die Einrichtung (Schreib- und Lese-Wandler), die am Wagen oder Schlitten befestigt ist, mit großer Genauigkeit bewegt wird.

Die statische Positionskontrolle eines Linearmotors kann ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden; jedoch ist eine dynamische Steuerung schwierig wegen der Rückkopplung und wegen mechanischer Schwingungen.

Das Erzielen der dynamischen Genauigkeit der Schiit tenbew,egung wurde bisher von der Ausführungsparametern der Motor-Schlitten-Beziehung bestimmt. Bisher wurde allgemein angenommen, dass die dynamische Genauigkeit, die für eine Bewegung der Schreib-Lese-Übertrager längs einer genauen Achse erforderlich ist, forderte, dass der Schlitten koaxial zum Linearmotor angeordnet ist, und dass die Halterung für die Übertrager (häufig als "Köpfe" bezeichnet) ebenfalls koaxial verläuft. Es wurde ferner allgemein angenommen, dass eine nicht koaxiale Übertragung der Bewegung von d er Ankerwicklung aus zu Drehmomenten und Kraftmomenten führen würde, die zu einer Verformung des Schlittens und dessen Bauteile führen, so dass die erforderliche Genauigkeit nicht erreicht werden kann.

Die Erfindung sieht einen Motor und einen Schlitten vor, der eine nicht koaxiale Übertragung der Kraft von der Ankerwicklung aus auf den Schlitten ermöglicht. Die Erfindung sieht ferner

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einen Motor mit Schlittenführungen vor, wobei der Schlitten an der einen Seite des Motors parallel bewegbar angebracht werden kann. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein Teil des Motors weggeschnitten wird, und dass die Schlittenführungen so nahe wie möglich an der Motorachse angeordnet werden, wonach der Knotenpunkt des Schlittens unter dem Einfluss des Drehmomentes als Folge des seitlich gelagerten Ankers bestimmt wird, an welchem Knotenpunkt die Montageblbcke des Wandlers oder des Schreib-Lese-Kopfes befestigt werden.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen ist die

Fig.1 eine Seitenansicht einer zurzeit bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, von der Schlittenseite aus gesehen,

Fig,2 eine Ansicht der Anordnung nach der ]?ig_e1, von der rechten Seite aus gesehen,

Pig«3 ein Schnitt nach der Linie 3-3 in der Fig»2 und die Fig.4 ein Schnitt nach der Linie 4-4 in der Fig.1.

Die Fige2 zeigt einen elektrischen Linearmotor 8 mit einem J_förmigen Montage- und Gehäuseglied 10 und eine Wagenanordnung 9, die seitlich vom Motor am J_förmigen Teil befestigt ist.

Wie aus den Figuren 1 und 2 zu ersehen ist, trägt das Glied 10 nicht nur den Motor 8 sondern auch die Wagenanordnung 9. Das Glied trägt das Motorgehäuse und bildet einen Teil des Gehäuses, das mit einer Endkappe 11 versehen ist. An der Außenseite des J-förmigen Gliedes 10 ist ein U-Profilglied 12 mit den Schienen 13 befestigt, auf denen der Wagen mit unteren Rädern 16 und mit einem einzelnen oberen Rad 17 gelagert ist. Ein Abgleiten des Wagens von den Schienen nach der Fig.1 nach rechts wird von einer Anschlagplatte 18 und am entgegengesetzten Ende von einer Platte 19 verhindert. Der Wagen H trägt einen Kopfmontageblock 21, an dem Schreib-Lese-Übertrager 22 mittels Klemmplatten befestigt werden.

An der Außenseite des U_Profilgliedes 12 ist ein kurzes U-Profilglied 24 befestigt, das einen Mitnehmerblock 26 aus

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Uylon oder aus einem anderen reibungsarmen Material trägt, der auf die Übertrager 22 so einwirkt, dass diese im unbelasteten Zustand auseinandergespreizt werden, während die übertrager nach dem freisetzen über der Ober- und Unterseite einer nicht dargestellten Datenscheibe schweben, wenn der Wagen 14 diese Übertrager nach der Fig.1 nach linke zu den Datenscheiben bewegt. Der Wagen 14 muss die übertrager 22 auf eine τοη mehreren hundert Spuren auf den Datenscheiben ausrichten, wobei der genaue Ort einer jeden Spur von einem Fositionsübertrager bekannter Ausführung bestimmt wird, der ein am Wagen befestigtes Leitglied 27 und ein am U-Profilglied 12 befestigtes ortefestes Pickup-Glied 28 aufweist. Das Ausmaß der Bewegung des Wagens 14 von der einen Arbeitsstelle zu einer anderen wird mit Hilfe eines Tachometers oder Übertragers ermittelt, der ein ortsfestes Rohr 29 aufweist, das mittels eines gespaltenen Blockes 31 an das U-Profilglied 12 angeklemmt wird. Ein stangenförmiger Permanentmagnet 30 durchquert den Innenraum dieses Rohres 29 und ist außen mit den Leitern 32 versehen, die zu einer Steuerschaltung für den Motor führen. Der Stabmagnet 30 ist am Wagen mittels eines Spaltblockes 35 angebracht, der in der Pig.1 mit unterbrochenen Linien dargestellt ist. Der Elektromotor wird mit Strom versorgt über zwei biegsame Leiter 32, die einen ortsfesten Anschluss 33 am oberen Teil des U-Profilgliedes 12 und einen bewegbaren Anschluss 34 am Wagen 14 aufweisen.

Wie aus den Figuren 3 und 4 zu ersehen ist, ist an das J-förmige Hontageglied 10 ein Abschnitt eines rohrförmigen Zylinders 36 angeschweißt, der zusammen mit den Endkappen 11 das Gehäuse für den Elektromotor bildet. In den Endkappen ist ein zylindrischer Kern 37 gelagert, der nahe an jedem Ende mit einem Absatz 38 sowie mit den wendelartig verlaufenden Nuten 39 versehen ist. Der Kern, die Endplatten 11, der zylindrische Abschnitt 36 sowie das J-förmige Montageglied 10 sind aus einem ; magnetisierbaren Material, wie Eisen oder Weichstahl hergestellt·

Im zylindrischen Gehäuse 36 sind axial verlaufende zylindrische Abschnitte 41 aus einem permanentmagnetischen Material an- \ geordnet und radial polarisiert, so dass die gesamte Innenseite \

die eine Polarität und die mit dem zylindrischen Gehäuse 36 ■

... ii

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in Berührung stehende Außenseite die entgegengesetzte Polarität aufweist. Diese radiale Polarisation der Magneten des Linearmotors ist in der noch schwebenden US_Patentanm. Nr, 883 179, eingereicht am 8. Dez_o1969 offenbart. Zwischen der Innenseite der Magnetabschnitte 41 und dem Kern 37 ist ein luftspalt vorgesehen, in dem eine Wendel 42 aus einem leitenden Material, wie Kupfer oder Aluminium angeordnet ist_r die sich je nach der Richtung des durch die Wendel geleiteten Stromes auf dem Kern 37 hin- und herbewegt.

Zum Schutz des magnetischen Kreises und zum Verhindern einer Verformung des Magnetfeldes im Luftspalt sind Kompensationswindungen aus blankem Draht vorgesehen, der in die Nuten 39 am Kern 37 eingelegt ist. Der Kern 37 ist mit einem längsschlitz mit doppelter Tiefe wie die Nuten 39 versehen, in den ein Rückleiter 45 eingelegt wird, der das eine Ende der Wendel mit dem anderen verbindet. Sollen mehrere Windungen einzeln kurzgeschlossen werden anstelle der gesamten Wicklung, so kann jede Windung des Drahtes 43 an den in der Längsrichtung verlaufenden leiterabschnitt 45 angelötet oder angeschweißt werden. Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung eines blanken und nicht isolierten Drahtes, der mit dem Eisen des Kerns 37 direkt in Berührung steht,

Die Fig«4 zeigt den Aufbau des Wagens und der Wagenschienen oder -führungen. In jeden Plansch des TJ-Profilgliedes 12 ist eine iiut 46 eingeschnitten, in die eine genau rundgeschliffene Stange 47 eingelegt ist. Diese Stäbe 47 wirken als Schienen, auf denen die unteren Wagenräder 16 und das obere Wagenrad 17 gelagert sind. Der tfagenkörper weist eine an der Außenseite gelegene Platte 50 auf, von der aus in Richtung zum Motor die Stege 48 abgehen. Der wichtigste Teil besteht aus einem Umrandungsteil um den dreieckigen Umriss des Wagens, dessen verlängerte Achsen durch die Radachsen verlaufen würden. Die Räder sind am Ragen in der herkömmlichen Weise angebrachtj jedoch wird das obere Had 17 vorzugsweise auf einer elastischen Achse gelagert, die in eine exzentrische Buchse 4y eingesetzt ist, bei deren Drehung die Achse des oberen Rades 17 den Achsen der unteren Räder 16 genähert oder von diesen entfernt wird, so dass ein fester Sitz der Räder auf den Schienen 47 hergestellt werden

kann.

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Die Räder 16 und 17 sind an vorbeaufschlagten Lagern angebracht, wodurch eine unelastische Bewegung der Räder auf den Drehachsen vermiden und gesichert wird, dass die Räder nicht nachgeben, wenn innerhalb der Ausführungsgrenzen auf die Räder Kräfte einwirken. Die dem Motor zugewandte Seite des Wagens wird durch eine dünne Platte 60 abgedeckt, die zusammen mit den Stegen 43 einen kastenförmigen Aufbau bildet, der verformungsfest ist. Der zwischen den Platten und Stegen gelegene Raum wird mit einem Kunststoffschaum 55 angefüllt, der den Wagen noch weiter versteift und Erschütterungen abdämpft.

Der Läufer 42 wird vom Wagen von einem, die beiden Bauteile mit einander verbindenden zweistückigen Block getragenu HIe im besonderen aus der Pig*4 zu ersehen ist, erstreckt sich dieser Block durch zwei Schlitze 51, die in das J-förmige Montageglied 10 und in das Ü-Profilglied 12 eingeschnitten sind. An der Außenseite des Läufers 42 ist mittels eines Epoxidharzes oder eines anderen Klebstoffes ein Block 52 aus einem nicht-leitenden Material, z.B. ein Kunststoff, befestigt, der in die Schlitze 51 hineinragt. Am Läuferblock 52 ist z.B. mittels Schrauben 54 ein .Block 55 mit einem T_förmigen Querschnitt befestigt, der seinerseits am Wagen z.B. mittels Schrauben 56 befestigt ist. Durch dieselben Schlitze 51 können elektrische Leiter für den Läufer 42 hindurchgeführt und entweder am Block 52 angebracht werden, oder die Leiter gehen vom Läufer 42 gesondert ab und werden mit den elektrischen Anschlussmitteln 34 (Fig.1) verbunden.

Unter Hinweise auf die Figuren 3 und 4 wird nunmehr der Zusammenbau des Motors und des Wagens beschrieben. Das J-förmige l/i ont a ge glied 10 wird an mehreren Stellen an das zylindrische Gehäuse 36 angeschweißt, wonach die Magnete 41 an der Innenseite des Gehäuses 36 mit Hilfe eines Epoxidharzes oder eines anderen Klebstoffes befestigt werden. Hiernach wird der Läufer 42 mit dem vorstehenden Ansatz 52 in die Magnete 41 eingesetzt, wonach der Kern 37 in den Läufer eingesetzt wird. Danach werden die Endkappen 11 an der Gebrauchsstelle angebracht, wobei die Motorteile zusammengehalten werden. Die Endkappen oder -platten 11 werden vorzugsweise durch einen Pressitz mit dem äußeren

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Gehäuse 36 und dem Kern 37 verbunden, so dass zwischen diesen Bauteilen gute magnetische Verbindungen hergestellt werden. Hiernach wird die Wagenanordnung 9 am J-förmigen Montageglied 10 befestigt, und der Wagen 14 wird zu dem einen oder anderen Ende bewegt, während der T-Bloek 53 am Läuferansatz 52 befestigt wird. Danach wird der Wagen zu einer geeigneten Stelle bewegt, so dass die Schrauben 56 den T-Block 53 am Wagen befestigen können, an welcher Stelle der Yfagen den Läufer 42 mit Abstand vom Kern 37 und den Magneten 41 trägt.

Der Montageblock 21 wird am Wagen in einer erfindungsgemäßen Weise angebracht. Der genaue Ort des Montageblockes 21 am Wagen wird experimentell bestimmt nach dem Belasten des T-Blockes mit den Übertragern oder Köpfen 22 (i^lig.i) und nach dem Befestigen der Platten 21. Der Knotenpunkt der Ablenkung des Wagens um eine senkrechte Achse wird als nächstes durch Versuche bestimmt, wonach der Block 21 an derjenigen Stelle dauerhaft befestigt wird, an der sich der Knotenpunkt befindet. Diese senkrechte Knotenpunktachse ist bei jeder Konstruktion an einer anderen Stelle gelegen, und bei dem dargestellten besonderen Aufbau lag die Knotenpunktachse etwas links von der Achse des oberen Rades 17 nach der Pig»1. Ist der Block es vom Knotenpunkt wesentlich entfernt gelegen, so erfolgt eine übermäßig starke Versetzung der übertragerköpfe 22·

Die Erfindung sieht ferner als besonderes Merkmal eine besondere Anbringung des bewegbaren Stabes 30 (Pig.1) des Tachometers mit der rohrförmigen Spule 29 vor. Es hat sich gezeigt, dass die Anordnung des Stabmagneten 30 in bezug auf eine senkrechte Knotenachse des Wagens nach der Pig.2 zu genauen Anzeigen des Tachometers führt. Dies steht im Gegensatz zu Versuchen, den. Stabmagneten 30 außerhalb der Knotenachse anzuordnen, wobei Vorwärtsbewegungen des Wagens tatsächlich vom Tachometer als Rückwärtsbewegungen angezeigt wurden. Da die Lineare Bewegung des Motors bis auf Mikromillimeter genau bestimmt werden muss, so ist die genaue Steuerung durch den Tachometer im Verein mit dem Positionszähler 27-28 von entscheidender Wichtigkeit für das ordnungsgemäße Arbeiten des Motors und des Wagens. In bezug auf die Anordnung nach der !ig.2 wurde ermittelt, dass die

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senkrechte Achse für den Schwingungsknoten des Wagens unter der Einwirkung des vom Läufer aus übertragenen Drehmomentes für diesen besonderen mechanischen Aufbau fast durch die Rillen der Räder 17 und 16 verläuft (Fig.4). Wie aus der Fig.2 zu ersehen ist, befindet sich die Mittelachse der Tachometerwicklung 29 auf dieser senkrechten Knotenpunktachse.

Die auf den Wagen einwirkenden Kräfte können am besten anhand der Pig.4 erläutert werden. Die Mitte der Kraft des Läufers 42 liegt in der Mitte dessen kreisrunder Form, und diese Kraft wirkt über einen Drehmomentarm, der von diesem Mittelpunkt aus bis zu einer senkrechten Achse verläuft, die sich durch die Rillen an den Rädern 17 und 16 erstreckt. Dieses Drehmoment sucht daher den Wagen H zu verformen, besonders während dieser beschleunigt wird. Der resultierende Biegungsknoten liegt auf einer Achse, die links vor derjenigen Achse verläuft, die sich durch die Rillen der Räder erstreckt, weshalb diese Achse zum Lagern der Mitte des stabförmigen Permanentmagneten 30 (Fig.1) gewählt wurde.

Wie aus der Fig.4 zu ersehen ist, weist der Motor bei dem erfindungsgemäßen Aufbau den kleinsten Drehmomentarm auf. Es wird noch darauf hingewiesen, dass das allgemein kreisrunde Gehäuse 36 für den Motor in der Auswirkung einen Sehnenabschnitt aufweist, der von den senkrechten Teil des J-förmigen Gliedes abgegrenzt wird. Aufgrund dieser Anordnung ist der Wagen so nahe wie möglich ander Mitte der Spule 42 gelegen. Dies ist eine Folge des Umstandes, dass nahezu ein Viertel des Querschnittes der das Feld für den Motor erzeugenden Permanentmagneten 41 entfällt. Der Drehmomentarm wäre natürlich noch kürzer, wenn der gesamte Motor in der Mitte des Kerns durchschnitten würde, so dass die Wagenführungen am Kern gelegen wären. Dies ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht durchführbar, und die darbestellte, drei Viertel des Querschnittes umfassende Anordnung der Magnete wird als das wirtschaftlich vertretbare Kompromiss angesehen, bei dem der auf den Wagen einwirkende Kraftmomentarm verkürzt wird. Es wurde daher vom Linearmotor ein Teil des kreisrunden Querschnittes weggeschnitten, um den Wagen so nahe wie möglich an der Mitte des Läufers anordnen zu können.

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Der Montageblock 21 an der Außenseite des Wagens trägt das gesamte Gewicht des Wagens sowie der Übertrager 22 nach der ]?ig.1. Durch die Übertrager fließen natürlich nur sehr schwache Ströme, und da das J_förmige Glied 10 aus einem magnetisierbaren Material besteht, so wird das radiale Magnetfeld im Bezirk des die Wagenführungen aufweisenden U-Profilgliedes 12 abgeschnitten mit der Wirkung, dass die magnetischen Kräfte keine Ströme in den zu den Übertragern führenden Leitern induzieren und diese Ströme auch nich stören. Zu diesem Zweck ist das Glied 10 so ausgestaltet, dasses sich über die gesamte Länge des Motors hinweg erstreckt· Das Glied 10 dient daher nicht nur als magnetische Abschirmung für den Wagen sondern auch als Montageplatte für den Motor und den Wagen. Der Einbau dieser Kombination ist natürlich viel einfacher als mit einem vom Motor getrennten Wagen, wie bisher üblich. Die Endplattem 11 am Motor (.Fig.3) verhindern das Austreten eines Streuflusses, der auf die Arbeit der Übertrager nachteilig einwirken könnte.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht einen sehr kurzen Aufbau der Einheit, so dass der Motor innerhalb einer Strecke von weniger als 2,5 cm von der Kante der Magnetplatten angeordnet werden kann. In der Praxis stehen die Datensciieiben über das linke Ende des Wagens hinaus vor, wie in der 3?ig.1 dargestellt, und dies ist nur deswegen möglich, weil die fast vollständige Abschirmung des Motors verhindert, dass der Magnetfluss die Arbeit der Übertrager stört.

An den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

1„■ Linearmotor mit seitlich.außen angebrachtem Wagen, gekenn^v-"' zeichnet durch ein Motorgehäuse aus einem magnetisierbaren Material, durch einen Motorläufer, der längs einer Bewegungsachse über eine bestimmte Strecke hin- und herbewegbar ist, durch eine axial verlaufende und langgestreckte Öffnung an der einen Seite des Motorgehäuses, deren Länge dem Bewegungshub des Läufers entspricht, durch Wagenführungen, die unmittelbar an die Außenseite des Motorgehäuses im Bezirk der genannten Öffnung angrenzend angeordnet sind, durch einen auf den Führungen gelagerten Wagen, der den genannten Läufer in der genannten Öffnung abstützt, und durch Mittel, die den Läufer mit Strom versorgen, wobei der Läufer im Motorgehäuse sich selbst und den Wagen hin- und herbewegt.
2. Linearmotor mit Wagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte rtagen am Biegungsknotenpunkt, der unter der Einwirkung der vom Läufer aus übertragenen Momente steht, mit einem Lastabstützungsmittel versehen ist.
3» Linearmotor mit Wagen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagen ein bewegbares Element eines Tachometers trägt, und dass der Motorrahmen ein ortsfestes Element des Tachometers trägt, und dass der Befestigungsort am Wagen für das bewegbare Elementam Biegungsknotenpunkt gelegen ist.
4. Linearmotor mit seitlich angebrachtem Wagen nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen allgemein zylindrischen Kern aus einem magnetisierbaren Material, durch Feldmagnete in Form axialer Segmente eines zylindrischen Rohres, die mit dem Kern einen Luftspalt bilden, welcher Kern einen axial verlaufenden und magnetfreien Abschnitt aufweist,

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wobei das Motorgehäuse aus dem magnetisierbaren Material die genannten Magnete umgibt, durch mindestens einen einen geringen magnetischen Widerstand aufweisenden Pfad, der das Gehäuse mit dem Kern verbindet, durch einen Sehnenabschnitt am magnetisierbaren Gehäuse im magnetfreien Abschnitt des Motors, an dem sich die axial verlaufende Öffnung befindet,, wobei der Läufer sich um den Kern herum erstreckt und durch die genannte Öffnung hindurchmit dem Wagen mechanisch verbunden ist.

Linearmotor n_ach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass die den Läufer mit Strom versorgenden Mittel aus Leitern bestehen, die sich durch die genannte Öffnung hindurcherstrecken.

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