DE2263533C3 - Schwingspulenmotor - Google Patents

Description

Die l'j-findung bezieht sich auf eine.i Schw iiigspulenmotor mit einem Magneljoch aus einem topfförmigen Hohlkörper mit Miltelkern aus ferromagnelisehem Material, mit einem aus Ferriimaterial hergestellten, an ■der Innenfläche des |ochs befestigten und an seiner Innenfläche ein Polstück aufweisenden, radial magnelisieiien Pernianentmagneien und ferner mit einem Luftspalt /wischen dem Mitielkern und dem Polstück, in -dem eine verschiebbar angeordnete Schwingspule vorgesehen ist.

Fin solcher, zur Positionierung bewegbarer Magnetiköpfe dieneiuler Motor ist aus der DT-(IS 20 t>() 448 Ibekannl.

Bei linearen Ann iebsmoioien herkömmlicher Bauart /in- Positionierung bewegbarer Magnetköpl'e belrägi die initiiere Zugriifs/eii einer Magnetpliitteneinheit 70 bis 80 ms. Für ein Ilochgeschwindigkeits-Rechiiersy-Mem ist diese /ugriffs/eit jedoch zu lange, sie sollte möglichst kür/er als bO ms sein. Da die ZugrilTszeii eines Magnetplaiiengeräies in der Hauptsache von der l'osiiionierzeii der bewegbaren Magneiköpfe abhängt, xvird auch die Leistung des gesamten Rechnersysiems fi'hölii.

I.in Nachteil des Sehwingspulenmoiors bekannter Ausführung besieh; darin, dal.i die liidtikiivität der Schwingspule zu groß ist und deshalb die Positionierung tier Magnetköpl'e mit hoher Cieschwindigkeil niclii erreicht w ird.

Aulgabe der Frfindiing isi es, einen Schwingspulenmoior zur schnellen Posilionieriing bewegbarer Magneiköple eines Magnetplaltengerätes /11 schallen, der im magneiischen Luftspalt eine hohe Kral'tliniendichie f>5 aulweisi und eine Schwingspule mil kleiner Indukiiviiät cm hüll.

Bei einem Sehwingspulenmolor der einleitend genannten An ist die Aufgabe durch die im Anspruch I angegebene Frfindiing gelöst.

Gemäß einem weiteren Merkma¹ der Frfindiing enthält der Magnetpol eine Vielzahl l'erromagneiischei Ringe bzw. Platten, die magnetisch voncinandci geirennt sind. Die magnetische Trennung erfolgt vorteilhaft durch weiiere Ringe aus unmugiiciischcm Maieriai. die /wischen die ferromagnetische!! Ringe gefügt sind.

Die Frfindung wird im folgenden an Hand von 5 Figuren beschrieben. Fs zeigi

Fig. I(A). l(B) und I(C') Schniitdarstellungeii eines Sehwingspulenmoiors bekannter Art. in denen die von der Position einer Schwingspule abhängige Indukiivitätsdifferenz deutlich gemacht wird.

I" ig. 2(A) eine erfindungsgemäße Ausführungsl'orm eines Schwingspulonmotors im Schnitt.

Fig. 2(B) ein Schniitbild des in Fi g. 2(A) dargestellten Schwingspulenmotors entlang der Schnittlinie n-u'.

Fig.2(C) teilweise im Schnitt und in perspektivischer Darstellung den in F i g. 2(A) dargestellten Schwingspulenmotor.

Fig. J(A) eine weitere eri'indungsgemäl.ie Ausfülirungsform eines Schwingspuleninotors im Schnitt.

Fig. 3(B) ein Schniitbild des in Fit;. 3(A) dargestellten Sehwingspulenmoiors entlang der .Schnittlinie b-b'.

F i g. 3(C) teilweise im Schniii und in perspektivischer Darstellung den in F i g. 3(A) dargestellten Schwingspuleniiiotor.

Fig. 4(A) eine weitere erlindungsgemäße Ausl'ührungsl'orm eines .Sehwingspulenmoiors in .Schnittdarstellung.

Fig. 4(13) ein Schnitibild des in Fig. 4(A) gezeigten Sehwingspulenmotors entlang der Schnittlinie c-i/ und

F i g. 5 in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt eine weitere erfindiingsgemaße Auslührungsl'orni eines Sehwingspulenmotors.

Die Fig. l(A). I (B) und l(C) zeigen Schniitdarsielhingcn eines mil einem Ferritmagneten ausgestatteien Sehwingspulenmotors, wie er im Prinzip dem durch die DI-OS 20 60 448 bekanntgewordenen Linearmotor einspricht.

Der Magnet-Kern 2 ist mit einem zylindrischen Teil 2.7. einem flachen Boden 2b und einem Miltelkern 2c' versehen. Konzentrisch zum zylindrischen Teil 2,v des Kernes 2 ist der zylindrische Ferritmagnet 3 ungeordnet, wobei die Außenfläche des Magneten 3 an der Innenfläche des zylindrischen Teils 2;i anliegt. Ferner ist. konzentrisch zum Magneten 2, ein zylindrischer Magnetpol 5. bestehend vorzugsweise aus ferromagnetischeni Material, angeordnet, wobei die Außenfläche des Magnetpols 5 an der Innenfläche des Magneten 3 anliegt. Durch den Absland zwischen dem Magnetpol 5 und dem Miltelkern 2c"ist ein Luftspalt I gebildet, wobei die Spule 4 verschiebbar entlang dem Luftspalt I angeordnet ist. Die Krallliniendichte im in den !•"ig. I (A) bis I (C) dargestellten Luftspalt I ist wegen des Vorhandenseins des Magnetpols 5 groß, weil der von einer großen Oberfläche des Magneten 3 divergierende magnetische Kral'll'luß an der kleinen inneren Oberfläche iles Magnetpols .5 gebündelt wird.

Fin .Schwingspulennioior von der in ilen F i g. I(A) bis l(C) dargesiellien Art mil einer zylindrischen glatten Magnetpolinnenwand ist jedoch für die Verwendung in einem linearen Antriebsmotor für bewegbare Magnetköpl'e noch unbefriedigend, weil die Schwingspule des Motors eine hohe Inilukiiviiäl aufweist und damit die Arbeitsgeschwindigkeit des Motors beeinträchtigt wird.

Das bedeutet, daß bei der linearen Bewegung einer Seliwingspule entlang dem magnetischen l.iiiispali wegen ties Stronifkisses in der Sehwingspule um die Schwingspule herum ein magnetischer Fluß indu/ieri wird, der keinen He/ug zur linearen Bewegung der Sehwingspule aufweist. Der magnetische Widersland entlang dem Magnetpfad einer mit einem Magnetpol ausgestatteten Sehwingspule ist geringer als der einer Spule ohne Magnetpol, weil ein aus lerromagn.Misehem Material bestehender Magnetpol in einen Teil ties ίο Magneipfades anstatt nur in einen freien Kaum eingesetzt ist. Damit soll zum Ausdruck gebracht werden, daß der Magnetpol eine bestimmte Kraftliniendichte hervorruf*. und den magnetischen Widerstand erniedrigt, welcher gemäß der folgenden Formel die is Induktivität einer Sehwingspule mitbestimmt.

20

Fs bedeutet: L die Induktivität, η die Anzahl Spuleinvindungen. Φ den Kraftfluß. W den magnetischen Widerstand und Ai und A\> Konstanten.

Ferner ändern sich, abhängig von eier Position der in den Fig. 1(A) bis I(C') dargestellten Sehwingspule der magnetische Widerstand und die Induktivität. Mit anderen Worten, es weisen die in den l-'ig. 1(A). 1(1?) und l(C) wirksamen Induktivitäten der Sehwingspule wegen der unterschiedliehen Positionen der Spule voneinander unterschiedliche Werte auf. In diesem l-'all erweist sich tlie Steuerung von Geschwindigkeit und Position einer Sehwingspule als ziemlich schwierig und nimmt lange Zeit in Anspruch.

Die in den Γ i g. 2(A) und 2(C) gezeigte, erfindiingsgemäl.le Ausführungsform des Schw iiigspulenmotors ent- ?.s hält ein flaches, aus ferromagneiiscliem Material bestehendes Bodenjoeh 11. Iu der Mitte des |ochs 11 ist ein aus lerroniagneiischem Material bestellender, als gerader Kreiszylinder ausgebildeter Mittelkern IJ angeordnet, Ferner ist ein ferromagnetische!· Zylinder 17 mit einer Vielzahl von auf der Innenfläche in Umlangsrichumg verlaufenden Schlitzen Linier Einhaltung eines konzentrischen Lul'tspalis 18 angebracht. Die Außenfläche des Zylinders 17 ist von einem in Durchmesserrichtung magnetisierteii zylindrischen Permanentmagneten 14 umschlossen. Die Außenfläche des Magneten 14 isl von einem aus ierromagnetischem Material bestehenden zylindrischen größeren äußeren loch 12 umschlossen. Das äußere loch 12. der Magnet 14. der Zylinder 17 und der Milielkern 13 sind koaxial zueinander angeordnet. Innerhalb des Luftspalis 18 isl eine auf einem .Spulenkörper 16 aufgewickelte Sehwingspule 15 verschiebbar angeordnet. Wenn die Spule 15 von Strom durchflössen wird, bewegt sie sich zusammen mit dem Spulenkörper lh innerhalb des l.ul'tspalles 18 geradlinig in Achsrichtung des Mittelkerns 13. wie dies in I" i g. 2(C) durch einen Pfeil dargestellt ist. Ein Schwingspulenmotor, der in den I' i g. 2(A) bis 2(C) dargestellten Ausführung weist einen magnetischen Pfad auf. der vom N-PoI lies Permanent- fto magneten 14 ausgeht und über den Magnetpol 17. den Luftspalt 18. den Milielkern 13. das |och Il und das äußere |oeh 12 zum S-PoI ties Permanentmagneten 14 führt. Innerhalb des Spalls 18 stellt sich ein Magnetfeld gleichmäßiger Stärke ein. Als Material für die ('5 Herstellung ties Permanentmagneten 14 wählt man beispielsweise Bariuinferriie oder Sironiiiimlerriie, Materialien nut hoher Koerz:tiv kralt und einer vergleichsweise hohen Siitligimgsschwelle der Kralllinicn dichte.

Wie in L 1 g. 2(A) durch gestrichelt gezeichnete I .inien dargestellt, führt für den 11111 die Spule durch Simmflui.i verursachten magnetischen Knilil'liiß ein magnetischer Pfad durch den Mntclkern IJ. ilen Späh 18. den Magnetpol 17 und durch den Spall 18 zurück zinn Mittelkern 15. Ls sei hervorgehoben, thill em durch .StromHuB in tier Spule 15 bewirkter Magnetfluß weder durch den Permanentmagneten 14 noch durch tlas äußere |och 12 Hießt. Der Grund hierlüi besteht darin, daß tlie Permeabilität ties aus lerritmaterial bestehenden Permanentmagneten 14 beträchtlich kleiner isl als die Permeabilität des aus ferromagnetische!!! Material bestehenden Zylinders 17. Da der in ilen Ι-Ί g. 2(A) bis 2(C) dargestellte Zylinder 17 auf seiner Innenfläche mil einer Vielzahl entlang dem Umfang verlaufender Schlitze versehen ist. so daß sich eine Art Kammprol'il ergibt, ist tier magnetische Pfad 1111 Zylinder 17 so schmal, daß ein beträchtlich großer magnetischer Widersland gegeben ist. Wie in der angegebenen It)IiHeI bereits angegeben, wird damit die Induktivität der Sehwingspule verkleinert. Dadurch ergibt sich bei einer Verschiebung der Spule 15 eine erhebliche Verbesserung der (Jeschwindigkeiis- und Positionssiabilität. Mit diesen Erklärungen soll deutlich gemacht werden, daß eine Vielzahl aiii der Innenlläclie eines Zylinders 17 angeordneter, entlang dem Umfang verlaufender, mit einem Kammprol'il vergleichbarer Schlitze die Induktivität verringern und somit eine kürzere Zugril'fszeit tier bewegbaren Magneiköpfe bewirken.

Die in den l-'ig. 3(A) bis 3(C) darge.iielile erfindungsgeniäße Ausführungsform ties Schwingspulennioiors unterscheidet sich von jener in I-ig. 2(A) bis 2 C) dargestellten dadurch, daß tier am Pernianeniiiiagneien 14 anliegende geschlitzte Zylinder 17 durch eine Vielzahl ferromagnetische!· Ringe 19, ersetzt ist. Die Ringe 14 stehen nicht in magnetischer Verbindung. Sie stellen einen magnetischen Pol dar und wirken wie ein solcher.

Wie in L i g. 3(A) durch gestrichelt gezeichnete I .inien dargestellt, führt ein magnetischer Pfad durch eine Vielzahl von magnetisch getrennten Ringen 19. so daß tier magnetische Widerstand höher und damit tlie Induktivität tier Spule 15 kleiner wird als bei einem Motor gemäß den F i g. 2(A) bis 2(C).

Der Aufbau des in den F ig. 4(A) und 4(C) dargestellten Schwingspulenmotors gleicht dem Aufbau der in den I·" i g. 3(A) bis 3(C) dargestellten Ausführung mit dem einen Unterschied, daß zwischen die Ringe 19 geometrisch gleiche Ringe 20 aus einem nichtmagiieiisehen Material, beispielsweise aus Kupier, eingefügt sind. Ein entsprechend den F ig. 4(A) und 4(Ii) ausgeführter Schwingspiilenniotor läßt gegenüber einem gemäß den L ig. 3(A) bis 3(C) ausgeführten Schwingspulenmoior wegen der Wirbelströme in den zweiten Ringen 20 noch kürzere Zugril'fszeiten der bewegbaren Magnetköpfe zu.

Die in F i g. 5 gezeigte Ausführung enthält ein loch 11,7. ein äußeres loch 12;i. einen Milielkern I \. Permaneiiimagncie 14./ bis 14t/. welche in Richtung ihrer Breite magnetisiert sind und lerner einmagnetischen Pol 21 mil rechteckiger Aiißenforni. welcher eine Vielzahl magnetisch nicht miteinander in Verbindung stehender, an der Innenfläche tier Pernia neniinagiiete 14,/ bis I4(7anliegentler ferromagnetische! Platten enthüll. Zwischen den maiineiiich voneinander

getrennten ferromagnetische!! Platten sind niehtmagnelisclie PIiHten 22 eingefügt. Spule und Spulenkörper '.tntl in I·'i g. 5 nicht dargestellt. Aufbau unil Arbeitsweise eines Schwingspulenmolors gemäß t.\cr in I i g. 7 ge/eigten Ausführung gleichen dem in Zusammenhang mit den lig. 4(A) und 4(B) beschriebenen Sclnvingspulenmotor mit der Ausnahme, du 1.1 die Ausführung nach I" i g. 3 eine rechteckige Außenlorm aufweist.

Zusammenfassend werden im folge:iilen einige besondere Merkmale eines erl'indiingsgemiil.leii Schvvingspulenmotors angegeben.

a) Die magnetische Kraftliniendichle im Luftspalt 18 hängt vom Verhältnis der Innendurchmesser des Permanentmagneten 18 und des Zylinders 17 oder der Ringe 19 ab. Dieses Verhältnis ist größer als I. Im Luftspalt 18 wird deshalb eine hohe magnetische riulklichte erzielt, auch wenn die magnetische Restflußdichte des Permanentmagneten 14 klein ist.

b) Line besondere konstruktive Ausbildung eines Magnetpols, der auf seiner Innenseite eine Vielzahl \on Schlitzen oder eine Vielzahl von magnetisch miteinander nicht in Verbindung stehender Ringe enthält, bewirkt einen höheren magnetischen Widerstand, welcher wiederum die äquivalente s Permeabilität, die Induktivität einer Schwingsptile

und die von der Position einer Schwiiigspule abhängige Induktivitätsänderung verringert.

c) In dem hier beschriebenen .Schwingspulenmolor kann die magnetische Restfltißdichte eines PermaiK'iumagneten klein sein, wobei magnetisches Material dieser Art im allgemeinen hohe Koerzitivkraft aufweist. Die Dicke ties als I lohlzyliiider ausgebildeten Permanentmagneten kann deshalb gering sein und somit ein kleiner und leichler

is Schwingspulenmolor geschaffen weiden.

d) Die Schlitze im Zylinder 17 oder auch die magnetischen Ringe 19 wirken wie die Rippen eines Radiators. Die Kühlung eines Schwingspulenmotors kann deshalb verbessert und ein Schwingspulenmotor mit geringen Abmessungen und hohem Drehmoment geschaffen werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schwingspulenmoior mit einem Magneijoch aus einem topfförmigen Hohlkörper mit Milielkern s aus ferromagneiischem Maieriai. mit einem aus Feiriimaicrial hergestellten, an der Innenl'liiche lies lochs befestigten, und an seiner Innenfläche ein Polstück aulweisenden, radial magnelisierien Permanentmagneten und ferner mit einem l.ufispali /wischen dem Mittelkern und dem Polstück, in dem eine verschiebbar ungeordnete Schwmgspule vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dal.! das Polstück eine Vielzahl von in Umfangsrichtimg verlaufenden Schlitzen aufweist (Γ i g. 4 bis 7).

2. Schwingspulenmoior nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das Polstück aus einer Vielzahl von in axialer Richtung magnetisch voneinander getrennten Ringen (19) aus ferromagnetischeni Material gebildet ist.

3. Schwingspulenmotor nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung /wischen den Ringen (19) aus ferromagnetisehein Maieriai weitere Ringe (20) aus nichtmagnetischem Material vorgesehen sind (F-" i g. b, 7).

4. Sehwiiigspiilenmotor nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, cluli die Ringe (19) aus ferromagnetisehein Material an der Innenfläche ties Permanentmagneten (14) befestigt sind (F ig. 5).

.1°