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"Ringförmiger Linearmotor Elektrodynamische Linearmotoren werden
wegen ihrer guten Steuer- und Regelbarkeit für Positionierungsaufgaben im Bereich
der Feinwerktechnik eingesetzt. Bisher bekanntgewordene Linearmotoren kleiner Leistung
sind Unipolarmotoren mit ortsfestem Magnetfeld und bewegter Tauchspule, wie sie
bekannt sind aus 1) Michener, C.K. An Almost All Solid-State Strip-Chart Recorder
Hewlett Packard Journal 22(1971), 12, S. 13-16 2) Lindsley, J.C. Multipol Closed
End Linear Motor IBM Technical Disclosure Bulletin, 13(1971), 12,,S. 3682-3683 3)
Olbrich, O.E. Aufbau und Kennwerte. elektrodynamischer Linearmotoren als Positionierer
für Plattenspeicher Feinwerktechnik, 77(1973), 4, S. 151-15? Bei derartigen Linearmotoren
wird die Erregerspule durch den Luftspalt zwischen den Magneten und dem inneren
Eisenkern von außen her entlanggeführt, wobei auf die stromführenden Windungen im
Magnetfeld des Luftspaltes eine Kraft senkrecht zur Magnetfeld- und Stromrichtung
ausgeübt wird.
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Für Anlagen der industriellen Steuer- und Regelungstechnik werden
häufig Bausteine benötigt, die innerhalb eines festgelegten Verdrehungswinkels jede
Stellung einnehmen können und in dieser Stellung festgehalten werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen ringförmigen Linearmotor zu schaffen,
dessen Läufer in bestimmten Verdrehungswinkeln festgehalten werden kann.
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Die gestellte Aufgabe ist bei einem ringförmigen Linearmotor nach
der Erfindung dadurch gelöst, daß eine axial magnetisierte Dauermagnetringscheibe
axial von Eisenringscheiben flankiert ist, wobei die Eisenringscheiben unmittelbar
auf der Dauermagnetringscheibe aufliegen, daß der Eisenquerschnitt einer der Eisenringscheiben
in einem hochgebogenen Scheibenteil von einer Erregerspule umschlossen ist und daß
eine Eisenrückschlußbrücke in Form eines Bügels die aus der Dauermagnetringscheibe
und den Eisenringscheiben bestehende Einheit umschließt, wobei die freien Enden
der Schenkel des Bügels an einer im Ringzentrum vorgesehenen Welle geführt sind.
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Die Eisenrückschlußbrücke kann innerhalb eines festgelegten Drehwinkels
bis zu 3000 jede Stellung einnehmen und dort gehalten werden. Die Eisenrückschlußbrücke
ist das einzige bewegliche Teil des Motors. Der wesentliche Vorteil ist aber insbesondere
darin zu sehen, daß keine stromführenden Teile bewegt werden. Weiterhin ist das
auf die Eisenrückschlußbrücke wirkende Drehmoment unabhängig von seiner Stellung.
Bei stromloser Spule wirken auf die Brücke in keiner Ankerstellung irgendwelche
statischen magnetischen Kräfte. Schließlich ist der Motor noch außerordentlich einfach
aufgebaut.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Motor derart
aufgebaut, daß eine axial magnetisierte Dauermagnetringscheibe
axial
von Eisenringscheiben flankiert ist, von denen eine unmittelbar an der Magnetscheibe
anliegt und die andere einen Abstand von der Magnetscheibe aufweist, daß zwei übereinander
gelegene Sektoren der Eisenringscheibe über eine Eisenbrücke durch eine Ausnehmung
in der Magnetringscheibe miteinander verbunden sind, daß der Eisenquerschnitt der
auf Abstand gehaltenen Eisenringscheibe von einer Erregerspule umschlossen ist und
daß die Erregerspule über radiale Halterungen an einer im Ringzentrum vorgesehenen
Welle geführt ist.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung dreht sich die Spule, und
der Eisenrückschluß liegt fest. In der Funktionsweise unterscheiden sich die Motoren
nicht.
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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen ringförmigen Linearmotor
nach der Erfindung mit drehender Eisenrückschlußbrücke längs der Linie I-I in Fig.
2, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Motor nach Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf
den Motor zur Darstellung des Flußverlaufes in den Eisenringen, Fig. 4 ein Diagramm
über die Durchflutung längs der Eisenringe, Fig. 5, 6 und 7 eine zweite Ausführungsform'der
Erfindung mit drehender Spule mit Schnitten längs der Linie V-V (Fig. 5) und VI-VI
(Fig. 6) nach Fig. 7.
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Zur Klärung der prinzipiellen Wirkungsweise dient Fig. 1.
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Ein axial magnetisierter Magnetring 1 ist zwischen zwei Eisenringen
2, 3 angeordnet. Der obere Eisenring 2 ist im Bereich 2a aufgeschnitten und aufgebogen,
so daß eine Spule 4 aufgeschoben werden kann. Uber die Eisenringe 2, 3 greift eine
als Anker wirkende bügelförmige Eisenrückschlußbrücke 5, die die aus dem Dauermagnetring
1 und den Eisenringen 2, 3 bestehende Einheit umschließt, wobei sich die Basis 6
der Brücke zwischen den Schenkeln 7 an der Außenseite der Einheit befindet und ein
Schenkel 7 radial zu einer zentralen Drehwelle 8 in der Ringmitte geführt ist. Die
Brücke 5 läßt sich von dem einen Ende der Spule 4 zum anderen bewegen.
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Der von dem Dauermagnetring 1 erzeugte Fluß ¢ in verläuft zum größten
Teil als Nutzfluß ¢ N zirkular durch die beiden Eisenringe 2, 3 und schließt sich
über der beweglichen Brücke 5. Der andere Teil verläuft als Streufluß ¢< in den
Eisenringen radial nach außen bzw. innen und schließt sich über die Stirnflächen
der Ringe (Fig. 1); dieser Fluß ist in keiner Brückenstellung mit der Spule 4 verkettet
und trägt daher auch nicht zur Drehmomentbildung bei.
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Unter der Voraussetzung des symmetrischen Aufbaus und eines homogenen
Magnetkreises teilt sich der Nutzfluß, wie in Fig. 3 gezeigt, in zwei gleich große
Teilflüsse # N1 und N2) die ausgehend von der der Brücke 5 dianetral gegenüberliegenden
neutralen Zone in den rechten und linken Eisenringhälften jeweils zirkular in Richtung
der Brücke 5 verlaufen und sich über ihr schließen. Die beiden Teilflüsse sind in
der neutralen Zone Null und steigen in beiden Eisenringhälften linear an, bis sie
unmittelbar vor der Eisenbrücke 5 jeweils ihren Maximalwert ¢ N/2 erreichen. Der
Weg einer einzelnen Feldlinie verläuft demnach z. B. von dem Magneten
über
die rechte Seite des oberen Eisenringes 2, die Eisenbrücke 5 und die rechte Seite
des unteren Ringes 3 zu dem Nagnetring zurück, Die Flußverteilung in den Eisenringen
2, 3 wird nur durch die Lage der Eisenbrücke 5 festgelegt. Bei einer Drehung der
Eisenbrücke dreht sich daher die Flußverteilung in dem Eisenring mit.
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Der in dem oberen Eisenring 2 zirkular verlaufende Fluß N1,2 ist mit
der Spule 4 verkettet. Die Größe des mit der Spule mit w Windungen verketteten permanentmagnetischen
Flusses W m ist von der Stellung der Eisenbrücke 5 abhängig. Der Zusammenhang zwischen
der Ankerposition cm und dem vom Magneten erzeugten Spulenfluß t m ergibt sich aus
Fig. 4 zu:
Hierbei gilt die folgende Vereinbarung: In der Brückenstellung α0 ist der
mit der Spule gekoppelte Magnetfluß maximal, er hat jedoch die umgekehrte Richtung
wie der von einem positiven Strom erzeugte Fluß.
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Ist der Eisenkreis nicht gesättigt, überlagern sich der magnetische
Fluß tm und der vom Spulenstrom erzeugte Fluß linear. Mit t i = L . 1 (2) erhält
man den insgesamt mit der Spule verketteten Fluß zu
Hierbei ist w die Windungszahl, çN der in den Eisenringen zirkular
verlaufende permanentmagnetische Nutzfluß und L die Induktivität der Spule 4.
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Der gesamte mit der Spule 4 verkettete Fluß ist linear von der Brückenstellung
« abhängig.
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Die an die Eisenbrücke 5 angreifenden Kräfte gewinnt man über eine
Energiebilanz aus der elektrischen Spannung, die bei einer kleinen Verdrehung der
Eisenbrücke 5 induziert wird.
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Ändert man die Brückenstellung « um da und hält den Strom I dabei
konstant, so ändert sich der mit der Spule verkettete Fluß nach Gl. 3 um
Wenn die Änderung von a um doc in der Zeit dt erfolgt, wird in dem Stromkreis eine
EMK
induziert. Demzufolge wird von der Stromquelle zusätzlich die Energie
geliefert. Da sich bei der Drehung der Eisenbrücke nur die Feldverteilung in dem
magnetischen Kreis, nicht aber der Arbeitspunkt des Magneten ändert und der Strom
I außerdem konstant bleibt, ändert sich die im magnetischen Feld aufgespeicherte
Energie nicht dWm = 0 (7)
Die von der Stromquelle gelieferte Energie
dW ist daher gleich der ausgeführten mechanischen Arbeit
Daraus ergibt sich das Drehmoment zu
Das Drehmoment M, das auf die Eisenbrücke 5 ausgeübt wird, ist linear vom Strom
abhängig, alle anderen Größen sind konstant. Bei entsprechender Regelung des Stromes,
verbunden mit einer Stelluflgsrückmeldung, kann die Eisenbrücke in jede beliebige
Stellung gebracht und dort gehalten werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5, 6 und 7 ist die Eisenringscheibe
2' mittels der Eisenrückschlußbrücke 5' von der Magnetringscheibe 1' auf Abstand
gehalten. Die Eisenrückschlußbrücke 5' ist damit fest mit den Eisenringscheiben
2' und 3' verbunden. Der Eisenrückschluß 5' verbindet einen Sektor der Eisenringscheiben
2', 3', in dessen Bereich die Nagnetringscheibe 1' entfernt ist. Durch die Mittelbohrung
11' der Scheiben 1', 2', 3' erstreckt sich eine zentrale Welle 8', an der mittels
Halterungen 12' die Erregerspule 4 t befestigt ist, die den Querschnitt der Eisenringscheibe
2' umschließt und über der Scheibe 2' hinweg drehen kann. Elektrisch arbeitet dieser
Motor in der gleichen Weise wie der Motor mit drehender Eisenrückschlußbrücke nach
den Fig. 1 bis 3.
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Patentansprüche: