DE2454485C3 - Ringförmiger Linearmotor - Google Patents

Description

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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) Mienen er, C. K, An Almost All Solid-State Strip-Chart Recorder, Hewlett Packard Journal 22 (1971), 12, S. 13 bis 16.

2) Lindsley, J.C, Multipole Closed End Linear Motor IBM Technical Disclosure Bulletin, 13 (1971), 12, S. 3682 und 3683.

3) 01 b r i c h, O. E., Aufbau und Kennwerte elektrodynamischer Linearmotoren als Positionierer für Plattenspeicher, Feinwerktechnik, 77 (1973), 4,

S. 151 bis 157.

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.

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.

Aus der DT-OS 2126481 ist ein ringförmiger Linearmotor bekannt, bei dem eine ringförmige, axial magnetisierte Magnetscheibe unmittelbar auf einer Eisenringscheibe aufliegt, während eine weitere Eisenringscheibe von einer Spule umschlungen und um die Achse des Magnetsysterns drehbar ist. Der Eisenrück-Schluß zwischen den Ringscheiben ist durch das Anflanschen von Brücken an eine der Ringscheiben vorgesehen. Dieser Aufbau ist technisch aufwendij.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen ringförmigen Linearmotor zu schaffen, bei dem die Magnetspule ortsfest angeordnet ist.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem ringförmigen Linearmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Eisenringscheiben unmittelbar auf der Dauermagnetringscheibe aufliegen, daß der Eisenquerschnitt einer der Eisenringscheiben in einem hochgebogenen Scheibenteil von einer Erregerspule umschlossen ist und daß sine Eisenrückschlußbrücke in Form eines Bügels die aus der Dauermagnetringscheibe und den Eisenringscheiben bestehende Einheit umschließt, wobei das freie Ende wenigstens eines der Schenkel des Bügels an einer im Ringzentrum vorgesehenen Welle geführt ist

Die Eisenrückschlußbrücke kann innerhalb eines festgelegten Drehwinkels bis zu 300° 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 werdea 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

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen ringförmigen Linearmotor nach der Erfindung mit drehender Eisenrückschlußbrücke längs der Linie I-I in Fig. 2,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Motor nach F i g. 1,

F i g. 3 eine Draufsicht auf den Motor zur Darstellung des Flußverlaufes in den Eisenringen,

F i g. 4 ein Diagramm über die Durchflutung längs der Eisenringe.

Zur Klärung der prinzipiellen Wirkungsweise dient Fig. 1. 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. Über die Eisenringe 2, 3 greift eine als Anker wirkende bügeiförmige Eisenrückschlußbrückc 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.

Der von dem Dauermagnetring 1 erzeugte Fluß Φ_ω verläuft zum größten Teil als Nutzfluß Φ ν zirkulär durch die beiden Eisenringe 2, 3 und schließt sich über der beweglichen Brücke 5. Der andere Teil verläuft als Streufluß Φ_α 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.

Unter der Voraussetzung des symmetrischen Aufbau.« und eines homogenen Magnetkreises teilt sich der Nutzfluß, wie in Fig.3 gezeigt, in zwei gleich große Teilflüsse Φμ und Φλώ, die ausgehend von der der Brücke 5 diametral gegenüberliegenden neutralen Zone in den rechten und linken Eisenringhälften jeweils zirkulär in Richtung der Brücke 5 verlaufen und sich über sie 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 Φν/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 Magnetring 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

Der in dem oberen Eisenring 2 zirkulär verlaufende Fluß Φλ/u ist mit der Spule 4 verkettet Die Größe des mit der Spule mit w Windungen verketteten permanentmagnetischen Flusses ψπΐ ist von der Stellung der Eisenbrücke 5 abhängig. Der Zusammenhang zwischen der Ankerposition « und dem vom Magneten erzeugten Spulenfluß ψπ, ergibt sich aus F i g. 4 zu:

Ψ. =

\νΦΝ

(D

Ψ =

_u.

konstant, so ändert sich der mit der Spule verkettete Fluß nach Gl. 3 um

■

Hierbei gilt die folgende Vereinbarung: In der Brückenstellung oco ist der mit der Spule gekoppelte Magnetfluß maximal, er hat jedoch die umgekehrte Richtung wie der von einem positiven Strom erzeugte Fluß.

Ist der Eisenkreis nicht gesättigt, überlagern sich der magnetische Fluß ip_m und der vom Spulenstrom erzeugte Fluß ψ, linear. Mit

V₁ = L-I (2)

erhält man den insgesamt mit der Spule verketteten Fluß zu

³°

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Hierbei ist w die Windungszahl, Φ/ν der in den Eisenringen zirkulär verlaufende permanentmagnet!- sehe Nutzfluß und L die Induktivität der Spule 4.

Der gesamte mit der Spule 4 verkettete Fluß ist linear von der Brückenstellung α abhängig.

Die an die Eisenbrücke 5 angreifenden Kräfte gewinnt man über eine Energiebilanz aus der elektrisehen Spannung, die bei einer kleinen Verdrehung der Eisenbrücke 5 induziert wird. Ändert man die Brückenstellung λ umm d« und hält den Strom / dabei άψ = --

da.

Wenn die Änderung von α um da in der Zeit di erfolgt, wird in dem Stromkreis eine EMK

IO

Λ _—

άΨ

\νΦΝ da
2π df

induziert. Demzufolge wird von der Stromquelle zusätzlich die Energie

aW = e/dt = /

da

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 / außerdem konstant bleibt, ändert sich die im magnetischen Feld aufgespeicherte Energie nicht

d W. = O

(7)

Die von der Stromquelle gelieferte Energie d W ist daher gleich der ausgeführten mechanischen Arbeit

= Af da = d W = /

H' Φ N

Daraus ergibt sich das Drehmoment zu

W0N

2 η

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 Stellungsrückmeldung, kann die Eisenbrücke in jede beliebige Stellung gebracht und dort gehalten werden.

HKMVU 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Ringförmiger Linearmotor mit einer axial magnetisierten Dauermagnetringscheibe, die axial von Eisenringscheiben flankiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Eisenringscheiben (2, 3) unmittelbar auf der Dauermagnetringscheibe (1) aufliegen, daß der Eisenquerschnitt einer der Eisenringscheiben in einem hochgebogenen Scheibenteil von einer Erregerspule (4) umschlossen ist und daß eine Eisenrückschlußbrücke in Form eines Bügels (S) die aus der Dauermagnetringsdieibe und den Eisenringscheiben (2, 3) bestehende Einheit umschließt, wobei das freie Ende wenigstens eines '5 der Schenkel (7) des Bügels (5) an einer im Ringzeptrum vorgesehenen Welle (8) geführt ist