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"Linearmotor mit einem Statorkern, einer Induktionsspule
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und einem äußeren EisenrUckschluB" Die Erfindung bezieht sich auf
einen Linearmotor, insbesondere für anzeigende und schreibende Meßgeräte, mit einem
Statorkern, einer Induktionsspule, die diesen Kern umschließt, und einem äußeren
Eisenrückschluß, zwischen dem und der Spule senkrecht zur Spulenachse magnetisierte
Dauermagnete vorgesehen sind.
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Es sind Linearmotoren bekannt, die im Aufbau und ihrer Wirkungsweise
den dynamischen Lautsprechersystemen mit ortsfestem Magnetfeld und bewegter Tauchspule
sehr ähnlich sind.
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Derartige Motoren werden z. Z. in Kompensationsschreibern zum Antrieb
des Schreibmechanismus bzw. in Plattenspeichern zur Positionierung der Nagnetköpfe
eingesetzt. Im allgemeinen besteht bei derartigen Linearmotoren der ferromagnetische
Kreis des Stators aus einem Kern, der an beiden Enden mittels Platten mit einem
äußeren Zylinder verbunden ist. An die Innenseiten des äußeren Zylinders sind zwei
oder mehrere radial bzw. diametral magnetisierte Ferritsegmente angesetzt, die sich
über die gesamte Motorlänge erstrecken. Der Stator nur verläuft von den Magneten
aus über den Luftspalt und teilt sich bei synirnetrischem Aufbau im mittleren Eisenkern
in zwei Teilflüsse, die über die beiden Endplatten und den äußeren Eisenzylinder
zu den Magneten zurück verlaufen.
Die stromdurchflossene Ankerspule
bewegt sich auf einer Führung längs des Spaltes zwischen den Magneten und dem mittleren
Eisenkern. Die Stromzuführung erfolgt über bewegliche Leitungen. Diese Anordnung
kann sowohl zylinder- als auch rechteckförmig ausgeführt sein. Längs der gesamten
Motorlänge stehen stromdurchflossene Leiter und Magnetfeld senkrecht aufeinander.
Auf den Läufer, d. h. auf die verschiebbare Spule wird demzufolge eine Schubkraft
in axialer Richtung ausgeUbt.
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Bei vorgegebenen Motorabmessungen und gegebenem Ankerstrom, der durch
den maximal zulässigen Temperaturanstieg begrenzt wird, wird die erreichbare Schubkraft
durch die von den Permanentmagneten erzeugte Luftspaltinduktion bestimmt. Eine hohe
Induktion setzt einen sättigungsfreien und möglichst luftspaltfreien ferromagnetischen
Kreis voraus. Da die Permanentmagnete sich nun über die gesamte Statorlänge erstrecken,
wird der Fluß durch den mittleren Eisenkern umso größer, je länger die Maschine
ausgeführt ist. Um Sättigung zu vermeiden, muß der Kernquerschnitt entsprechend
groß gewählt werden. Große Motorhübe, wie sie z. B. in Schreibern und Druckern verlangt
werden, führen deswegen zu großen Querschnittsabmessungen.
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Infolge des über die Endplatten geschlossenen Systems findet auch
der von dem Ankerstrom erzeugte Fluß einen luftspaltfreien Magnetkreis vor. Dieser
Fluß trägt ebenfalls zur Sättigung des Kreises bei. Das Problem besteht nun darin,
den vom Ankerstrom erzeugten Fluß möglichst klein zu halten, d. h. für den Permanentmagnetfluß
einen ferromagnetischen Kreis mit möglichst niedrigem und für den Ankerfluß einen
Kreis mit möglichst großem magnetischem Widerstand zu schaffen. In der Literaturstelle
J.C. Lindsley "multipol Closed End Linear Motor - IBM Technical Disclosure Bulletin,
13(1971), 12, S. 3682-3683, wird zur Kompensation des Spulenflusses
zusätzlich
eine Kurzschlußwicklung auf den mittleren Eisenkern aufgebracht, in der bei nicht-stationärem
Betrieb, in dem der Positionsantrieb meistens arbeitet, Ströme induziert werden,
deren magnetische Felder dem vom Spulenstrom erzeugten Feld entgegengerichtet sind.
Dadurch wird ein größerer permanentmagnetischer Fluß möglich gemacht und zugleich
eine größere Schubkraft bei gleicher Kerngröße.
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Gleichzeitig wird die Induktivität der Spule und mit ihr die elektromagnetische
Zeitkonstante des Motors verringert.
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Der erzielte Vorteil wird aber mit einem wesentlich komplizierteren
Aufbau mit mehreren Polen erkauft. Der mittlere Kern trägt drei ausgeprägte Pole,
zwischen denen die Kompensationswicklung liegt. Jedem Kernpol steht ein Paar von
Permanentmagneten gegenüber. Die Spule bewegt sich in dem kleinen LuStspalt zwischen
Kernpol und Magnet. Der Polabstand ist so gewählt, daß die Spule längs des gesamten
Hubes mit zwei Magnetpolen zusammenarbeitet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen linearen, bürstenlosen Gleichstrommotor
(Unipolarmotor) zu schaffen, bei dem die Eisensättigung herabgesetzt ist ohne Vergrößerung
des Eisenquerschnittes und ohne zusätzliche Magnetpole.
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Die gestellte Aufgabe ist bei einem Linearmotor der eingangs erwähnten
Art dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung bei an den axialen Enden offenem magnetischem
Kreis die Induktionsspule in mehrere sich aneinander anschließende, separat zu-
und abschaltbare Teilspulen aufgeteilt ist, daß die Dauermagnete, von denen einer
oder mehrere axial auf gleicher Höhe der Spulenreihe gegenüberstehen, an der ortsfest
auf dem Statorkern angeordneten Spule entlangfahrbar sind und daß im wesentlichen
nur jeweils die Teilspulen, in deren Bereich sich die Dauermagnete befinden, in
Arbeitswirkrichtung durchflossen sind.
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Dadurch, daß nur die Teilspulen, in deren Bereich sich die Dauermagnete
befinden, stromdurchflossen sind, wird gegenüber den bisherigen Konstruktionen von
der Ankerspule nur ein Teil des magnetischen Feldes erzeugt, das bisher den Eisenkern
sättigte. Andererseits wird die Kraftbildung nicht verringert, da die Spulenteile,
die mit dem Feld der Magneten zusammenwirken, stromdurchflossen und damit feldbildend
sind. Durch die Zu- und Abschaltung von einzelnen Spulenteilen wird zwar eine vom
Läufer gesteuerte Ansteuerung der Teilspulen erforderlich. Die Ansteuerelektronik
ist aber bei der Verwendung einer integrierten Schaltungstechnik von untergeordneter
Bedeutung.
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Die aktive Drahtlänge der Spule läßt sich dadurch variieren, daß die
Dauermagnete die Spule mehr oder weniger weit umschließen. Die Luftspaltinduktion
läßt sich durch den Einsatz von anisotropen Dauermagneten erhöhen.
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Der Fluß im Stator setzt sich aus dem Permanentmagnetfluß und dem
von der erregten Ankerspule erzeugten Spulenfluß zusammen. Durch Kompensation des
Ankerspulenflusses kann nun entweder der Motorquerschnitt verkleinert oder der permanentmagnetische
Fluß vergrößert werden. Beim Linearmotor nach der Erfindung ist zur Kompensation
des Spulenflusses keine zusätzliche Wicklung erforderlich, da die Ankerspule in
einzelne Wicklungsabschnitte aufgeteilt ist.
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Die Kompensation wird dadurch erreicht, daß zusätzlich zu dem an der
Schubkraftbildung aktiv beteiligten Spulenteil ein weiterer in der Weise in Reihe
oder parallelgeschaltet wird, daß der aktive Spulenfluß und der Kompensationsfluß
gegeneinander laufen und sich Je nach Größe der beiden Flüsse ganz oder teilweise
aufheben. Die Kompensation wirkt sowohl im nicht-stationären wie im stationären
Betrieb. Die Wirkung der Spulenflußkompensation durch Gegenerregung zeigt ein Vergleich
der Schubkraftlinien in Fig. 6. Die Kennlinie a
gibt die Schubkräfte
ohne und die Kennlinie b mit Gegenerregung bei offenem Magnetkreis in Abhängigkeit
vom Ankerstrom wieder. Der Knickpunkt, der die beginnende Sättigung anzeigt, ist
bei dem Fall mit Gegenerregung zu wesentlich höheren Ankerströmen verschoben. Die
gleiche Tendenz tritt bei geschlossenem Eisenkreis auf. Ein Vergleich der Kennlinie
mit offenem (a) und geschlossenem (c) Magnetkreis läßt außerdem die Vorteile des
offenen Kreises auf die Abschwächung des durch die Ankerspule erzeugten Flusses
erkennen.
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Die Gegenerregung benötigt keinen zusätzlichen Aufwand an Ansteuerelektronik,
ergibt aber einen geringeren Gesamtwirkungsgrad.
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Der Hauptvorteil des Linearmotors nach der Erfindung ist in dem einfachen
mechanischen Aufbau, der kleinen mechanischen Baulänge, die sich nur wenig von dem
nutzbaren Hub unterscheidet, den kleinen Querschnittsabmessungen und dem relativ
geringen Gewicht zu sehen. Der Motor arbeitet berUhrungslos und verschleißfrei;
darüber hinaus benötigt er keine beweglichen Strozzufuhrungsdrähte.
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Der Motor nach der Erfindung arbeitet im Gegensatz zu den bekannten
linearen Gleichstrommotoren mit offenem Magnetkreis.
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Trotz des offenen Magnetkreises und der damit niedrigeren Luftspaltinduktion
gegenüber einem geschlossenen Kreis liefert der Motor eine wesentlich größere Schubkraft.
Schließlich macht der offene Magnetkreis die Querschnittsabmessungen des Motors
wesentlich unabhängiger vom Motorhub als bei den bekannten Motoren.
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Der Linearmotor nach der Erfindung kann im Generatorbetrieb als linearer
Geschwindigkeitsaufnehmer arbeiten. Die während der Läuferbawegung in der Ankerspule
induzierte Gleichspannung
ist proportional der Geschwindigkeit.
Durch eine zusätzliche Wicklung auf dem äußeren Eisenkern können Motor und Geschwindigkeitsaufnehmer
in eine Einheit integriert werden.
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Allerdings muß durch geeignete Maßnahmen eine Entkopplung der beiden
Spulen vorgenommen werden.
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Bei einer Ausführungsform des Motors mit zwei äußeren Eisenkernen
und zwei Dauermagneten können auf den beiden äußeren Eisenkernen Spulen für einen
Weggeber und einen Geschwindigkeitsnehmer aufgebracht werden. Auf diese Weise läßt
sich der lineare Gleichstrommotor nach der Erfindung mit einem elektromagnetischen
Weggeber und einem Geschwindigkeitsaufnehmer kombinieren.
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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen linearen Gleichstrommotor nach der Erfindung
mit einem längs der Motorachse bewegbaren Dauermagneten und einem äußeren Rückschlußeisenkern,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Gleichstrommotor nach Fig. 1 längs der Linie II-II
in Fig. 1, Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Motors nach Fig. 1 mit zwei
Dauermagneten am Läufer und zwei äußeren Rückschlußeisenkernen, Fig. 4 einen Schnitt
durch den Motor nach Fig. 3 längs der Linie IV-IV in Fig. 3. Dieser Motor ist bei
geeigneter Ausführung für eine Kombination mit einem elektromagnetischen Weggeber
und einem Geschwindigkeitsaufnehmer geeignet.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit vier den inneren Eisenkern
und die Teilspulen umschließenden Dauermagneten sowie vier äußeren Rückschlußeisenkernen.
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Fig. 6 zeigt ein Diagramm der Schubkraftkennlinien des linearen Unipolarmotors.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein
schematisch gehalten, um das wesentliche des Motors nach der Erfindung deutlich
herauszuheben. Gegenüber den bekannten linearen Gleicbstrommotoren unterscheidet
sich der lineare Gleichstrommotor nach der Erfindung dadurch, daß die äußeren Eisenkerne
und der innere Eisenkern nicht-metallisch miteinander verbünden sind. Weiterhin
ist die auf den inneren Eisenkern aufgewickelte Spule in mehrere Teilspulen unterteilt.
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In Fig. 1 ist 1 der innere Eisenkern einer Ausführungsform des linearen
Gleichstramotors nach der Erfindung. Auf diesen inneren Eisenkern 1 sind in Reihe
aneinander anschließend mehrere Teilspulen 3 aufgewickelt. Parallel zu dem inneren
Eisenkern 1 erstreckt sich ein äußerer Eisenkern 5. Dieser äußere Eisenkern 5 und
der innere Eisenkern 1 zusammen mit den Spulen 3 ist als Stator ortsfest angeordnet.
Durch den Luftspal'7 zwischen dem äußeren Eisenkern 5 und den Spulen 3 ist ein anisotroper
Dauermagnet 9 in Längsrichtung verschiebbar. Fig. 2 zeigt, wie dieser Dauermagnet
9 über einen Arm 11 mit einer nicht weiter dargestellten Führung verbunden ist.
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Während des Motorbetriebes werden jeweils nur die Teilspulen 3 des
Motors, denen der Dauermagnet 9 gegenüberliegt, erregt.
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Die Ubrigen Teilspulen bleiben unerregt, und es ist sogar möglich,
eine dieser Teilspulen sogar mit einer Gegenerregung zu versehen, um damit das Spulenfeld
innerhalb des Eisenkernes 1 noch weiter zu verringern.
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Auf den äußeren Eisenkern 5 kann eine Spule 13 aufgelegt werden, diinit
ekhem 'Geschwindigkeitsgeber verbunden wird.
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Wenn der otor nach der Erfindung nämlich mit konstantem Strom, d.
h. Schub, betrieben wird, dann ist die während der
Läuferbewegung
in der Ankerspule induzierte Gleichspannung proportional zur Geschwindigkeit.
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Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der
nach den Fig. 1 und 2 lediglich dadurch, daß zwei äußere Eisenkerne 5, 51 vorgesehen
sind, und zwar diametral gegenüber dem inneren Eisenkern 1 und den Spulen 3. Außerdem
befindet sich dem Dauermagneten 9 gegenüber ein weiterer Dauermagnet 9'. Durch die
Verdoppelung des Eisenrücksohlusses und der Magneten läßt sich die magnetische Feldstärke
wesentlich erhöhen.
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Auf die beiden äußeren Eisenrückschlußkerne 5 und 5' können wieder
Spulen 13 und 13' aufgebracht werden. Während die Spule 13 für einen Geschwindigkeitsaufnehmer
arbeitet, arbeitet die Spule 13' für einen Weggeber.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein starker magnetischer
Fluß erzielbar ist, indem der innere Eisenkern 1 und die Spulen 3 von vier Dauermagneten
9 umgeben sind, die über eine Brücke 11" von außen her axial verschiebbar geführt
sind. Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Dauermagnete so magnetisiert, daß
im Läuferinneren nur Nord- bzw.
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Südpole vcrhanden sind.
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Die an dem bewegten Teil einer elektromagnetischen Anordnung angreifenden
Schubkräfte lassen sich über eine Energiebilanz bestimmen. Bei einer Verschiebung
des Läufers kommt es unter der Wirkung der Kräfte zu einem Energieumsatz auf der
mechanischen Seite. Infolgedessen muß auch auf der elektrischen Seite ein Energieumsatz
stattfinden. Die Rückwirkung des mechanischen Energieumsatzes auf die elektrische
Seite erfolgt über die Spannungen, die während der Verschiebung in den Spulen induziert
werden. Bei der Bewegung des Magneten ändert sich nur die Lage des Magneten zu der
Spule bzw. zu den
einzelnen Windungen der Spule. Der Arbeitspunkt
des Magneten ändert sich nicht.
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Schließt man - wie in bekannten Anordnungen - den magnetischen Kreis
des Stators durch ferromagnetische Kurzschlußteile am Anfang und am Ende, so ergibt
sich zwar, wegen des geringen magnetischen Widerstandes des Statorkreises, ein relativ
hoher Arbeitspunkt des Magneten. Es fließt aber ein wesentlicher Anteil des magnetischen
Flusses des Magneten über die ferromagnetischen Kurzschlußteile, und dieser Anteil
des magnetischen Flusses wirkt schubmindernd.
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Durch die Verwendung des offenen magnetischen Kreises wird der magnetische
Fluß des Magneten gezwungen, sich ausschließlich über Luftwege zu schließen. Fast
der gesamte Anteil dieses sich über Luftwege schließenden magnetischen Flusses trägt
aber positiv zur Schubbildung bei, so daß sich trotz eines niedrigeren Arbeitspunktes
des Magneten insgesamt ein wesentlich größerer Schub ergibt.
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Dieses Verhalten läßt sich anhand von Fig. 6 andeuten, wobei im einzelnen
auf folgendes hinzuweisen ist: Der gesamte Fluß in dem Stator setzt sich aus dem
Permanentmagnetfluß ¢ m und dem von der erregten Ankerspule erzeugten Spulenfluß
¢ sp zusammen. Durch Kompensation der Spulenflusses sp kann nun entweder der Motorquerschnitt
verkleinert oder sp der permanentmagnetische Fluß vergrößert werden. Es ist aus
J.C. Lindsley 'XMultipole Closed End Linear Motor - IBM Technical Disciosure Bulletin",
13(1971), 12, S. 3682-3683, bekannt, dieses bei nicht stationärem Betrieb durch
eine zusätzliche Kurzschlußwicklung zu bewirken.
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Bei dem Unipolarmotor nach der Erfindung sind zur Kompensation des
Spulenflusses ¢ sp keine zusätzlichen Wicklungen erfordersp lich, wenn die Ankerspule
in einzelne Wicklungsabschnitte aufgeteilt wird. Die Kompensation wird hier dadurch
erreicht, daß zusätzlich zu dem an der Schubkraftbildung aktiv beteiligten Wicklungsabschnitt
ein weiterer in der Weise in Reihe oder parallel geschaltet wird, daß der aktive
Spulenfluß und der Kompensationsfluß gegeneinander laufen und sich Je nach Größe
der beiden Flüsse ganz oder teilweise aufheben.
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Die Kompensation wirkt sowohl im nicht-stationären wie im stationären
Betrieb. Die Wirkung der Spulenflußkompensation durch Gegenerregung zeigt ein Vergleich
der Schubkraftkennlinien in Fig. 6. Kennlinie a gibt die Schubkräfte ohne und Kennlinie
b mit Gegenerregung bei offenem Magnetkreis in Abhängigkeit vom Ankerstrom wieder.
Der KnicKpunkt, der die beginnende Sättigung anzeigt, ist bei dem Fall mit Gegenerregung
zu wesentlich höheren Ankerströmen verschoben. Die gleiche Tendenz tritt bei geschlossenem
Eisenkreis auf. Ein Vergleich der Kennlinien mit offenem (a) und geschlossenem (b)
Magnetkreis läßt außerdem die Vorteile des offenen Kreises auf die Abschwächung
des durch die Ankerspule erzeugten Flusses erkennen.
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Die Gegenerregung benötigt keinen zusätzlichen Aufwand an Ansteuerelektronik.
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Patentansprüche:
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