DE2542299B2

DE2542299B2 - Linearmotor fur anzeigende und schreibende Meßgeräte

Info

Publication number: DE2542299B2
Application number: DE19752542299
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. Koch; Hans Ludwig Ing.(Grad.) Recker
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-09-23
Filing date: 1975-09-23
Publication date: 1979-03-29
Also published as: DE2542299A1; DE2542299C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearmotor für anzeigende und schreibende Meßgeräte, mit einer Anzahl von statorfesten, in Längsrichtung des Stators aufeinander folgenden, separaten zu- und abschaltbaren Induktionsspulen, mil einem oder mehreren, entlang der Induktionsspulen beweglichen, senkrecht zur Spulenachse magnetisierten Dauermagneten und mit mindestens einem äußeren Eisenrückschluß, der an den axialen Motorenden offen ist (DE-AS 21 33 922).

Es sind Linearmotoren bekannt, die im Aufbau und ihrer Wirkunksweise den dynamischen Lautsprechersystemen mit ortsfestem Magnetfeld und bewegter Tauchspule sehr ähnlich sind. Derartige Motoren werden in Kompensationsschreibern zum Antrieb des Schreibmechanismus bzw. in Plattenspeicher!! zur Positionierung der Magnetköpfe 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 Moiorlängc erstrecken. Der Statorfluß verläuft von den Magneten aus über den Luftspalt und teilt sich bei symmetrischem Aufbau im mittleren Eisenkern in zwei Teilflüsse, die über die beiden Endplatten und den äußeren Eisenzylinder zu den Magenten zurück verlaufen. Die stromdurchflossene Ankerspule bewegt sich auf einer Führung längs des Spaltes zwischen den Magneten und dem minieren Eisenkern. Die Stromzuführung erfolgt über bewegliche Leitungen. 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 ausgeübt. Ungünstig ist an derartigen bekannten Konstruktionen die Stromzuführung zur bewegten Spule.

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 ferromagnetische Kreis voraus. Da die Permanentmagnete sich nun aber über die gesamte Statorlänge erstrecken, wird der Fluß durch den mittleren Eisenkern umso größer, je langer 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 Querschnillsabmessungen.

Infolge des über die Endplatten geschlossenen Systems findet auch der von dem Ankerstrom erzeugte Fluß einen luftspaltfreien Magnetkreis vor. Auch dieser Fluß trägt zur Sättigung des Kreises bei. Das Problem besteht nun darin, den vom Ankerstrom erzeugten Fluß möglichst klein zu halten, d. h. für den Permanentmagnetnuß einen ferromagnetischen Kreis mit möglichst niedrigem und für den Ankerfhiß einen Kreis mit möglichst großem magnetischem Widerstand zu schaffen. In der Literaturstellii J.C. Li nds ley »Multipole 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 Positionsani rieb meistens arbeitet, Ströme induziert werden, deren magnetische Felder dem vom Spulenstrom erzeugten Feld enlgegcngerichtet sind. Dadurch wird ein größerer permanentmagnelischer Fluß möglich gemacht und zugleich eine größere Schubkraft bei gleicher Xemgrößc. Gleichzeitig wird aber die Induktivität der Spule und mit ihr die elektromagnetische Zeitkonstante des Motors verringert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Linearmotor für anzeigende und schreibende Geräte zu optimieren.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Linearmotor der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung die Induktionsspulen einen gemeinsamen Stalorkern umschließen und diejenigen Induktionsspulen, die sich nicht im Wirkbeieich des dauermagnetischen Läufers befinden, auf Gegcnerregung schaltbar sind.

Der Fluß im Stator setzt sich bei diesem Motor aus dem PermanenimagnetHuß und dem von der erregten Ankerspule erzeugten SpulcnMuß zusammen, wobei der aktive Spulenfluß und der Kompensalionsflul) gegeneinander laufen. Wenn dies der Fall ist, dann heben sich die beiden Flüsse je nach Größe ganz oder teilweise auf.

Die Kompensation wirkt sowohl im nicht-stationären wie im stationären Betrieb. Die Wirkung der Spulenflußkompensation durch Gegonerregung zeigt ein Vergleich der Schubkniftlinien in I'ig. 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 (α) und geschlossenem (c) Magnelkreis läßt außerdem die Vorteile des offenen Kreises auf die Abschwächung des durch die Ankerspule erzeugten Flusses erkennen.

Die Gegenerregung benötigt keinen zusatzlichen Aufwand an Ansteuerelektronik, ergibt aber einen geringeren Gesamt wirkungsgrad.

Durch die Kompensation des Ankerspulenflusses kann entweder der Motorquerschnitt verkleinert oder der permanenimagnelische Fluß vergrößert werden. Zur Kompensation ties Spulenflusses ist keine zusiitzli-

ehe Wicklung erforderlich, da die Ankerspule in einzelne Wicklungsabschnitte aufgeteilt ist.

Der Hauptvorteil des Linearmotors nach der Erfindung ist in dem einfachen mechanischen Aufbau, der kleinen mechanischen Baulänge, die sicir nur wenig von dem nutzbaren Hub unterscheidet, den kleinen Querschnittsabmessungen und dem relativ geringen Gewicht zu sehen. Der Motor arbeitet berührungslos und verschleißfrei; darüber hinaus benötigt er keine beweglichen Stromzuführungsdrähte.

Der Motor nach der Erfindung arbeitet irn Gegensatz zu den bekannten linearen Gleichstrommotoren mit offenem Magnetkreis. Trotz des offenen Magnetkreises und der damit niedrigeren Luftspaltinduktion gegenüber einem geschlossenen Kreis liefert der Motor eine wesentlich größere Schubkraft Der offene Magnetkreis macht die Querschnittsabmessungen des Motors damit wesentlich unabhängiger vom Motorhub als bei den bekannten Motoren.

Der Linearmotor nach der Erfindung kann im Genera(orbetrieb als linearer Geschwindigkeilsaufnehmer arbeiten. Die während der Läuferbewegung 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. Allerdings muß durch geeignete Maßnahmen eine Entkopplung der beiden Spulen vorgenommen werden.

Bei einer Ausführungsform des Motors mit zwei äußeren Eisenkernen und zwei Dauermagneten können auf den beiden äußeren Eisenkernen Spulen für einen Weggeber und einen Gesehwindigkeitsnehmer aufgebracht werden. Auf diese Weise läßt sich der lineare Gleichstrommotor nach der Erfindung mit einem elektromagnetischen Weggeber und einem Gcschwindigkcitsaufnchmer kombinieren.

Durch die DE-PS 2133 422 ist an sich ein Linearmotor für Fahrzeugantriebe bekannt, bei dem am Fahrzeug angeordnete Dauermagnete an einer zur Schiene gehörigen Stromschlcifcnlciste mit einzeln zuschaltbaren Teilspulen entlanglaufen. Die Unterteilung in Teilspulen erfolgt dabei, um unbenutzte Schienenteile zum Zwecke der Energieeinsparung feldfrei zu halten. Ein ähnliches Prinzip zeigt ein im Bulletin des schweizerischen elektrotechnischen Vereins 60(l9b9), 19, S. 918, beschriebener Linearmotor, wo die Schaltung der Spulenteile anstatt mit Thyristoren durch Schleiferbür.iten erfolgt.

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

Fig. 1 einen linearen Gleichstrommotor nach der Erfindung mit einem längs der Molorachsc bewegbaren Dauermagneten und einem äußeren Rückschlußeisenkern,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Gleichstrommotor nach Fig. 1 längs der Linie H-Il in Fig. 1,

F i g. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Motors nach F i g. 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. X Dieser Motor ist bei geeigneter Ausführung für eine Kombination mit einem elektromagnetischen Weggeber und einem Geschwin digkeitsaufnchmer geeignet.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit vier den inneren Eisenkern und die Tcilsnulen umschließenden Dauermagneten sowie vier äußeren Rückschlußeisenkernen.

F i g. 6 zeigt ein Diagramm der Schubkraftkenniinien des linearen Unipolarmotors.

ί Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein schematisch gehallen, um das wesentliche des Motors nach der Erfindung deutlich herauszuheben. Gegenüber den bekannten linearen Gleichstrommotoren unterscheidet sich der lineare ,„ Gleichstrommotor nach der Erfindung dadurch, daß die äußeren Eisenkerne und der innere Eisenkern nicht-metallisch miteinander verbunden sind. Weiterhin ist die auf den inneren Eisenkern aufgewickelte Spule in mehrere Teilspulen unterteilt

ι, In Fig. 1 ist 1 der innere Eisenkern einer Ausführungsform des linearen Gleichstrommotors 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 Luftspalt 7 zwischen dem äußeren Eisenkern 5 und den Spulen 3 ist ein anisotroper Dauermagnet 9 in Längsrichtung j, verschiebbar. Fig. 2 zeigt, wie dieser Dauermagnet 9 über einen Arm If mit einer nicht weiter dargestellten Führung verbünden ist.

Während des Motorbetriebes werden jeweils nur die Teilspulen 3 des Motors, denen der Dauermagnet 9 d, gegenüberliegt, erregt. Die übrigen Teilspulen bleiben unerregt, und es ist sogar möglich, eine dieser Teilspulen sogar mit einer Gegenerregung zu versehen, um damit das Spulenfeld innerhalb des Eisenkernes I noch weiter zu verringern.

i, Auf den äußeren Eisenkern 5 kann eine Spule I 3 aufgelegt werden, die mit einem Geschwindigkeiixgeber verbunden wird. Wenn der Motor nach der Erfindung nämlich mit konstantem Strom, d. h. Schub, betrieben wird, dann ist die während der Lüufcrbewegung in der n, Ankerspule induzierte Gleichspannung proportional zur Geschwindigkeit.

Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4

unterscheidet sich von der nach den F i g. 1 und 2 lediglich dadurch, daß zwei äußere Eisenkerne 5, 5'

,, vorgesehen sind, und zwar diametral gegenüber dem inneren Eisenkern I und den Spulen 3. Außerdem befindet sich dem Dauermagneten 9 gegenüber ein weiterer Dauermagnet 9'. Durch die Verdoppelung des Eisenrückschlusses und der Magneten läßt sich die

,,, magnetische Feldstärke wesentlich erhöhen.

Auf die beiden äußeren Eisenrückschlußkerne 5 und 5' können wieder Spulen 13 und 13' aufgebracht werden. Während die Spule 13 für einen Geschwindigkeitsaufnehmer arbeitet, arbeitel die Spule 13' für einen ,, Weggeber.

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 _Ml 11" von außen her axial verschiebbar geführt sind. Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Dauermagnete so magnetisiert, daß im Läuferinneren nur Nord- bzw. Südpole vorhanden sind.

Die an dem bewegten Teil einer elektromagnetischen

-, Anordnung angreifenden Schubkräfte lassen sich über eine Energiebilanz bestimmten. Bei einer Verschiebung des Läufers kommt es unter der Wirkung der Kräfte zu einem Enereieumsatz auf der mechanischen Seite.

Infolgedessen muß auch auf der elektrischen Seite ein Energieumsatz stattfinden. Die Rückwirkung des mechanischen Cnergieumsatzes 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.

Ein geschlossener Eisenkreis ergibt zwar eine höhere Luftspaltinduktion des Magneten als der offene Eisenkreis, der erstcrc wird aber wesentlich stärker durch die Spulendurchflutung belastet. Mit steigendem Wert des Spuienstroms / wird der Eisenkreis schnell gesättigt, so daß der Permanentmagnet einen gesättig ten Kreis sieht, Der Magnetfluß Φ nimmt nach Erreichen der Sättigung des Eisenkreises mehr ab als der Spulenstrom zunimmt, so daß der für die Schubkraft maßgebende Wert / · Φ sinkt.

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.

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 Φ_η, und dem von der erregten Ankerspule erzeugten Spulenfluß Φ_5ρ zusammen. Durch Kompensation des Spulenflusses Φ_!ρ kann nun entweder der Motorquerschnitt verkleinert oder der permanentmagnetische Fluß vergrößert werden. Es ist aus J. C. Lindsley »Multpole Closed End Linear Motor — IBM Technical Disclosure Bulletin«, 13 (1971), 12, S. 3682—3683, bekannt, dieses bei nicht stationärein Betrieb durch eine zusätzliche Kurzschlußwicklung zu bewirken.

Bei dem Unipolarmotor nach der Erfindung sind zur Kompensation des Spulenflusses Φ_ψ keine zusätzlichen Wicklungen erforderlich, 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 ■- r, 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. 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 Magnelkreis in Abhängigkeit vom Ankerstrom wieder. Der

2-, 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)

3d Magnetkreis läßt außerdem die Vorteile des offenen Kreises auf die Abschwächung des durch die Ankerspule erzeugten Flusses erkennen.

Die Gegenerregung benötigt keinen zusätzlichen Aufwand an Ansteuerelektronik.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Linearmotor für anzeigende und schreibende Meßgeräte, mit einer Anzahl von statorfesten, in Längsrichtung des Stators aufeinander folgenden, separat zu- und abschaltbaren Induktionsspulen, mit einem oder mehreren, entlang der Induktionsspulen beweglichen, senkrecht zur Spulenachse magnetisierten Dauermagneten und mit mindestens einem äußeren Eisenrückschluß, der an den axialen Motorenden offen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspulen (.3) einen gemeinsamen Statorkern (1) umschließen und diejenigen Induktionsspulen, die sich nicht im Wirkbereich des dauermagnetischen Läufers (9) befinden, auf Gegenerregung schaltbar sind.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem oder jedem EisenHickschluS (5) eine zusätzliche Spulenwicklung für einen Geschwindigkeitsgeber vorgesehen ist.