DE2542299C3

DE2542299C3 - Linearmotor für anzeigende und schreibende Meßgeräte

Info

Publication number: DE2542299C3
Application number: DE19752542299
Authority: DE
Inventors: Hans Ludwig Ing.(grad.) 5100 Aachen 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: 1982-09-02
Also published as: DE2542299A1; DE2542299B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearmotor für anzeigende und schreibende Meßgeräte, mit einer Anzahl von statorfesten, in Längsrichtung des Stators aufeinander folgenden, separat zu- und abschaltbaren Induktionsspulen, die einen gemeinsamen Statorkern umschließen, 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.

Ein derartiger Linearmotor ist aus der US-PS 31 35 880 bekannt. Ein Teil der zu- und abschaltbaren Induktionsspulen ist dabei auf Gegenerregung schaltbar.

Es ist auch ein Linearmotor für Schienenfahrzeuge bekannt (DE-AS 2133 922) Bei ihm folgt die Zuschaltung der ortsfesten Ankerwicklungen im Wirkbereich des Motors mit der Fahrzeugbewegung. Ein zum Betrieb notwendiger Teil der Induktionsspulen ist also erregt, während der nicht zum Betrieb benötigte Teil der Induktionsspulen unerregt ist. Die Unterteilung in Teilspulen erfolgt dabei, um unbenutzte Schienenteile zum Zwecke der Energieeinsparung feldfrei zu halten.

Schließlich ist es auch noch bekannt, bei Gleichstromlinearmotoren das von den Induktionsspulen erzeugte magnetische Feld mittels einer Zusatzerregerwicklung zu kompensieren (US-PS 35 05 544).

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Linearmotor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem eine weitgehende Kompensation des von den Induktionsspulen erzeugten Feldes auf möglichst einfache Weise erreicht wird.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Linearmotor der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß jeweils nur diejenigen Induktionsspulen, denen der Dauermagnet gegenüberliegt, im antreibenden Sinn erregt werden, und diejenigen Induktionsspulen, die sich nicht im Wirkberejch des dauermagnetischen Läufers befinden, derart auf Gegenerregung schaltbar sind, daß sie eine Kompensation des von den Induktionsspulen erzeugten magnetischen Flusses bewirken.

Der Ruß im Stator setzt sich bei diesem Motor aus dem Permanentmagnetfluß und dem von der erregten Ankerspule erzeugten Spulenfluß zusammen, wobei der aktive Spulenfluß und der Kompensationsfluß 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

ίο wie im stationären Betrieb. Die Wirkung der Spulenflußkompensation durch Gegenerregung zeigt ein Vergleich der Schubkraftlinien in F i g. 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.

Die Gegenerregung benötigt keinen zusätzlichen Aufwand an Ansteuerelektronik, ergibt aber einen geringeren Gesamtwirkungsgrad.

Durch die Kompensation des Ankerspulenflusses kann entweder der Motorquerschnitt verkleinert oder der permanentmagnetische Fluß vergrößert werden.

jo Zur Kompensation des Spulenflusses ist keine zusätzliche 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 sich 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 im 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 Generatorbetrieb als linearer Geschwindigkeitsaufnehmer 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 Geschwindigkeitsnehmer aufgebracht werden. Auf diese Weise läßt sich der lineare

b5 Gleichstrommotor nach der Erfindung mit einem elektromagnetischen Weggeber und einem Geschwindigkeitsaufnehmer kombinieren.

Durch die DE-PS 2133 922 ist an sich ein

Linearmotor für Fahrzeugantriebe bekannt, bei dem am Fahrzeug angeordnete Dauermagnete an einer zur Schiene gehörigen Stromschleifenleiste 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 (1969), 19, S. 918, beschriebener Linearmotor, wo die Schaltung der Spulenteile anstatt mit Thyristoren durch Schleiferbürsten erfolgt

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

F i g. 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 F ig. 1 längs der Linie H-II in Fig. 1,

Fig.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.3. Dieser Motor ist bei geeigneter Ausführung für eine Kombination mit einem elektromagnetischen Weggeber und einem Geschwindigkeitsaufnehmer geeignet.

Fig.5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit vier den inneren Eisenkern und die Teilspulen umschließenden Dauermagneten sowie vier äußeren Rückschlußeisenkernen.

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

Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein schematisch gehalten, 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

In F i g. 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 verschiebbar. F i g. 2 zeigt wie dieser Dauermagnet 9 über einen Arm 11 mit einer nicht weiter dargestellten Führung verbunden ist

Während des Motorbetriebes werden jeweils nur die Teilspulen 3 des Motors, denen der Dauermagnet 9 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 1 noch weiter zu verringern.

Auf den äußeren Eisenkern 5 kann eine Spule 13 aufgelegt werden, die mit einem Geschwindigkeitsgeber verbunden wird. Wenn der Motor nach der Erfindung nämlich mit konstantem Stroi/i, d. h. Schub, betrieben wird, dann ist die während der Läuferbewegung in der 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 1 und den Spulen 3. Außerdem befindet sich dem Dauermagneten 9 gegenüber ein

ίο 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 arbeitet die Spule 13' für einen Weggeber.

F i g. 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. Südpole vorhanden sind.

Die an dem bewegten Teil einer elektromagnetischen Anordnung pngreifenden 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

υ 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 Luftspaitinduktion des Magneten als der offene Eisenkreis, der erstere wird aber wesentlich stärker durch die Spulendurchflutung belastet. Mit steigendem Wert des Spulenstroms / wird der Eisenkreis schnell gesättigt so daß der Permanentmagnet einen gesättigten 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 Φπ, und dem von der erregten Ankerspule erzeugten Spulenfluß Φ_ψ zusammen. Durch Kompensation des Spulenflusses Φ_5ρ kann nun entweder der Motorquerschnitt verkleinert oder der permanentmagnetische Fluß vergrößert werden. Es ist aus ]. C. Lindsley »Multpole Closed End Linear Motor — IBM Technical Disclosure Bulletin«. 13 Π 971Y 1?

S. 3682—3683, bekannt, dieses bei nicht stationärem 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 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 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 (c) Magnetkreis läßt außerdem die Vorteile des offenen Kreises auf die Abschwächung des durch die Ankerspule erzeugten Flusses erkennen.

Die Gegenerregung benötigt keinen zusätzlichen is 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, die einen gemeinsamen Statorkern umschließen, 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, dad u rehgekennzeichnet, daß jeweils nur diejenigen Induktionsspulen (3), denen der Dauermagnet (9) gegenüberliegt, im antreibenden Sinn erregt werden, und diejenigen Induktionsspulen, die sich nicht im Wirkbereich des dauermagnetischen Läufers (9) befinden, derart auf Gegenerregung schaltbar sind, daß sie eine Kompensation des von den Induktionsspulen (3) erzeugten magnetischen Flusses bewirken.

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