DE2847393B2 - Linearer Schwingspulenmotor - Google Patents
Linearer SchwingspulenmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen linearen Schwingspulen- π
motor mit einem Permanentmagneten, der in Richtung der Schwingspulenbewegung magnetisiert ist und die
Schwingspule im zylindrischen Luftspalt zwischen Polschuhen sowohl des die Anordnung umgebenden
Gehäuses als auch des Permanentmagneten angeordnet m>
ist, wobei die axiale Länge der Schwingspule geringer ist als die axiale Länge der Polschuhe.
Lineare Schwingspulenmotoren werden in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt, die damit auch die
besondere Konstruktion der Schwingspule des Magne- hs
ten und die Art und Weise bestimmen, mit der die Bewegung der Schwingspuie nach dem zu bewegenden
oder einzustellenden Bauteil übertragen wird.
So ist beispielsweise aus der DE-AS 11 19 992 ein
elektrodynamischer Schwingankerantrieb mit einer von Wechselstrom durchflossenen Spule verhältnismäßig
großer Induktivität bekannt, die von einem elektrisch nicht leitenden Spulenkörper getragen wird und dem
Magnetfeld eines permanenten Magneten in einem kreisförmigen Luftspalt schwingt und z. B. den Kolben
eines Kompressors einer Kältemaschine antreibt.
Ein weiteres Anwendungsgebiet, bei dem lineare Schwingspulenmotoren in großem Umfang eingesetzt
wurden, ist in Magnetplattenspeichern für die Einstellung der Magnetköpfe auf ausgewählte, einer Anzahl
konzentrischer Aufzeichnungsspuren auf einer kontinuierlich umlaufenden Magnetplatte. In einem Aufsatz in
IBM Journal of Research and Development vom November 1974 mit dem Titel »Engineering Design of a
Disk Storage Facility with Data Modules« werden einige Entwicklungsüberlegungen und Anforderungen
für Plattenspeicher und für dabei verwendete Schwingspulenantriebe besprochen. Dabei muß ein Schwingspulenmotor
im allgemeinen in zwei Betriebsarten arbeiten, nämlich beim Zugriff zu einer Spur und beim Nachlauf in
der Spur. Beim Zugriff zu einer Spur muß die Schw'ngspule mit rascher Beschleunigung und ebenso
rascher Verzögerung in der Größenordnung von Millisekunden von einer Spur auf eine andere eingestellt
werden. Beim Spurnachlauf muß die Schwingspule lediglich über sehr kleine Strecken in der Größenordnung
von lOOstel bis lOtel Millimetern bei Verfolgung der Mittellinie einer aufgezeichneten Spur bewegt
werden. Die Ansprechzeit der Schwingspule und des Magnetkopfträgers auf durch das Einstellsystem erzeugte
Signale wird dabei ebenso wichtig wie äußere Einwirkungen, die den Magnetfluß im Luftspalt oder
den die Spule durchfließenden Strom ändern könnten.
Die nunmehr möglichen höheren Aufzeichnungsdichten für Daten auf Magnetplatten und die ebenfalls
mögliche genauere Einstellung der Magnetköpfe und die sich daraus ergebende wesentlich höheren Spurdichte
hat zu immer kompakteren Plattenspeichern geführt, indem man nicht nur die Anzahl der Platten im
Plattenstapel, sondern auch die Größe der Platten verringern konnte. Das wiederum hat einen Bedarf an
wesentlich kleineren linearen Stellmotoren zur Folge gehabt. Man hat dabei erkannt, daß es durchaus
vorteilhaft sein kann, mehr als eine lineare Stellvorrichtung je rotierenden Plattenstapel einzusetzen, vorausgesetzt,
daß dadurch die Kosten für die Datenspeicherung oder die Kosten für die Plattenstapel nicht erhöht
werden. Wenn außerdem ein Magnetplattenspeicher mit einer Anzahl von linearen Stellmotoren versehen ist,
dann ist es erwünscht, die Stellmotoren mit der Achse der Schwingspulen in einer Ebene anzuordnen, so daß
man dann, wenn der Stellmotor in den Plattenstapel eingebaut ist, die aus Magnetkopf und Platten
bestehende Anordnung und die Schwingspulen des Schwingspulmotors herausnehmen kann, ohne daß man
dabei den relativ schweren Magneten herausnehmen muß, wie dies die US-Patentschrift 40 34 411 zeigt.
Ordnet man die Schwingspulenachse in der gleichen Ebene an, dann können die Schwingspulen auf dem
Magnetkopftragarm und der Magnetplattenanordnung angebracht werden, wodurch das Herausnehmen der
Kopf-Plattenanordnung in einer Richtung parallel zur Ebene der Schwingspiilcnachse erleichtert wird.
Wird jeder zylindrische Polschuh von einem einem gemeinsamen Permanentmagneten entstammenden
Magnetfluß durchflossen und ist jeder Polschuh in
Verbindung sowohl mit dem Magneten als auch einem benachbarten Polschuh, dann wirkt auf jede der
Schwingspulen eine gleichförmigere magneto-motorische Kraft ein. Es wurde gemäß der Erfindung
festgestellt, daß man durchaus eine Schwingspule im Spurnachlaufbetrieb betätigen kann, ohne daß dabei die
Arbeitsweise der anderen Schwingspule bei der Einstellung auf eine Spur beeinträchtigt wird, selbst
dann, wenn sie aus einer gemeinsamen Quelle für die magneto-motorische Kraft gespeist werden. ι ο
Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst gedrängt
aufgebaute, lineare Antriebsvorrichtung mit einer Anzahl von einander unabhängigen, innerhalb ringförmiger
Flußspalte angeordneter Schwingspulen zu schaffen, deren Achsen in der gleichen Ebene liegen
ohne daß die Erregung einer Schwingspule das Arbeiten der anderen Schwingspule beeinflußt. Dies wird
erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung können den Umeransprüchen entnommen werden.
Die Erfindung wird nunmehr anhand einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen
im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht der verbesserten linearen Antriebsvorrichtung in Form eines linearen
Schwingspulenmotors,
F i g. 2 die Anwendung der linearen Antriel svorrichtung
gemäß F i g. 1 in einem Plattenspeicher,
F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit 3 Schwingspulen und
Fig.4 eine Draufsicht auf die lineare, mit 3 Schwingspulen arbeitende Antriebsvorrichtung gemäß
F i g. 3 zur Darstellung der radialen Schlitze in jedem Polschuh.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie im einzelnen aus Fig. 2 zu sehen, besteht die Antriebsvorrichtung aus einer Anzahl für sich bewegbarer
Schwingspulen 10a und 10b und einem feststehenden Aufbau 11, der die ringförmigen Flußspalte 12a und 126
bildet, in denen die Schwingspulen 10a und 106 angeordnet sind.
Der feststehende Aufbau 11 besteht aus einer Grundplatte 15, einem Permanentmagneten 16, einer
Anzahl von Polschuhen 17a, 176, und einem aus einem Stück bestehenden Gehäuse 18, das an einer Stelle eine
Anzahl ringförmiger öffnungen 19a, 196 aufweist. Jede dieser ringförmigen öffnungen 19a und 196 bildet mit
einem der Polschuhe 17 einen ringförmigen Luftspalt 12, in dem sich die Schwingspule 10 bewegt. Die übrigen
Teile des Gehäuses 18 erstrecken sich bis auf die Grundplatte 12 und umgeben die Polschuhe 17 und den
Permanentmagneten 16 vollständig.
Wie man aus F i g. 1 erkennt, ist der Permanentmagnet 16 rechteckig und mit seiner Oberfläche 20 an der
Grundplatte 15 befestigt. Die gegenüberliegende Oberfläche 21 des Magneten 16 dient der Aufnahme der
Polschuhe 17a, 176, wobei die Achse des zylindrischen Abschnittes des Polschuhs auf der Oberfläche 20 t>o
senkrecht steht. Der aus einem Stück bestehende Polschuh 17 weist in seinem unteren Abschnitt 26 einen
rechteckigen Querschnitt auf, der in einen zylindrischen Abschnitt 27 übergeht. Der rechteckige Abschnitt 26 ist
an dem Permanentmagneten befestigt und stellt eine h>
Verbindung geringen magnetischen Widerstandes zwischen dem Pe'rnanentmagneten und dem Polschuh her.
Der untere Abschnitt 26 eines jeden Polschuhs bildet eine Seitenfläche 29, wobei Seitenflächen 29 benachbarter
Polschuhe einander berühren.
Theoretisch ist die Einern jeden Polschuh zugeführte
magneto-motorische Kraft gleich groß. In der Praxis treten jedoch aus verschiedenen Gründen Unterschiede
in der Größe der dem unteren Abschnitt 26 eines jeden Polschuhs zugeführten magneto-motorischen Kraft auf.
Dieser Unterschied kann bei handelsüblichen Magneten bis zu plus oder minus 10% betragen. Obgleich es
möglich ist, Permanentmagnete mit engeren Toleranzen zu beschaffen, so nehmen doch mit abnehmenden
Toleranzen die Kosten für solche Magnete wesentlich zu. Aus Gründen einer vereinfachten Fertigung wird
auch der magnetische Block erst dann magnetisiert, wenn der gesamte Aufbau einschließlich des Gehäuses
zusammengebaut ist Die gesamte Anordnung wird dazu einem starken, theoretisch gleichförmigen Magnetfeld
ausgesetzt.
In der Praxis ist jedoch weder das magnetische Material noch das magnetisierende Feld gleichförmig.
Außerdem ist stets ein Unterschied in dem magnetischen Widerstand zwischen dem Permanentmagneten
und dem einen bzw. anderen Polschuh vorhanden. Indem man die Seitenflächen benachbarter Polschuhe
miteinander in Berührung bringt, wird zwischen den beiden 'parallelen magnetischen Stromkreisen ein
magnetischer Nebenschluß hergestellt. Eine solche Anordnung stellt eine gleichmäßigere Flußverteilung in
dem ringförmigen Luftspalt sicher, da sich in dem zylindrischen Teil des jeweiligen Polschuhs unmittelbar
anschließend an jeden der ringförmigen Luftspalte eine Flußsymmetrie ausbildet. Der magnetische Widerstand
der Verbindung der beiden Polschuhe an den Seitenflächen ist beträchtlich kleiner als der magnetische
Widerstand eines jeden der ringförmigen Luftspalte.
Der obere Abschnitt 27 eines jeden Polschuhs 17 ist zylinderförmig und bildet den Innendurchmesser des
ringförmigen Flußspaltes 12. Die Achse des zylindrischen Abschnittes 27 steht dabei im wesentlichen
senkrecht auf der flachen Oberfläche des rechteckigen unteren Abschnitts 26.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen, weist der zylindrische Abschnitt 27 drei sich in axialer Richtung erstreckende
Schlitze 30 auf, die am Umfang jeweils einen Winkel von 120° miteinander bilden. Der Zweck dieser Schlitze im
Polschuh 17 und die Art und Weise, wie die Schwingspule 10 an dem Kopfträgerschlitten befestigt
ist, soll im Zusammenhang mit F i g. 2 erläutert werden. Die Schwingspule 10 ist an einem ringförmigen Bauteil
48 angebracnt, das drei in radialer und axialer Richtung sich erstreckende Rippen 49 aufweist, die in die drei in
axialer Richtung sich erstreckenden Schlitze 30 passen. Obgleich in F i g. 1 nur ein Ring 48 mit Schwingspule 10
gezeigt ist, ist doch für jeden Polschuh eine solche Anordnung vorgesehen.
Das Gehäuse 18 weist einen Abschnitt 40 auf, das den vorderen Polschuh der Antriebsvorrichtung bildet und
mit einer Anzahl kreisförmiger öffnungen 19a und 196 versehen ist, die jeweils den äußeren Durchmesser des
ringförmigen Luftspaltes 12 bilden. Der verbleibende Teil des einstückigen Gehäuses bildet einen magnetischen
Pfad geringen magnetischen Widerstandes nach d°m Umfang der Grundplatte 15.
Die Dicke des den vorderen Polschuh bildenden Abschnittes 40 des Gehäuses reicht im Zusammenwirken
n.'t einem der zylindrischen Polschuhe für die Bildung eines ringförmigen Luftspaltes 12 aus, dessen
axiale Länge wesentlich jMößer ist als die axiale Länge
der Schwingspule 10, so daß die Schwingspule 10 an beiden Endpunkten ihrer Bewegung stets innerhalb des
Luftspaltes 12 liegt.
F i g. 2 zeigt den Einsatz des in F i g. 1 gezeigten linearen Schwingspulenantriebs auf die Einstellung von
magnetischen Wandlern in einem Magnetplattenspeicher. Der Magnetplattenspeicher ist in F i g. 2 schematisch
dargestellt und besteht aus einer Anzahl von Magnetplatten 60, die auf einer rotierenden Welle 61
gelagert sind. Die Welle 61 ist in zwei Lagern 62 und 63 gelagert, die ihrerseits an einer tragenden Konstruktion
bei 64 und 6.5 angebracht sind. Ein Paar mit Tragarmen und Magnetköpfen ausgerüstete Wagen 66 und 67 mit
einer Anzahl von Magnetköpfe tragenden Tragarmen 68 sind auf dsr Tragkonstruktion auf Schienen gleitend
angeordnet. Die Tragkonstruktion 64 und 65 kann dabei die Form einer insgesamt abnehmbaren Magnetkopf/
Magnetplatten-Anordnung aufweisen, die vollständig abgeschlossen ist, mit Ausnahme des Teils des
Wagenaufbaus, der mit dem stationären Teil der Antriebsvorrichtung zusammenwirkt.
Jeder Wagenaufbau ist dabei mit einem ringförmigen Bauteil 48 versehen, auf dem eine der Schwingspulen 12
angebracht ist. Eine Erregung der Schwingspule 12 durch ein Stellsystem 70 bewirkt eine Bewegung des
Wagens in radialer Richtung bezuglich der Achse der Spindel 61. Man sieht, daß der Aufbau des stationären
Teils der mit mehreren Spulen arbeitenden Antriebsvorrichtung, bei der die Achse der ringförmigen Luftspalte
in der gleichen Ebene liegt wie die Achse der Spindel 61, daß die Schwingspulen der Antriebsvorrichtung ständig
mit dem abnehmbaren Plattenstapel verbunden sein können, und daß die gesamte Anordnung in Richtung
der Ebene der Schwingspulenachsen herausgenommen werden kann.
Da es erwünscht ist, den Wagenaufbau über seinen Massenschwerpunkt anzutreiben, um schädliche Einwirkungen
einer mechanischen Resonanz zu vermeiden, die sich aus einer Folge von Zugriffsoperationen ergeben
könnte, wird die Möglichkeit, den Mittenabstand zwischen den Poischuhen zu verändern, von Bedeutung.
Der axiale Abstand der Magnetplatten auf der Spindel bestimmt den Abstand der Magnetkopf/Magnetarm-Anordnungen
auf dem Wagen, was wiederum die Konstruktion des Wagens für Magnetkopf und Tragarm
beeinflußt und damit auch seinen Massenschwerpunkt bestimmt. Will man einen Plattenstapel möglichst
gedrängt aufbauen, dann wird ein Kompromiß zwischen diesen Abständen, die voneinander abhängen, bedeutsam.
Der Mittenabstand der Polschuhe bestimmt damit praktisch die Materialmenge aus Weicheisen in dem
Bereich der kreisförmigen öffnungen 19a und 196. Da dieser Bereich gegen Sättigung und eine Wechselwirkung
der Polschuhe besonders empfindlich ist, besteht an dieser Stelle die Gefahr, daß der magnetische Fluß an
diesem Punkt im Flußspalt in bezug auf den verbleibenden Teil des Flußspaltes schwankt. Ist dies der Fall, dann
wird dieser Abschnitt der Schwingspule anders reagieren, so daß ein Biegemoment auf die Schwingspule
einwirken würde und damit auch auf den Wagenaufbau und schließlich auf die Magnetköpfe. Dieses Biegemoment
tritt um eine auf der Achse der Schwingspule senkrecht verlaufende Linie in der radialen Ebene auf,
κι die die unterschiedliche Flußdichte enthält. Es wurde festgestellt, daß sich aus einer möglichen Sättigung des
Bereichs zwischen den öffnungen ergebende Auswirkungen auf die Spule dadurch kleingehalien werden
können, daß man einen der in axialer Richtung sich
ij erstreckenden Schlitze des Polschuhs in der Nachbarschaft
dieses Bereichs anbringt.
Wenn die Bewegung der Schwingspule auf das einzustellende Bauteil über eine Anordnung gemäO
F i g. 1 und 2 übertragen wird, bei der der die
2(i Schwingspule tragende Ring mit in radialer Richtung
sich erstreckenden Rippen versehen ist, dann kann die Umfangsposition der Rippen und der Schlitze in der
Polschuhen so angeordnet werden, daß jeder Einwirkung auf die Bewegung der Schwingspule dadurch, daC
ein Bereich zwischen den ringförmigen öffnungen zui
Sättigung neigt, entgegengewirkt werden. Wie aus F i g. 1 zu erkennen, sind die Schlitze in benachbarter
Polschuhen so angeordnet, daß sie in diesem Bereich einander gegenüberliegen und daß die beiden übriger
jü radialen Schlitze eines jeden Polschuhs so angeordnei
sind, daß die Einwirkung auf die Schwingspule symmetrisch ist.
Durch diese Art der Konstruktion kann de; Mittenabstand der Polschuhe kleiner sein, so daß mar
J5 bei der Anordnung des Abstandes der Magnetplatter
dem Ort der Magnetkopf/Tragarm-Anordnungen aul
den Wagen und bei der Konstruktion des Wagens selbst mehr Freiheit hat.
F i g. 3 zeigt einen linearen Schwingspulenantrieb mil
■»ο mehreren Schwingspulen. Die Anordnung ist der mil
zwei Schwingspulen ausgerüsteten Anordnung gemäC F i g. 1 ähnlich, nur daß hier ein weiterer Polschuh
vorgesehen und die Anordnung der Schlitze in der Polschuhen unterschiedlich gewählt ist. Wie sich dies
noch deutlicher aus Fig.4 erkennen läßt, weist dei mittlere Polschuh 100 zwei einander diametral gegenüberliegende
Schlitze 101 und 102 in einer Ebene auf, die die Achsen aller drei kreisförmigen Polschuhe enthält
Wie gezeigt, können außerdem zwei weitere Schlitze 103 und 104 vorgesehen sein, wenn der mit dem Wager
verbundene, die Spule tragende Ring mit vier gleiche Abstände aufweisenden Rippen ausgerüstet ist.
Die Arbeitsweise des in F i g. 3 und 4 dargestellter magnetischen Aufbaus ist mit der in Verbindung mil
F i g. 1 und 2 beschriebenen Arbeitsweise identisch.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Linearer Schwingspulenmotor mit einem Permanentmagneten, der in Richtung der Schwingspulenbewegung
magnetisiert ist und die Schwingspule im zylindrischen Luftspalt zwischen Polschuhen
sowohl des die Anordnung umgebenden Gehäuses als auch des Permanentmagneten angeordnet
ist, wobei die axiale Länge der Schwingspule geringer ist als die axiale Länge der Polschuhe,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer parallel arbeitender Schwingspuien
(10a, lOojder am Permanentmagneten (16) angeordnete Polschuh entsprechend der Zahl der Schwingspulen
geteilt ist, die Teilpolschuhe (17a, i7b) aneinander anliegen und der Polschuh des Gehäuses
(18) dementsprechend mehrere kreisförmige Öffnungen (ISa, 196J aufweist.
2. Schwingspulenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Sättigung
zwischen den Polschuhen in jedem der Polschuhe anschließend an den zwischen den kreisförmigen
Öffnungen (19a, Wb) des Gehäuses (18) liegenden
Bereich mindestens ein axialer Schlitz (30) vorgesehen ist.
3. Schwingspulenmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schwingspule
auf einem ringförmigen Bauteil (48) angebracht ist, das eine Anzahl radialer Rippen (49)
aufweist, die in einer entsprechenden Anzahl radialer Schlitze der Polschuhe zu gleiten vermögen.
4. Schwingspulenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitz eines jeden Polschuhs
in einer Ebene liegt, die die Achsen der Polschuhe enthält und anschließend an den Bereich 3·>
zwischen den kreisförmigen Öffnungen (19a, i9b) liegt.
5. Schwingspulenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Polschuhe
vorgesehen sind, daß dabei jeder zwischen zwei Polschuhen liegende Polschuh mit mindestens zwei
radial einander gegenüberliegenden Schlitzen (101, 102, 103, 104) versehen ist und daß alle Schlitze in
einer Ebene angeordnet sind, die die Achsen der Polschuhe enthält.
6. Schwingspulenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Polschuh mit zwei sich in
axialer Richtung erstreckenden Schlitzen versehen ist, die in der die Achse der Polschuhe enthaltenden
Ebene liegen.
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