DE3123441C2

DE3123441C2 -

Info

Publication number: DE3123441C2
Application number: DE3123441A
Authority: DE
Inventors: Johann Von Der 7733 Moenchweiler De Heide
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1980-06-12
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1992-05-27
Also published as: JPS5775562A; US4633108A; DE3123441A1; IT8122260A0; IT8122062V0; CH655210A5; IT1136719B

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstromlinearmotor mit einer einen ferromagnetischen Rückschluß aufweisenden Dauermagnetanordnung und einer mehrsträngigen Wicklung, die an Führungsstangen linear gegeneinander bewegbar sind, wobei die Wicklung aus mehreren in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbaren Spulen besteht, insbesondere für Antriebe in der Datentechnik.

Bei bekannten Motoren dieser Art (DE-OS 26 54 075) ist auf der Innenseite mindestens einer von zwei parallelen, ferromagnetischen Schienen eine Reihe von senkrecht zu der Längsrichtung und in dieser Richtung abwechselnd magnetisierten Magneten angeordnet. Eine einen Teil eines Läufers bildende, relativ zu den Schienen bewegbare, stromdurchflossene Spulenanordnung weist mindestens zwei zwischen der einen Magnetreihe und der anderen Schiene bzw. zwischen den Magnetreihen beider Schienen in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnete Flachspulen auf, deren Breitseiten parallel zur Spulenbewegungsrichtung liegen und deren Teilung bei dreisträngigem Motor zur Magnetteilung im Verhältnis 4 : 3 steht. Der Läufer ist auf den Führungsstangen über Gleitschiebelager abgestützt. Bei der bekannten Anmeldung erhält der Luftspalt zwangsläufig eine relativ große Abmessung, was im Hinblick auf die Leistung des Motors unerwünscht ist. Außerdem läßt die Führung des Läufers zu wünschen übrig.

Es ist ferner ein mit Kollektor ausgestatteter Rotations-Gleichstrommotor bekannt (DE-OS 28 43 402), der eine feststehende, zweipolige Dauermagnetanordnung und einen Läufer mit mindestens drei in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden Polen aufweist, die von mindestens einem zusammen mit der Dauermagnetanordnung einen Luftspalt bestimmenden, genuteten Flußführungsteil gebildet sind und von denen jeder jeweils eine Spule einer dreisträngigen Wicklung trägt. Die Spulen sind mit zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse um den betreffenden Pol des genuteten Flußführungsteils herumgelegt. Das Verhältnis von Spulenteilung zu Magnetteilung beträgt 2 : 3. Die Spulenteilung beträgt 120°. Die Magnetpolbreite am Luftspalt liegt bei 75° bis 80°.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearmotor für sicheren Dauerbetrieb zu schaffen, der einfachen Aufbau mit hoher Leistung vereint.

Ausgehend von einem kollektorlosen Linearmotor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spulen der mehrsträngigen Wicklung jeweils um einen Pol mindestens eines zusammen mit der Dauermagnetanordnung einen im wesentlichen ebenen Luftspalt bildenden, genuteten Flußführungsteils, beispielsweise in Form eines Blechpakets oder eines Körpers aus Volleisen oder Sintereisen, mit zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse überlappungsfrei herumgelegt sind, daß das Verhältnis von Spulenteilung zu Magnetteilung 2 : 3 beträgt, und daß sich Rollen unter magnetischer Zugwirkung gegen die Führungsstangen anlegen.

Der Gleichstromlinearmotor nach der Erfindung läßt sich mit kleinem Luftspalt ausführen, und er hat einen besonders einfachen Aufbau. Durch die Anwendung von unter magnetischer Zugwirkung stehenden Rollen ist eine leichtgängige, gleichwohl aber sichere und exakte Führung des Läufers mit Bezug auf den Stator gewährleistet.

Beidseits des Läufers kann je eine Führungsstange vorgesehen sein, auf welcher der Läufer mittels einer Dreipunktabstützung gelagert ist. Diese Abstützung kann vorzugsweise durch zwei in der Bewegungsrichtung des Läufers in Abstand voneinander angeordnete, mit der einen Führungsstange zusammenwirkende Doppelkegelrollen sowie eine mit der anderen Führungsstange zusammenwirkende Zylinderrolle gebildet sein. Diese Art der Abstützung gewährleistet eine statisch stabile Lagerung, während gleichzeitig unvermeidbare Maßtoleranzen problemlos aufgenommen werden können, wobei für die Führung die magnetische Zugkraft ausgenutzt wird. Die Rollen lassen sich in einem Rahmen drehbar lagern, der auf der von den Rollen abgewendeten Seite der Führungsstangen eine Abfallsicherung, beispielsweise in Form von die Führungsstangen übergreifenden Nasen, trägt.

Die Pole des Flußführungsteils können im Interesse einer wirkungsvollen magnetischen Flußführung im wesentlichen T-förmig gestaltet sein. Die Magnetpolbreite in der Bewegungsrichtung kann zweckmäßig mindestens gleich der Größe der Spulenteilung sein. Die Wicklung kann vorzugsweise dreisträngig sein.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung kann die Magnetanordnung feststehen; der Läufer kann mindestens drei in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgende, jeweils eine Spule tragende Pole aufweisen. Dabei können mindestens zwei Läufer- Flußführungsteile mit zugehörigen Spulen symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Magnetanordnung sitzen. Es kann aber auch nur ein Läufer-Flußführungsteil vorgesehen werden, das mit Bezug auf die Magnetanordnung und eine mit dem Läufer verbundene Last derart angeordnet ist, daß der gemeinsame Schwerpunkt von Läufer und Last dem Luftspalt und/oder einer Läuferführungsbahn näher liegt als der Lastschwerpunkt und der Läuferschwerpunkt jeweils allein. Letzteres ist für eine ruhige, verschleißfreie Bewegung des Läufers von besonderem Vorteil.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform kann die Magnetanordnung als Läufer ausgebildet sein.

Der kollektorlose Motor kann eine elektronische Kommutierungseinrichtung aufweisen, mittels deren die Spulen in Abhängigkeit von der Läuferstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbar sind. Schließen in einem solchen Fall die einander abwechselnden Pole der Dauermagnetanordnung entlang der Bewegungslinie des Läufers mehr oder minder lückenlos aneinander an, kann die Kommutierungseinrichtung im direkten Feld der Dauermagnetanordnung sitzende, magnetfeldempfindliche Läuferstellungssensoren, beispielsweise Hallgeneratoren, Feldplatten, Magnetdioden, oder bistabil schaltende Hall-ICs, aufweisen. Grundsätzlich können aber auch optische oder mechanische Kommutierungssensoren vorgesehen sein.

Eine Ausführungsform mit stehender Magnetanordnung hat wegen geringer Spulenzahl auch den Vorteil eines minimalen Wicklungswiderstandes, verbunden mit einem besonders geringen mechanischen Aufwand zur Erstellung der Spulen. Es sind nur drei Magnetfeldsensoren notwendig. Wird mit stehender Wicklung gearbeitet, ergibt sich ein besonders leichter Läufer, der, abgesehen von den notwendigen Führungsmitteln, nur aus den Magneten und dem Eisenrückschluß zu bestehen braucht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotor mit feststehender Magnetanordnung, entlang einer Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den Motor entlang einer Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform mit symmetrischem Aufbau,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiter abgewandelten Ausführungsform mit stehender Wicklung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht der Dauermagnetpole und der Pole des genuteten Flußführungsteils im Luftspaltbereich, und

Fig. 6 eine schematische Ansicht ähnlich Fig. 5 für eine abgewandelte Ausführungsform.

Der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Linearmotor ist dreisträngig aufgebaut. Die drei Wicklungsstränge werden von Spulen 10, 11, 12 gebildet, die überlappungsfrei um je einen T-förmig gestalteten Pol 13 eines genuteten Flußführungsteils 14 herumgelegt sind, bei dem es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um ein Blechpaket handelt. Das Blechpaket 14 ist in einem, z. B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehenden, Rahmen 15 gehaltert, in dem zwei Doppelkegelrollen 16, 17 und eine Zylinderrolle 18 drehbar gelagert sind. Die Doppelkegelrollen 16, 17 wirken mit einer Führungsstange 19 zusammen, während die Zylinderrolle 18 einer Führungsstange 20 zugeordnet ist. Sicherungsnasen 21, 22 übergreifen die Führungsstangen 19, 20 an den von den Rollen 16, 17, 18 abgewendeten Seiten und bilden so eine Abfallsicherung. Polschuhe 23 der Pole 13 begrenzen gemeinsam mit einer Magnetanordnung 25 einen ebenen Luftspalt 26. Die Magnetanordnung 25 weist eine Folge von Magnetplatten 27 auf, die in einer Richtung abwechselnd magnetisiert sind, welche sich senkrecht zu der Bewegungsrichtung eines im wesentlichen von dem Blechpaket 14, den Spulen 10 bis 12 und dem Rahmen 15 gebildeten Läufers 28 erstreckt.

In Fig. 1 ist die Spulenteilung mit T_sp und die Magnetteilung mit T_m bezeichnet. Diese Teilungen stehen im Verhältnis 2 : 3. Die Magnetisierung hat einen im wesentlichen rechteckigen oder trapezförmigen Verlauf. Die Dauermagnetpolbreite sollte mindestens eine der Spulenteilung T_sp entsprechende Abmessung haben. Über den Magnetplatten 27 sitzt ein Eisenrückschluß 29. An Stelle der einzelnen Magnetplatten 27 kann auch ein entsprechend abwechselnd magnetisierter Magnetstreifen (in der Zeichnung nicht dargestellt) vorgesehen werden.

Durch die magnetische Zugwirkung legen sich die Rollen 16, 17, 18 gegen die Führungsstangen 19 bzw. 20 an. Die Sicherungsnasen 21, 22 schützen bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 den Läufer 28 gegen Herbfallen. Dabei bilden die Sicherungsnasen 21, 22 mit den Führungsstangen 19, 20 einen Gleitspalt 30 von beispielsweise etwa 0,3 mm Weite. Eine mit dem Läufer 28 verbundene Last 31, z. B. ein Druckkopf eines Datendruckers, ist in Fig. 2 angedeutet. Bei der asymmetrischen Bauweise des Motors gemäß den Fig. 1 und 2 kommt der Gesamtschwerpunkt von Läufer 28 und Last 31 mehr an den Luftspalt 26 bzw. die von den Führungsstangen 19, 20 gebildete Läuferführungsbahn zu liegen als der Schwerpunkt der Last 31 und der Schwerpunkt des Läufers 28 allein. Es wird auf diese Weise für eine besonders ruhige und verschleißfreie Bewegung des Läufers 28 gesorgt.

Für die Magnetanordnung 25 eignen sich u. a. kunststoffgebundene Magnete oder sogenannte Gummimagnete, d. h. Mischungen aus Hartferriten und elastischem Material. Es können aber auch Keramikmagnete oder Magnete aus Samariumkobalt vorgesehen sein.

Zur Strombeaufschlagung der Spulen 10, 11, 12 kann eine an sich bekannte (in der Zeichnung nicht dargestellte), elektronische Kommutierungseinrichtung (vergleiche beispielsweise DE-OS 26 54 075) vorgesehen sein. Als magnetfeldempfindliche Läuferstellungssensoren 35 eignen sich bei der veranschaulichten Ausbildung Hallgeneratoren, Hall-ICs, Feldplatten, Magnetdioden und dergleichen, die unmittelbar im Feld der Magnetanordnung 25 sitzen. Entsprechende Magnetfeldsensoren sind in den Fig. 1 und 2 als Läuferstellungssensoren 35 angedeutet.

In Fig. 3 ist schematisch eine symmetrische Ausbildung wiedergegeben, bei welcher zu beiden Seiten einer Magnetanordnung 38 jeweils ein dem Flußführungsteil 14 entsprechendes Flußführungsteil 39 bzw. 40 mit einer Gruppe Spulen 41 bzw. 42 und einem Eisenrückschluß 43 bzw. 44 sitzt.

Das Flußführungsteil 14 kann, falls erwünscht, auch mit mehr als drei Polen ausgestattet sein. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, mit sechs Polen zu arbeiten, die insgesamt sechs Spulen tragen, von denen jeweils zwei einen der drei Wicklungsstränge bilden.

Im Falle einer abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 4 steht die Wicklung fest. Diese Wicklung ist wiederum dreisträngig aufgebaut, und zwar jeweils aus Strängen 1, 2, 3. Spulen 46 sind überlappungsfrei um je einen Pol 47 eines Flußführungsteils, z. B. Blechpaket 48 herumgelegt. Die Pole 47 sind im wesentlichen T-förmig gestaltet. Ihre Polschuhe 49 bilden zusammen mit Magneten 50, 51, 52 eines Läufers 53 oder eines Wagens einen ebenen Luftspalt 54. Zu dem Läufer 53 gehört ferner ein Eisenrückschluß 55. Dem Läufer 53 ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte, zweckentsprechende Führung zugeordnet, die ein Verfahren des Läufers 53 in Richtung eines Pfeils 56 sowie entgegen seiner Richtung gestattet, wenn die Spulen 46 über eine geeignete Kommutierungseinrichtung (in der Zeichnung nicht gezeigt) in zweckentsprechender Folge mit Strom beaufschlagt werden.

Die Spulen 10, 11; 12, 41, 42; 46 des kollektorlosen Motors werden von der elektronischen Kommutierungseinrichtung in Abhängigkeit von der Läuferstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagt.

Die einander am Luftspalt gegenüberliegenden Lücken zwischen den Dauermagnetpolen und den Polen des genuteten Flußführungsteils sind vorzugsweise nichtparallel. Dabei zeigt Fig. 5 eine Ausführungsform, bei welcher die Lücken zwischen den Polen 23 des genuteten Flußführungsteils 14 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers 28 verlaufen, während die Lücken zwischen den Dauermagnetpolen 27 schräg dazu stehen. Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 6 sind die Lücken zwischen den Polen 23 des Flußführungsteils 14 und die Lücken zwischen den Dauermagnetpolen 27 gegensinnig schräg mit Bezug auf die Senkrechte zur Bewegungsrichtung des Läufers 28 gestellt.

Claims

1. Kollektorloser Gleichstromlinearmotor mit einer einen ferromagnetischen Rückschluß aufweisenden Dauermagnetanordnung und einer mehrsträngigen Wicklung, die an Führungsstangen linear gegeneinander bewegbar sind, wobei die Wicklung aus mehreren in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbaren Spulen besteht, insbesondere für Antriebe in der Datentechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (10, 11, 12, 41, 42, 46) der mehrsträngigen Wicklung jeweils um einen Pol (13, 47) mindestens eines zusammen mit der Dauermagnetanordnung (25, 38, 50 bis 52) einen im wesentlichen ebenen Luftspalt (26, 54) bildenden, genuteten Flußführungsteils (14, 39, 40, 48) mit zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse überlappungsfrei herumgelegt sind, daß das Verhältnis von Spulenteilung (T_sp) zu Magnetteilung (T_m) 2 : 3 beträgt, und daß sich Rollen (16, 17, 18) unter magnetischer Zugwirkung gegen die Führungsstangen (19, 20) anlegen.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits des Läufers (28) je eine Führungsstange (19, 20) vorgesehen ist, auf welcher der Läufer (28) mittels einer Dreipunktabstützung gelagert ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreipunktabstützung durch zwei in der Bewegungsrichtung des Läufers (28) in Abstand voneinander angeordnete, mit der einen Führungsstange (19) zusammenwirkende Doppelkegelrollen (16, 17) sowie eine mit der anderen Führungsstange (20) zusammenwirkende Zylinderrolle (18) gebildet ist.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (16, 17, 18) in einem Rahmen (15) drehbar gelagert sind, der eine Abfallsicherung, insbesondere in Form von Sicherungsnasen (21, 22), trägt.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (15) auf der von den Rollen abgewendeten Seite der Führungsstangen (19, 20) die Sicherungsnasen (21, 22) aufweist.

6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (13, 47) des Flußführungsteils (14, 39, 40, 48) im wesentlichen T-förmig gestaltet sind.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnetpolbreite in der Bewegungsrichtung mindestens gleich der Größe der Spulenteilung (T_sp) ist.

8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (Spulen 10, 11, 12; 41, 42; 46) dreisträngig ist.

9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnetanordnung (25, 38) feststeht und der Läufer (28) mindestens drei in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgende, jeweils eine Spule tragende Pole (13) aufweist.

10. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Flußführungsteile (39, 40) mit zugehörigen Spulen (41, 42) symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Magnetanordnung (38) sitzen.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Flußführungsteil (14) vorgesehen ist, das mit Bezug auf die Dauermagnetanordnung (25) und eine mit dem Läufer (28) verbundene Last (31) derart angeordnet ist, daß der gemeinsame Schwerpunkt von Läufer (28) und Last (31) dem Luftspalt (26) und/oder einer Läuferführungsbahn näher liegt als der Lastschwerpunkt und der Läuferschwerpunkt jeweils allein.

12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnetanordnung (50, 51, 52) dem Läufer (53) zugeordnet ist.

13. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kollektorlose Motor eine elektronische Kommutierungseinrichtung aufweist, mittels deren die Spulen (10, 11; 12, 41, 42; 46) in Abhängigkeit von der Läuferstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbar sind.

14. Motor nach Anspruch13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung im direkten Feld der Dauermagnetanordnung (25) sitzende, magnetfeldempfindliche Läuferstellungssensoren (35) aufweist.

15. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einander am Lufftspalt (26, 54) gegenüberliegenden Lücken zwischen den Dauermagnetpolen (27, 51, 52) und den Polen (23, 49) des genuteten Flußführungsteils (14, 39, 40, 48) nichtparallel sind.