DE3152717T1 - Elektromagnetischer Linearmotor - Google Patents

Description

Zaporozhsky Mashinostroitelny Institut Zaporozhie, UdSSR

Elektromagnetischer Linearmotor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Linearmotor mit einem rohrförmigen Gehäuse, an welchem ein Ständer mit ringförmigen Magnetpolen starr befestigt ist, zwischen denen Erregerwicklungen untergebracht sind, wobei die Pole mit ihren Polschuhen einen Anker bilden, welcher als ein in der Längsrichtung verschiebbarer zylinderförmiger Stab mit gleichmäßig nach dessen Länge verteilten Zähnen ausgeführt ist.

Linearmotore, welche in verschiedenen Industriezweigen sowie bei Verkehrsmitteln eingesetzt werden, weisen eine Reihe von Vorteilen auf, wobei der Hauptvorteil in praktisch vollem Wegfall von Zwischengetrieben zur Umwandlung der Drehbewegung in eine translatorische Bewegung besteht. Weitere Vorteile eines derartigen Linearmotors sind die Geräuschlosigkeit beim Betrieb,

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die Vermeidung von Umweltverschmutzung, die hohe Zuverlässigkeit und Fertigungsfreundlichkeit, der billige konstruktive Aufbau, die Einsatzmöglichkeit unter einen hohen Abdichtungsgrad erfordernden Bedingungen sowie die relativ einfache Bedienung etc. Schließlich gestatten es die Funktionsmöglichkeiten des elektrischen Linearantriebs, daß bei der Realisierung einer kontinuierlichen und diskontinuierlichen Bewegung mit Feinpositionierung und Folgeregelung unter Gewährleistung des Anhaltens, der Reversierung und Positionierung an den innerhalb eines Arbeitshubes vorgegebenen Punkten sowie bei einer Programmsteuerung von Bewegung die bestehenden geschlossenen und offenen elektronischen Steuersysteme in vollem Maße ausgenutzt werden können.

In diesem Zusammenhang ist ein elektromagnetischer Linearmotor zur geradlinigen Verschiebung von stab- bzw. röhrenförmigen Bauelementen, insbesondere von Regulierbzw. Abschaltstäben eines Kernreaktors bekannt (siehe DE-PS 12 86 638), welcher ein röhrenförmiges Gehäuse aufweist, auf dem Magnetpole in einem gleichen Abstand voneinander und zwischen diesen unabhängig voneinander einschaltbare Erregerwicklungen angeordnet sind, wobei jeweils benachbarte Erregerwicklungen entgegengerichtete Magnetfelder erzeugen. Innerhalb des Gehäuses ist ferner ein in der Längsrichtung verschiebbarer Anker untergebracht, welcher einen zylinderförmigen Stab mit nach dessen Länge gleichmäßig verteilten Zähnen trägt, deren Länge die der Magnetpole überschreitet. Die Pol- und Zahnteilung des Ankers sind dabei derart unterschiedlich gewählt, daß bei einer beliebigen Stellung des Stabes η +_ Ankerzähne gegenüber den Magnetpolen bzw. einer Gruppe von η Magnetpolen liegen. Die Breite der Magnetpole ist schließlich gleich der Summe aus der Breite eines Ankerzahnes und der doppelten Wanddicke des Gehäuses in dessen

dünnsten, zwischen den Magnetpolen liegenden und eine minimale Wanddicke aufweisenden Abschnitten.

Der bekannte Motor enthält einen Ständer mit einem verteilten Magnetsystem, welches aus einer Reihe von parallel eingeschalteten Magnetkreisen bildenden Magnet-1.Hjlon bouLulit , Dabei wUU v.ur Uraeuyuny der Nvitz^ugk^art nur ein geringer Teil des Arbeitsraumes des Motors ausgenutzt. Der Magnetfluß des Ständers wird nämlich durch die parallel geschalteten Abschnitte des Magnetkreises verzweigt, welche an den zwischen den entgegengesetzt eingeschalteten Wicklungen liegenden Hauptpol angrenzen. Die elektromagnetischen Kräfte zwischen jedem der Pole und den vom Magnetfluß durchgeflossenen Ankerzähnen weisen somit unterschiedliche Längsrichtungen auf und kompensieren sich gegenseitig in gewissem Maße, wodurch die resultierende Komponente der Zugkraft des Motors verringert wird. Demzufolge wird bei der elektromechanischen Energieumwandlung nur ein geringer Teil der durch die Erregerwicklungen tuzeuylen Energie ausgenutzt. Durcli die parallelen Magnetkreise wird auch die magnetische Streuung des Motors erhöht und damit die Differenz zwischen den magnetischen Leitwerten nach der Längs- und Querachse verringert, deren Größe der Zugkraft des Motors proportional ist. Dies führt schließlich dazu, daß die aktiven Werkstoffe des Motors schlecht ausgenutzt werden.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den elektromagnetischen Linearmotor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß durch Konzentration des Magnetfeldes innerhalb der Arbeitsbereiche des Ankers die Zugkraft des Linearmotors erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der

Ständer mit Hilfe nichtmagnetischer Abschnitte mindestens in drei Spulen aufgeteilt ist, von welchen jede drei ringförmige Magnetpole aufweist, die zu einem Magnetleiter gehören, in dessen Aussparungen Erregerwicklungen derart untergebracht sind, daß von ihnen erzeugte Magnetflüsse in dem mittleren Pol gleichsinnig ausgerichtet sind, wobei die Polteilung C jeder Spule der Teilung t der Zähne des Ankers entspricht, während die Zahnbreite gleich der Breite der Polschuhe ist, und wobei die Polschuhe jeder Spule bezüglich der Zähne des Ankers um

N — 1
die Größe ( )· t in der Längsrichtung verschoben

III Z

sind, worin N die Nummer der Spule nach der Einschaltfolge und m die Anzahl von Spulen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Aufteilung des Ständers durch nichtmagnetische Abschnitte in einzelnen magnetisch isolierten Spulen kann die unterschiedliche Richtwirkung von Längskomponenten der Zugkraft in Arbeitsbereichen des Ankers ausgeschlossen werden. Die magnetischen Streufelder werden dadurch verringert, daß bei der vorgeschlagenen baulichen Gestaltung der Magnetwiderstand für den Magnetfluß in zu dem Hauptmagnetkreis parallelen Magnetkreisen erhöht werden konnte. Somit wird durch Erhöhung der Konzentration des Magnetflusses im Arbeitsbereich der Polschuhe der Spulen und der Ankerzähne sowie durch Erhöhung der Differenz zwischen den magnetischen Leitwerten nach der Längs- und Querachse des Linearmotors eine Vergrößerung dessen Zugkraft gewährleistet.

Im allgemeinen erweist es sich als zweckmäßig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Linearmotor die inneren Seitenflächen der äußersten Pole jeder Spule kegelförmig ausgeführt sind, der mittlere Pol jeder Spule eine in der Radialrichtung gleiche Breite besitzt und wenn die Anker-

zähne einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die kleinere Grundlinie dieser trapezförmigen Fläche den Polschuhen zugekehrt ist und der Zahnbreite entspricht.

Bei einer derartigen Ausführung des erfindungsgemäßen Linearmotors kann eine Erweiterung des Wickelraumes und eine Konzentration des Magnetflusses am mittleren Pol der Spule dadurch erreicht werden, daß die Querschnittsfläche für den Magnetfluß sich mit der Verringerung des Halbmessers des mittleren Poles verkleinert.

Es ist ferner zweckmäßig, daß der erfindungsgemäße Linearmotor drei Spulen aufweist, welche dessen Phasen darstellen, wobei die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes zwischen diesen 1/3 der Zahnbreite beträgt, die ihrerseits (1/2)·T entspricht.

Der erfindungsgemäße Linearmotor kann auch mit vier Spulen vorsehen sein, welche einzelnen Phasen entsprechen, wobui die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes gleich der Hälfte der Zahnbreite entspricht, welche ihrerseits 1/2 T beträgt.

Auf der anderen Seite kann der erfindungsgemäße Linearmotor auch drei Spulen auf v/eisen, welche einzelnen Phasen entsprechen, wobei die Breite der nichtmagnetischen Abschnitte in diesem Fall gleich der Zahnbreite ist, welche ihrerseits 1/3 T beträgt.

Der erfindungsgemäße Linearmotor kann schließlich auch vier Spulen aufweisen, welche einzelnen Phasen entsprechen und zwei Paare bilden, wobei die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes zwischen diesen Paaren der

doppelten Breite des zylinderförmigen Zahnteiles und die Breite des Luftspaltes zwischen den Spulen jedes Paares der Zahnbreite entspricht, welche ihrerseits 1/4 τ beträgt.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten drei- und vierphasigen elektromagnetischen Linearmotore gewährleisten erhebliche lineare Verschiebungen des Stellgliedes bei relativ geringen Abmessungen des Ständers.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Ansicht teilweise im

Schnitt einer ersten Ausführungsform des Linearmotors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der Ständerspule des erfindungsgemäßen Linearmotors, wobei Fig. 2a eine Gesamtansicht im Schnitt und Fig. 2b eine Ansicht in der Richtung des Pfeiles A darstellt,

Fig. 3 abgewandelte Ausführungsformen des und 4 elektromagnetischen Linearmotors mit jeweils drei Spulen,

Fig. 5 abgewandelte Ausführungsformen des elek- und 6 tromagnetischen Linearmotors mit jeweils vier Spulen,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Abhängig-

keit der spezifischen Zugkraft von verschiedenen Parametern,

Fig. 8 zeitliche Diagramme des Arbeitsalgorithmus des elektromagnetischen Linearmotors mit drei Spulen bei verschiedenen Kommutierungsarten,

Fig. 9 idealisierte Kennlinien der statischen

Zugkraft des elektromagnetischen Linearmotors mit drei Spulen bei verschiedenen Kommutierungsarten, und

Fig. 10 zeitliche Diagramme des Arbeitsalgorithmus des elektromagnetischen Linearmotors mit vier Spulen bei verschiedenen Kommutierungsarten.

Gemäß Fig. T besitzt der erfindungsgemäße Linearmotor ein röhrenförmiges Gehäuse 1, an welchem ein Ständer 2 mit rinyföriuicjen Magnetpolen 3 starr befestigt ist, zwischen denen einschaltbare Erregerwicklungen 4 angeordnet sind. Außerdem weist der Linearmotor einen Anker 5 auf, welcher in der Längsrichtung, beispielsweise entlang von Führungen 6,verschiebbar geführt ist. Der Anker ist dabei in Form eines zylinderförmigen Stabes 7 ausgeführt, der entlang seiner Länge mit gleichmäßig verteilten Zähnen 8 versehen ist. Dabei sind die Pole 3 mit ihren Polschuhen 9 zu den Ankerzähnen 8 ausgerichtet.

Gemäß der Erfindung ist der Ständer 2 durch nichtmagnetische Abschnitte 10 mindestens in drei Spulen IL, 11„ und 11 aufgeteilt, wobei die Reihenfolge der Spulen in der Zeichnung von links nach rechts gewählt ist. Der

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nichtmagnetische Abschnitt 10 bildet dabei ringförmige Zwischenlagen, welche aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff hergestellt sind. Die Abschnitte 10 können jedoch auch als Luftspalte ausgeführt sein.

Jede Spule 11, beispielsweise die Spule 11.., weist drei Pole 3.. , 3_, 3., auf, wobei die Pole 3* und 3-. aussen zu liegen gelangen, während der Pol 3„ dem mittleren Pol entspricht. Die Pole sind durch ein Joch ^miteinander verbunden und bilden einen Magnetleiter. Die beiden Wicklungen 4., 4„, welche zwischen den Polen 3.. , 3~ ι 3-. anliegen, sind derart geschaltet, daß die von ihnen im mittleren Pol 3~ der Spule 11 erzeugten Magnetflüsse gleichgerichtet sind. Die Spulen 11 sind gegenseitig derart angeordnet, daß die Polschuhe 9 jeder von diesen Spulen bezüglich der Zähne 8 des Ankers 5 um die

Größe ( )· t in der Längsrichtung verschoben sind,

worin t die Zahnteilung des Ankers, N die Spulennummer in der Reihenfolge der Einschaltung und m die Anzahl von Spulen des Ständers 11 sind. Wie bereits erwähnt, sind die Spulen in der Zeichnung zum besseren Verständnis in der Reihenfolge ihrer Anordnung und nicht entsprechend der Reihenfolge ihrer Einschaltung numeriert.

Bei dem beschriebenen Linearmotor entspricht die Polteilung TT der Zahnteilung t der Ankerzähne 8, deren Breite gleich der Breite b der Polschuho 9 iah. Die Anzahl m von Spulen 11 bestimmt hingegen die Phasenzahl des Linearmotors. Fig. 1 zeigt dabei einen dreiphasigen elektromagnetischen Linearmotor, bei welchem entsprechend der Spulenreihenfolge 1I₁ - 11„ - 11., von links nach rechts durch Einschaltung der Spulen mit der gleichen Spulenreihenfolge 11₁ - 11„ - 11., eine Verschiebung nach rechts gewährleistet wird, was bedeutet, daß die Spulen-

reihenfolge in der Zeichnung und die Einschaltfolge übereinstimmen. Im Rahmen der Erfindung kann dabei durch Aufteilung des Ständers in nichtmagnetische Abschnitte mit einzelnen magnetisch isolierten Spulen eine Verringerung der Streuflüsse sowie eine Konzentration des Magnetflusses im Arbeitsbereich erreicht werden, wodurch die Zugkraft des erfindungsgemäßen Linearmotors erhöht wird.

In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors dargestellt. In diesem Fall sind die inneren Seitenflächen 13.. und 13- der Pole 3.. und 3., der Spule 11 kegelförmig ausgeführt, während der Pol 3₂ eine in der Radialrichtung gleiche Breite aufweist. Bei einer derartigen baulichen Ausgestaltung besitzen die Zähne 8 des Ankers 5 einen trapezförmigen Querschnitt, wobei die kleinere Trapezlinie den Polschuhen 9 zugekehrt ist und der Breite der Pole 2* -3_ entspricht. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors wird eine Erweiterung des Wickelraumes sowie eine Konzentration des Magnetflusses im mittleren Pol 3~ der Spule 11 dadurch erreicht, daß die Querschnittsfläche für den Magnetfluß mit Verringerung des Halbmessers des Poles 3₂ kleiner wird.

Der gezeigte Linearmotor stellt nur eine der möglichen Ausführungsvarianten aus einem massiven, d. h. nichtgeschichteten, ferromagnetischen Werkstoff dar. Gemäß Fig. 2b sind in der Spule 11 des Ständers 2 und im Anker 5 eines derartigen Linearmotors quer zu den Stromlinien verlaufende Längsnuten 14 vorgesehen, wodurch die Wirbelstromverluste herabgesetzt werden.

Fig. 3 und 5 zeigen jeweils einen dreiphasigen und

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einen vierphasigen elektromagnetischen Linearmotor gemäß der Erfindung, bei welchen die Breite der Ankerzähne 8 1/2T, d. h. einer Nutteilung a des Ankers 5 gleich ist. Die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes 10 zwischen den Spulen 11₁ bis 11. beträgt dabei bei dem dreiphasigen Motor b /3, d. h. einem Drittel der

Zahnbreite, während bei dem dieselbe b /2, d. h. die halbe Zahnbreite beträgt. Zur Erzielung einer Bewegung beispielsweise von links nach rechts müssen die Spulen jeweils in der Reihenfolge 1-3-2 bzw. 1-3-2-4 eingeschaltet werden. Dabei wird in der Reihenfolge der Einschaltung aufeinanderfolgender Spulen eine Verschiebung des Ankers um den Betrag t /m erreicht. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 ist aus diesem Grunde die Spule 11.. um den

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Betrag t /3 gegenüber der Spule 1I₁ versetzt, während bei der Ausführungsform von Fig. 5 die Versetzung zwischen der Spule 11. und 11. t /4 beträgt. Eine derartige Versetzung der Ständerspulen bezüglich des Ankers entspricht der bewährten Polversetzung bei Schrittmotoren, wodurch eine stabile Betriebsweise gewährleistet wird.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearmotors in dreiphasiger Auslegung, bei welchem zur Erhöhung der Zugkraft und des Wirkungsgrades die Ankerzahnbreite gleich einem Drittel der Zahnteilung (b = t /3) und die Breite der nichtmagnetischen Abschnitte 10 zwischen den Spulen 11 gleich sind. Durch Vergrößerung des Verhältnisses der Nutbreite zu der Zahnbreite werden dabei die Differenz zwischen den magnetischen Leitwerten nach der Längs- und Querachse des Linearmotors und damit auch dessen Zugkraft erhöht.

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Dieser Sachverhalt ist auch anhand der graphischen

Darstellung von Fig. 7 erkennbar, welcher die Abhängig-

keit der in der Richtung der Ankerverschiebung auf 1 cm der aktiven Zahnoberfläche einwirkenden spezifischen Kraft von Parametern <f und oc = a /b zeigt, worin a

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die Nutbreite des Ankers 5, b die Breite des Zahnes 8 und cf die Größe des Spaltes zwischen dem Anker 5 und den Polschuhen 9 sind. Diese versuchsweise ermittelten Abhängigkeiten sind dabei für verschiedene Größen des nichtmagnetischen Spaltes S angeführt. In den Kurven besitzen dabei die Parameter folgende Werte:

a - cT = 0,9 mm, b = 0,7 mm, c - S - 0,5 mm ot- S = o,3 mm und e - <f = 0,2 mm.

Ausgehend von den Forderungen an die Zugkraft des Linearmotors wurde die Form der kegelförmigen Ankerzylinder entsprechend der Versetzung der Ankerzähne und Pole der Stiinderapulo gewiih.lt.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearmotors in vierphasiger Auslegung. Bei diesem Linearmotor bilden die vier Spulen zwei Spulenpaare 11. und 11₂ sowie 11., und II4· Dabei entspricht die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes zwischen den Spulen 1I₁ und 1 1 „ sowie zwischen den Spulen 11-, und 11. der doppelten Zahnbreite 2 b , während die Brei-

J 44 Z

te des nichtmagnetischen Abschnittes zwischen den Spulen 112 ^un^ 11·} gleich der Breite b der Zähne 8 ist, welche ihrerseits 1/4 t beträgt. Bei einer Einschaltung der Spulenwicklungen in der Reihenfolge 11. bis 11. ergibt sich eine entsprechende Bewegung von links nach rechts. Auch bei dieser Ausführungsform wird eine hohe Zugkraft der Spu-

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le erreicht, während auf der anderen Seite die Verschiebung jeder nach der Reihenfolge der Einschaltung nächstfolgenden Spule in Bezug auf die Stellung der Ankerzähne um 1/4 der Zahnteilung des Ankers im Vergleich zu der vorhergehenden Spule eine stabile Betriebsweise des Linearmotors gewährleistet. Durch gleichzeitiges Einschalten mehrerer Spulen sowie durch Auswahl der Abschrägungsform von Ankerzähnen kann ferner eine zufriedenstellende Abhängigkeit der Zugkraft des Linearmotors von der Koordinate der Ankerverschiebung erreicht werden.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearmotors soll anhand der Ausführungsform von Fig. 4 unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 erläutert werden.

Es wird angenommen, daß zum Anfangszeitpunkt Spannung an die Spule 1I₁ des Ständers 2 gelegt wird. Beim Stromdurchfluß durch die im linken und rechten Fenster der Spule 1I₁ untergebrachten Wicklungen ergeben sich im mittleren Pol Magnetflüsse, welche die gleiche Richtung aufweisen. In jeder der beiden Hälften des Magnetleiters der Spule 11- des Ständers 2 werden ferner Magnetflüsse hervorgerufen, welche im mittleren Pol 3- summiert werden. Aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes mit den Zähnnen 8 des Ankers 5 nimmt derselbe die in Fig. 8a gezeigte Gleichgewichtsstellung entsprechend Position I ein. In dieser Stellung liegen die Ankerzähne unter den Magnetpolen der eingeschalteten Spule 11-i · Um eine Verschiebung des Ankers nach rechts zu erreichen, wird mittels einer Kommutierung die Spule 11. abgeschaltet und die Versorgungsspannung an die Wicklungen der Spule 11₃ angelegt. Unter der Wirkung der elektromagnetisehen Kräfte, welche auf die im Bereich der Magnetpole der Spule 11-, liegenden Ankerzähne

einwirken, wird dabei der Anker um einen Schritt verschoben, so daß dessen Zähne unter den Polen der Spule 11., zu liegen gelangen, in welchem Zustand der dem Magnetfluß entgegengesetzte Widerstand verringert ist, indem der Anker in Position II die Stellung eines magnetischen Gleichgewichtes einnimmt. Die Ankerzähne nehmen dabei im Bereich der Spule 11, eine für eine nachfolgende Bewegung in der gleichen Richtung und im Bereich der Spule 11₂ eine für eine Umkehr vorbereitete Stellung ein. Durch Abschaltung der Spule 11-. und Einschaltung der Spule 11- ergibt sich eine weitere Bewegung nach rechts, wodurch die Position III in Fig. 8a erreicht wird. Der Linearmotor arbeitet bei einer aufeinanderfolgenden Dreitaktkommutierung nach einem folgenden Algorithmus 11.. - 11 -. - 11₂ - 1I₁ für eine Bewegung nach rechts. Wenn die Verschiebungsrichtung geändert werden soll, sind die Spulen in der umgekehrten Reihenfolge nach dem Algorithmus 11..-11~ - 11, - 1I₁ für eine Bewegung nach links umzuschalten.

Fig. 9a zeigt die idealisierte Kennlinie der synchronisierenden statischen Kraft F(x) bei einer aufeinanderfolgenden Dreitaktkommutierung gemäß Fig. 8. Der Schnittpunkt von Kennlinien der Zugkraft F₁ und F- der entsprechenden Spulen 1I₁'und 11, entspricht dabei der höchsten Anzugskraft F des Linearmotors. Der Bewegungswiderstand bzw. die Belastung F„ bestimmt dabei den statischen Fehler Δ χ des Linearmotors. Falls die Abklingzeit der elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge die der mechanischen Ausgleichsvorgänge wesentlich unterschreitet, entspricht der Phasenkommutierung eine momentane Verschiebung der synchronisierenden statischen Kraft um einen Schritt aus der Position F.. in die Position F,.

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Eine paarweise Dreitaktkommutierung, bei welcher zwei Spulen des Linearmotors gleichzeitig eingeschaltet werden, ist in den Fig. 8b und 9b dargestellt, während eine Sechstaktkonvmutierung in den Fig. 8c und 9c dargestellt ist. Bei der paarweisen Dreitaktkommutierung kann in der Abhängigkeit von der Form der Kennlinie der synchronisierenden statischen Kraft, durch Summieren der Kräfte zweier Spulen eine unterschiedliche Steilheit der resultierenden Kraft erreicht und damit die Stabilität und Dämpfung der Ankerschwingungen verbessert werden. Eine Sechstaktkommutierung gestattet es hingegen, den Schritt des Linearmotors um die Hälfte zu verringern, d.h. durch Änderung der Einschaltfolge von Spulen des Linearmotors eine Schrittverkleinerung zu erzielen.

In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Linearmotor kann eine Steuerschaltung eines lokal geschlossenen Antriebs verwendet werden. Eine derartige Steuerschaltung kann ein Addierglied sowie einen dazu in Reihe geschalteten elektronischen Kommutator aufweisen. Eine derartige Steuerschaltung ist ferner mit einem Schrittgeber versehen, dessen Eingang an den Eingang des Linearmotors und an einen der Eingänge des Addiergliedes angeschlossen ist, an dessen anderen Eingang ein vorgegebenes Steuersignal gegeben wird. Eine derartige Steuerschaltung gestattet es, den erfindungsgemäßen Linearmotor in eine kontinuierliche Bewegung zu versetzen. Der Ausgang des Schrittgebers wird zu diesem 'Zweck an den Eingang des elektronischen Kommutators derart angeschlossen, daß die Spulenkommutierung in der Ankerstellung gemäß Fig. 9 in diskreten Positionen x., x„, x^ erfolgt. Wie es aus der Betrachtung der statischen Kennlinien der Zugkraft ersichtlich ist, wirkt in diesem Fall auf den Anker des Linearmotors innerhalb des Abschnitts OX₁ die elektromagnetische Kraft

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der Spule 11- und innerhalb des Abschnitts X₁X₂ die durch gleichzeitig eingeschaltete Spulen 1I₁ und 11 gemeinsam erzeugte Kraft ein. Die Kräfte, welche sowohl von einer Spule, beispielsweise innerhalb der Abschnitte OX₁, X„X~, X.Χ., als auch von zwei gleichzeitig eingeschalteten Spulen, beispielsweise innerhalb der Abschnitte X₁X-, X..X., Xc-X,, erzeugt werden, weisen dabei den gleichen Charakter auf. Dabei wirkt auf den Anker des Linearmotors eine resultierende Kraft ein, welche eine Gleichstromkomponente sowie Oberschwingungen enthält, wobei letztere mit Hilfe des elektronischen Kommutators und des Spannungsreglers herabgesetzt werden können.

Beim Anliegen des vorgegebenen Steuersignals am Eingang des Addiergliedes beginnt sich der Anker des Linearmotors unter Wirkung der elektromagnetischen Kräfte zu verschieben, welche von den nach einem bestimmten Algorithmus eingeschalteten Spulen entsprechend der folgenden Tabelle erzeugt sind:

Tabelle

Ankerstellung	OX1	X1X2	X2X3	X3X4	X4X5	X5X6
Eingeschaltete Spulen	1	1,2	2	2,3	3	3,1

Die Einschaltung der Spulen erfolgt dabei unter Wirkung dor von einem Geber ankommenden Vorschubimpulse, wobei der Anker des Linearmotors allmählich anläuft. Dabei

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wird in der Steuerschaltung des lokal geschlossenen Antriebs sowohl ein Procjramman lauf ala auch eine Proyranunbremsung des Linearmotors unter Aufrechterhaltung optimaler Ansprecheigenschaften des Antriebs gewährleistet.

Zusammenfassend ergibt sich, daß der erfindungsgemäße elektromagnetische Linearmotor eine hohe Zugkraft sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ferner können die äußeren Abmessungen des erfindungsgemäßen Linearmotors reduziert werden, weil für dessen Betrieb im allgemeinen drei Doppelspulen ausreichen, was ebenfalls zu einer Verringerung der Herstellungskosten und zu einer Konstruktionsvereinfachung führt. Der erfindungsgemäße Motor ermöglicht dabei beträchtliche lineare Verschiebungen des Stellgliedes bei relativ geringen Abmessungen des Ständers, was im Bereich der Robotertechnik von besonderer Bedeutung ist. Da bei dem beschriebenen elektromagnetischen Linearmotor mehrere Spulen gleichzeitig eingeschaltet werden, wird ferner der Ausnutzungsfaktor des Linearmotors erhöht. Der erfindungsgemäße Linearmotor weist schließlich eine hohe Zuverlässigkeit sowie einen Bedienungskomfort auf. Die elektronischen Steuerschaltungen gestatten es, unterschiedliche dynamische Zustände des Antriebs unter Gewährleistung des Anlaufes und der Bremsung nach einem vorgegebenen Programm, des Anhaltens, Fixierens und der Reversierung in frei wählbaren diskreten Punkten des Arbeitshubes, der kontinuierlichen Bewegungsart usw. zu realisieren. Der Linearmotor arbeitet zudem geräuschlos und verursacht keine Umweltverschmutzung. Der Linearmotor kann schließlich auch noch wasser- und luftdicht ausgeführt werden, so daß er unter Extrembedingungen einsetzbar ist.

Der erfindungsgemäße elektromagnetische Linearmotor

ist zweckmäßig in Verbindung mit elektrischen Antrieben von Robotern und Manipulatoren verwendbar, welche in einem rechtlinigen Koordinatensystem arbeiten. Ferner kann der erfindungsgemäße Linearmotor bei automatischen Werkzeugmaschinen und Kassettenaufgebevorrichtungen zur Parameterkontrolle von eine programmgesteuerte Verschiebung in die vorgegebene Position gewährleistenden Mikroschaltungen sowie in Steuereinrichtungen von Kernreaktoren, in Transporthilfseinrichtungen von automatisierten Fertigungsstraßen, in Aufgabe- und Beschickungseinrichtungen, in Zeichenautomaten sowie in der Medizintechnik Verwendung finden.

Claims (6)

Ansprüche

1. Elektromagnetischer Linearmotor mit einem rohrförmigen Gehäuse, an welchem ein Ständer mit ringförmigen Magnetpolen starr befestigt ist, zwischen denen Erregerwicklungen untergebracht sind, wobei die Pole mit ihren Polschuhen einen Anker bilden, welcher als ein in der Längsrichtung verschiebbarer zylinderförmiger Stab mit gleichmäßig nach dessen Länge verteilten Zähnen ausgeführt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Ständer (2) mit Hilfe nichtmagnetischer Abschnitte (10) mindestens in drei Spulen (11., 11„, IL) aufgeteilt ist, von welchen jede drei ringförmige Magnetpole (3^, 3„, 3.,) aufweist, die zu einem Magnetleiter gehören, in dessen Aussparungen Erregerwicklungen (4) derart untergebracht sind, daß von ihnen erzeugte Magnetflüsse in dem mittleren Pol (3„) gleichsinnig ausgerichtet sind, wobei die Polteilung T jeder Spule (11) der Teilung t, der Zähne (8) des Ankers (5) entspricht, während die Zahnbreite gleich der Breite der Polschuhe (9) ist, und wobei die Polschuhe (9) jeder Spule (11) bezüglich der Zähne

N - 1 (8) des Ankers (5) um die Größe ( )«t in der Längs-

ill L·* .

richtung verschoben sind, worin N die Nummer der Spule (11) nach der Einschal. l;folge und m die Anzahl von Spulen (11) sind.

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2. Linearmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die inneren Seitenflächen (1S₁ , 13_?) der äußersten Pole (3.. , 3-.) jeder Spule (11) kegelförmig ausgeführt sind, während der mittlere Pol (3„) jeder Spule (11) eine in der Radialrichtung gleiche Breite aufweist,und daß die Zähne (8) des Ankers (5) einen trapezförmigen Querschnitt besitzen, wobei die kleinere Trapezlinie den Polschuhen (9) zugekehrt ist und der Zahnbreite entspricht.

3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

da ß (Uvrüelbo drei den Phasen entsprechende Spulen (1I₁, 11„, 11-,) aufweist, wobei die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes (10) einem Drittel der Zahnbreite entspricht, welche ihrerseits 1/2 % beträgt.

4.'Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß derselbe vier den Phasen entsprechende Spulen (1I₁, 11 -, 11o und 11,) aufweist, wobei die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes (10) der Hälfte der Zahnbreite entspricht, welche ihrerseits 1/2 Z beträgt.

5. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, d.ulureli 'ickciiii/.i · I chnul,

daß derselbe drei den Phasen entsprechende Spulen (1I₁, 11₂, 11.,) aufweist, wobei die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes (10) der Zahnbreite entspricht, welche ihrerseits 1/3 TT beträgt.

6. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß derselbe vier den Phasen entsprechende Spulen (1I₁, 11 _?, 11., und 11₄) aufweist, welche zwei Paare (1I₁, 11 _? und 11,, 11.) bilden, wobei die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes (10) zwischen diesen Spulenpaaren der doppelten Zahnbreite und die Breite des nichtmagnetischen Abschnittes (10) innerhalb dieser Spulenpaare (1I₁ - 11« sowie 11- - 11₄) der Zahnbreite entspricht, welche ihrerseits 1/4 ^rC beträgt.