-
Bürstenloser Gleichstrcm-Linearmotor
-
Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrom-Linearmotor
mit mindestens einem Dauermagnet und bewickelten Eisenpaketen, deren Wicklungen
über steuerbare Halbleiter in Abhängigkeit von einem die Läuferstellung erfassenden
Stellungsdetektor geschaltet werden. Derartige Linearmotoren werden in feinwerktechnischen
Geräten als Positionierantriebe eingesetzt, z.B. in Schreibmaschinen zum horizontalen
Verfahren des Druckwerkes gegenüber dem feststehenden Papierbogen.
-
Bei der Anwendung des Linearmotors als Positionierantrieb soll das
zu verfahrende Aggregat, z.B. das Druckwerk der Schreibmaschine, die gewünschte
Stellung möglichst schnell erreichen.
-
Deswegen muß der Linearmotor möglichst hohe Kräfte aufbringen, um
ein Verstellen mit hoher Beschleunigung zu ermöglichen.
-
Derzeit werden Positionierantriebe für lineare Bewegungen vorwiegend
mit rotierenden Motoren ausgerüstet, wobei Untersetzungsgetriebe und Riementriebe
zwischengeschaltet werden. Daneben befinden sich bereits Linearmotoren, die nach
dem Prinzip des 3chrittmotors oder des bürstenlosen Gleichstrommotors arbeiten,
ii Einsatz oder in der Erprobung (Zeitschrift "Feinwerktechnik & Meßtechnik"
89 (1981), Heft 4, Seiten 163 bis 167), Bei Einsatz rotierender Motoren hat man
zwar den Vorteil, daß man auch mit Maschinen kleiner Leistung infolge des zwischen
geschalteten Untersetzungsgetriebes hohe Verstellkräfte aufbringen kann, jedoch
muß man den beachtlichen Aufwand für das
Getriebe in Kauf nehmen
und die Nachteile, die derartige Getriebe bezüglich der Dynamik des Antriebes mit
sich bringen.
-
Unter den Linearmotoren sind die Varianten, die nach dem Prinzip des
Schrittmotors arbeiten, wegen ihres dynamischen Verhaltens für Positionierantriebe
nicht ideal: sie neigen zu Läuferschwingungen und zeigen Schwächen beim Beschleunigen
von Massen.
-
Sehr günstig in ihrem Verhalten sind dagegen Gleichstrom-Linearmotoren.
Bekannte Lösungen erfordern allerdings einen hohen Materialensatz im Vergleich zu
rotierenden Gleichstroniziiotoren, da sie wegen der fehlenden Untersetzung für die
volle Größe der direkt angreifenden Verstellkraft konzipiert werden müssen.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Gleichstrom-Linearmotor
anzugeben, -der bei geringem Materialeinsatz hohe Kräfte abzugeben vermag.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst; insbesonderewsind für die Entwicklung hoher Kräfte die einander
am Luftspalt gegenüber stehenden Gruppen etwa 1 bis NOmm breiter Polzähne oder gleichbreiter
Dauermagnetpole entscheidend. Vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung sind in
den Unteranspruchen gekenazeichnet.
-
Die erzielbaren Yorteile bestehen darin, daß der erfindung gemäße,
direkttreibende Gleichstrom-Linearmotor vom Materialeinsatz kaum aufwendiger ist
als ein rotierender Gleichstrommotor, daß Jedoch die beim rotierenden Motor notwendigen
Untersetzungsgetriebe und Riementriebe entfallen. Dies führt zu einem einfachen
und zuverlässigen Gerateaufbau, der zudem noch dynamische Vorteile bietet.
-
Das Prinzip der Erfindung wird an Hand der Fig. 1, 2 und 3 erläutert.
In den Fig. 4 und 5 werden konstruktive Ausgestaltunger. der erfinderischen Idee
gezeigt, während Fige 6 eine be-
sonders einfache Ausführung des
unbewickelten Motorteils und Fig. 7 eine mögliche Konstruktion des Stellungsdetektors
zeigt.
-
In Fig. 1 ist ein auf das Wesentlichste reduzierter Gleichstrom-Linearmotor
dargestellt. Man kann sich vorstellen, daß dieser Motor durch Aufschneiden und Strecken
aus einem rotierenden Gleichstrommotor entstanden ist. Der Motor nach Fig. 1 besteht
aus einem bewickelten Motorteil, nämlich dem Eisenpaket 1.1 mit der Wicklung 5.1,
und dem unbewickelten Motorteil mit den Dauermagneten 3.1, 4.1 und dem Rückschluß
7.1. Nicht gezeichnet ist die Kommutierungseinrichtung, die die Wicklung 5.1 in
Abhängigkeit von ihrer Stellung zu den Dauermagneten 3.1, 4.1 so mit der Gleichspannungsquelle
verbindet, daß eine gleichgerichtete Kraft entsteht. Außerdem fehlen in Fig. 1 weitere
räumlich versetzte Wicklungen, die dafür sorgen, daß bei Stromumkehr in der Wicklung
5.1 die Kraft des Motors nicht vorübergehend Null wird. Mithin stellt Fig. 1,wie
vorausgehend bereits angemerkttnur einen Teil eines Gleichstrom-Linearmotors dar.
-
Auch die Fig. 2 und 3 zeigen vergleichbare Teile von Gleich strom-Linearmotoren,
Jedoch in anderer konstruktiver Ausbildung, Gemeinsam ist allen Konstruktionen der
Fig. 1 bis 3 der Aufwand an Dauermagnetmaterial und der resultierende Querschnitt
der Wicklung. Es werden also drei konstruktive Varianten verglichen, die vom Materialaufwand
etwa gleichwertig sind: nicht nur der Aufwand an Dauermagnetmaterial ist gleich,
sondern auch die Menge des Leitermaterials, zumindest wenn man die Länge der Wickelköpfe
vernachlässigt. Bezieht man aber die Länge der Wickelköpfe ein und betrachtet zudem
vergleichend die Querschnitte der Eisenpakete (1.1, 1.2, 1.3) und der Rückschlüsse
(7.1, 7.2, 7.3), so schneiden die Konstruktionen der Fig. 2 und 3 gegenüber der
Fig. 1 vom Material her günstiger ab.
-
Interessant ist nun bei den unterschiedlichen Konstruktionen der Fig.
1 bis 3 ein Vergleich der zwischen dem bewickelten und dem unbewickelten Motorteil
auftretenden Kräften. Ausge-
gangen wird von der Formel für die
Kraft F:
(Zeitschrift "Feinwerktechnik & Meßtehnik" 88 (1980), Heft 4, zeiten 177 bis
182).-Mit Rücksicht auf die Erwärmung wird tür alle Konstruktionen der Fig. 1 bis
3 die gleiche zulässige Wicklungsstromdichte vorgegeben. Wenn alle Ausführungen
mit Drähten gleichen Querschnitts bewickelt sind, dann sind auch die für die Berechnung
der Kräfte maximal zulåssigen Ström bei allen Konstruktionen gleich: in = Imax.
-
Um gleiche resultierende Querschnitt der Wicklungen zu erhalten, müssen
die beiden Teilwicklungen 5.2 und 6.2 in Fig. 2 jeweils die-Windungszahl N/2 aufweisen,
wenn die vergleichbaren Wicklungen 5,1 in Fig. 1 und 5.3 in Fig. 3 mit der Windungszahl
N ausgeführt sind.
-
Der Differentialquotient
stellt die Flußänderung über dem Weg s in der jeweiligen Spule dar. Wann man eine
konstante Luftspaltinduktion über den Dauermagnetenannimmt, dann gilt in Fig. 1
wobei # der magnetische Fluß eines Dauermagnetpoles ist und [# -(-#)] = 2# die maximale
Flußänderung die dann auftritt, wenn die Wicklung 5.1 sich gegenüber dem Dauermagnet
um Ep1 weiterbewegt. Man erhält damit für <1te Kraft F1 der Anordnung nach Fig.
1:
Bei der Konstruktion nach Fig. 2 ist die Polteilung tp2 gegenüber Fig. 1 auf die
Hälfte reduziert : #p2 = #p1/2. Damit gilt
hier für den Differentialquotienten:
Für die Kraft F2 infolge der beiden Wicklungen 5.2 und 6.2 erhält man:
Man erhält also durch Verkleinern der Polteilung gegenüber der Konstruktion in Fig.
1 keine größere Kraft.
-
Günstigere Verhältnisse ergeben sich dagegen bei der Konstruktion
nach Fig. 3, bei der das Eisenpaket 1.3 Gruppen schmaler Polzähne 9 aufweist. Das
dauermagnetische Material ist hier hochpolig aufmagnetisiert, wobei die Polteilung
#p3 der dauermagnetischen Pole (3.3, 4.3) der Zahnbreite entspricht.
-
Wenn man davon ausgeht, daß der magnetische Fluß nur über die engen
Luftspalte unter den Polzähnen und anschließend über die Zähne fließt, dann erhält
man hier die maximale Flußänderung in der Wicklung bereits, wenn man den bewickelten
Motorteil gegenüber den Dauermagnetpolen um eine Polteilung " weiterbewegt. Für
den Differentialquotienten gilt:
Hierbei ist (§/Ap1) #p3 der magnetische Fluß eines Magnetpoles und z = #p1/ 2 #p3
die Zahnzahl der bezüglich des Wicklungsflusses parallel liegenden Zähne.
-
Damit erhält man für die Kraft
Man ersieht aus dieser Formel, daß man die Kraft F3 nach Belieben
größer
machen kann als F1, wenn man die Polteilung tp3 der Dauermagnete bzw. die Breite
der Polzähne in Fig. 3 gegenüber tpfl in Fig. 1 hinreichend klein macht. Interessant
wird der Motor nach Fig. 3 aber erst, wenn tp3 C tp1/2 dimensioniert wird. Die untere
Grenze für die Zahnbreite tp3 dürfte erreicht sein, wenn der Luftspalt unter dem
Polzahn nicht mehr sehr klein gegenüber der Zahnbreite ist. Da fertigungstechnisch
Luftspalte um O,?mm realisierbar sind, scheint als geringste Zahnbreite ein Maß
von etwa Imin möglich. Andererseits dürfte die Konstruktion nach Fig. 3 ihre Vorteile
verlieren, wenn die Zähne breiter als etwa ?Omm werden.
-
Fig. 4 zeigt eine spezielle Ausgestaltung des Erfindungsgedankerns
Es sind hier zwei Eisenpakete 1 und 2 mit den zugehörigen Wicklungen 5 und 6 vorgesehen,
deren Zahngruppen in Bezug auf den unbewickelten Motorteil, bestehend aus den Rückschlüssen
7 und 8 mit den Zähnen 9, um eine halbe Zahnbreite versetzt sind. Die Wicklungen
5 und 6 sind über Leistungshalbleiter so mit der Gleichspannungsquelle verbunden,
daß mit Hilfe eines Stellungsdetektors zur Ansteuerung dieser Halbleiter die Wicklungsdurchflutungen
umgekehrt werden können. Da die Wicklungen 5 und 6 nicht gleichzeitig kommutieren,
wird zu keinem Zeitpunkt die Kraft des Motors Null.
-
m den Aufwand für das Dauermagnetmaterial zu reduzieren, sind in der
Ausführung nach Fig. 4 die Dauermagnete 3, 4 ebenfalls im bewickelten Motorteil
untergebracht. Damit bestehen die Rückschlüsse 7 und 8 dann nur noch aus weichmagnetischem
Material.
-
Der Vorteil der Polgruppen-Konstruktion gemäß Fig. 3 bleibt auch hier
weitgehend erhalten. Wenn man nämlich den bewickelten Notorteil gegenüber dem unbewickelten
nur um eine Zahnbreite weiterbewegt, ändert sich der magnetische Flus in der jeweiligen
Wicklung bereits vom positiven Maximalwert bis zum negativen Wsximalwert.
-
In der in Fig. 4 gezeichneten Stellung der gegeneinander ver-
schiebbaren
Motorteile treten die Flüsse der beiden Dauermagnete 3, 4 von den Nordpolen kommend,
die links von der Wicklung 5 befindliche Polzahngruppe des Eisenpaketes 1 durchfließend
in die gegenüberliegenden Polzähne des Rückschlusses 7 über. Der Fluß des Dauermagneten
4 durchsetzt dabei die Wicklung 5 in der Richtung von rechts nach links. Bewegt
man nun den bewickelten Motorteil um eine Zahnbreite nach rechts, dann nimmt der
gesamte Fluß des Dauermagneten 3 seinen Weg-durch die Wicklung 5 und zwar von links
nach rechts, um nun zusammen mit dem Fluß des Dauermagneten 4 über die einander
gegenüberstehenden Polzähne rechts von der Wicklung 5 den unbewikkelten Teil 7 zu
erreichen. Entsprechendes passiert mit einer räumlichen Verschiebung in der Wicklung
6, wenn die Flüsse Je nach Zahnstellung vom Eisenpaket 2 zum Rückschluß 8 übergehen.
-
Die Konstruktion nach Fig. 4 hat zudem den Vorteil, daß großflächige
Dauermagnete 3, 4 zwischen den Eisenpaketen 1 und 2 untergebracht werden können.
Da der magnetische Fluß jedoch nur über die schmalen Polzähne läuft, kommt es infolge
der Flußkonzentration zu hohen Luftspaltinduktionen. Dies ist aber für die Entwicklung
hoher Kräfte von großer Wichtigkeit. Luftspaltinduktionen um 1T sind bei der Konstruktion
nach Fig. 4 aber bereits mit preisgünstigen Bariumferrit-Dauermagneten erreichbar.
-
Der in Fig. 5 perspektivisch dargestellte Gleichstrom-Linearmotor
zeigt gegenüber Fig. 4 nur konstruktive Veränderungen.
-
Die Polzähne liegen alle in einer Ebene, so daß auch die für die beiden
Eisenpakete 1 und 2 notwendigen Rückschlüsse 7 und 8 in eine Ebene fallen. Aus diesem
Grund kann man die Rückschlüsse, wie in Fig. 6 gezeigt, durch einen Blechstreifen
mit ausgestanzten Rechteckfenstern realisieren. Die stehengebliebenen Stege bilden
dann die Polzähne 9.
-
Einen Vorschlag für den Stellungsdetektor, der bei bürstenlosen Gleichstrommotoren
zur Ansteuerung der Kommutierungsschaltung unerläßlich ist, zeigt Fig. 7. Der Dauermagnet
12, der in waagerechter Richtung magnetisiert ist, wirkt über die
weichmagnetischen
Polschuhe 10 und 11 auf die Polzähne 9 des unbewickelten Motorteils ein. Da das
Magnetsystem 10, 11, 12 zusammen mit den vier Feldplatten 13, 14, 15 und 16 fest
mit dem bewickelten Motorteil verbunden ist, liefern die verändërlichen Widerstandswerte
der Feldplatten die gewünschte Information über die Stellung der beiden Motorteile
zueinander.
-
Die Feldplatten 13 und 14 bzw. 15 und 16 sind Jeweils um eine Polzahnbreite
räumlich versetzt; elektrisch liegen sie in Reihe geschaltet Jeweils an Gleichspannung.
Das stellungsabhängeige Signal wird als elektrische Spannung an einer der in Reihe
geschalteten Feldplatten abgenommen. Zweck der Reihenschaltung ist es, die Temperaturabhängigkeit
dieser Elemente möglichst zu kompensieren. Jeweils die benachbarten Feldplatten
13, 14 bzw. 15, 16 dienen der Ansteuerung der elektronischen Schaltungsteile für
die Wicklungen 5 bzw. 6.
-
Der skizzierte Stellungsdetektor kann nicht nur zur Ansteuerung der
Kommutierungsschaltung benutzt werden, sondern in Verbindung mit einem elektronischen
Zähler auch zur Signalisierung des Istwertes der Isäuferstellung bei Positionierantrieben.
-
Selbstverständlich kann der beschriebene Gieichstrom-Iäinearmotor
auch wie Jeder bürstenlose Gleichstrommotor als Schrittmotor betrieben werden, wenn
die Ansteuerung der Kommutierungsschaltung nicht durch den Stellungsdetektor sondern
durch einen in der Frequenz einstellbaren Impulsgenerator erfolgt. Dieser Schrittmotor
hätte gegenüber bekannten Linear-Schrittmotoren den Vorteil, daß er auge bei Verwendung
von Bariumferrit als Dauermagnetmaterial noch hohe Kräfte erbringt.
-
Ob der bewickelte Motorteil oder der unbewickelte Motorteil als Ständer
benutzt wird, hängt von dem Anwendungsfall ab.
-
Man wird den bewickelten Teil dann zum Ständer machen, wenn man eine
flexible Zuleitung unbedingt vermeiden will und man für den Läufer soviel Platz
zur Verfügung hat, wie dem zweifachen Motorhub entspricht. Mit dem bewickelten Motorteil
als Läufer wird der Motor nur wenig länger als der Hub.
-
Leerseite