DE3317523A1

DE3317523A1 - Lageranordnung mit magnetischer vorbelastung fuer linear-motoren

Info

Publication number: DE3317523A1
Application number: DE19833317523
Authority: DE
Inventors: Joseph A. 95070 Saratoga Calif. Bourque; Leonard N. 24141 Radford Va. Wedman
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1982-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1983-11-17
Also published as: JPS58207859A; NL8301677A; GB8312007D0; GB2121889B; GB2121889A; FR2526603B1; DE3317523C2; IT8348260A0; US4415821A; FR2526603A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung für elektrische Motoren, und insbesondere für bürstenlose Linear-Motoren mit beweglichen Permanentmagneten. Der bewegliche Teil oder Läufer eines linearen Motors wird in der Regel auf einem Schlitten oder Wagen geführt; hierfür sind besondere Führungskonstruktionen erforderlich, die gleichzeitig für die Konstanthaltung des Luftspaltes sorgen sowie für eine Steuerung dessen lateraler Position, Außerdem ist es notwendig, jegliche Rotationsbewegung flacher beweglicher Bauteile auszuschließen. Bisher bestanden Schlitten oder Wagen für die Läufer von Linearmotoren aus parallel angeordneten Führungsstangen und linearen Lagern.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine lineare Lageranordnung mit geringererReibung und größerer Präzision als bi sher üblich.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand besteht in einer besseren Ausnutzung des Motors, ohne die Motorfunktion negativ zu beeinflussen.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linear-Motor, bestehend aus einem elektromagnetischen Stator mit Statorwicklungen und einer entsprechenden Stromversorgungseinrichtung für diese, sowie einem relativ hierzu linear beweglichen Permanentmagneten als Läufer, der mit einem der Linearbewegung folgenden Wagen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Linear-Motor weiterhin zur Begrenzung der Linear-Bewegung einen Führungsstab aufweist, der in je einem jenem Wagen zugeordneten Linearlager geführt wird, sowie ein Kugellager, das eine seitliche Drehung des Wagens um den Führungsstab verhindert, und daß der Permanentmagnetläufer derart asymmetrisch im Luftspalt des Linear-Motors angeordnet ist, daß durch die magnetische Anziehungskraft die Führungs des Einkugel1agers am Wagen gegen die Lagerkugel gepreßt wird. Die erfindungsgemäße Lageranordnung besteht aus nur einem Führungsstab, der in-einem oder mehreren linearen Lagern gelagert ist. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion mit nur einem Führungsstab werden Justierprobleme und seitliche Ver-

drehungen vermieden. Anstelle des zweiten Führungsstabes wird ein frei bewegliches Kugellager verwendet zur Vermeidung von Drehbewegungen des Wagens. Dieses Kugellager liegt zwischen einer Rille und einer ebenen Oberfläche. Der bewegliche Permanentmagnet im Linear-Motor ist asymmetrisch im Luftspalt angeordnet, so daß auf das Lager eine konstante magnetische Kraft ausgeübt wird und es gleichzeitig eine mechanisch stabile Einheit bildet.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des Wagens zum Bewegen der Magnetanordnung des Motors einschließlich der erfindungsgemaßen Lageranordnung.

Fig. 2 ist ein Querschnitt und stellt die Statorwicklungen des Linear-Motors in Verbindung mit dem beweglichen Perma nentmagneten dar.

Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2.

Die Fig. 1 bis 3 stellen eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Linear-Motors mit der magnetisch vorbelasteten La- geranordnung dar. Der Läufer weist einen Permanentmagneten 10 auf, dessen Magnetlinien quer zur Fortbewegungsrichtung verlaufen, beispielsweise von oben nach unten, wie in Fig. 1 gezeigt. Der Wagen für den Permanentmagneten 10 wird mit Hilfe des Führungsstabes 12 und den diesem zugeordneten Linear-Lagern 14 und 16 auf der einen Seite des Magneten 10 und einem Kugellager 18 auf der anderen Seite des Magneten 10 geführt.

Das Statorteil des Motors ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und besteht aus einem U-förmigen Kern 20 und den parallelen Schenkeln 22 und 24, die über das Brückenteil 26 miteinander verbunden sind. Die Schenkel 22 und 24 erstrecken sich parallel zur Bewegungsachse. Der Kern 20 besteht aus magnetischem Material und kann entweder gesintertes oder laminiertes Eisen sein, abhängig von den geforderten Wirbelstrom- und Hysterese-Charakteristiken. Der magnetische Fluß des Permanentmagneten 10 geht vom Nordpol aus (Oberfläche des Magneten, wie in Fig. 2 gezeigt), überquert den Luftspalt und ver-

läuft dann durch den Schenkel 22, das Brückenteil 26 und den Schenkel 24 zurück über den Luftspalt zur Südpol-Oberfläche des Magneten 10.

Die Schenkel 22 und 24 des Kernes 20 sind von spulenartigen Wicklungen 30 und 32 umgeben, die untereinander verbunden sind, so daß der Strom um den Schenkel 22 im Uhrzeigersinn und um den Schenkel 24 entgegen dem Uhrzeigersinn fließt. Durch diese Verbindung fließt der Strom in beiden Wicklungen in der gleichen Richtung für den Teil im Luftspalt zwischen den Schenkeln 22 und 24. Wie aus Fig. 2 ersichtlich/ fließt der Strom in Richtung auf den Betrachter im Teil innerhalb des Luftspalts, und in Fig. 3 von links nach rechts, v/ie durch die Pfeile angezeigt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Wicklungen vergleichsweise flach, um so den Luftspalt zwischen dem Magneten 10 und den Schenkeln 22 und 24 möglichst gering zu machen. Die gesamte Motorkonstruktion, bestehend aus den verhältnismäßig flachen Spulen, der Kernanordnung und dem Permanentmagneten, ist sehr flach, wie dies auch aus der Fig. 3 ersichtlich ist.

Die Kraft, die den Magneten in Längsrichtung verschiebt, wie aus dem Doppelpfeil in Fig. 2 ersichtlich, entsteht aus dem Zusammenwirken des Magnetflusses vom Magneten 10 und des Stromflusses durch die Leiter innerhalb des Luftspaltes. Die erzeugte Kraft ist das Produkt aus der magnetischen Kraftliniendichte des Permanentmagneten und dem Wicklungsstrom und der effektiven Länge der Wicklungen im Luftspalt. Werden die Wicklungen 30 und 32 mit Strom versorgt, dann erzeugen sie einen magnetischen Fluß im Kern 20, der keine brauchbare Wirkung auf die Linearbewegung hat. Deshalb sollten Maßnahmen ergriffen werden, um die Reluktanz auf dem Weg dieses Magnetflusses zu erhöhen, während gleichzeitig keine Behinderung oder negative Beeinflussung der Reluktanz des vom Permanentmagneten ausgehenden Kraftflusses eintreten darf. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Kernstruktur an einem Ende zwischen den Schenkeln 22 und 24 mit einem nicht-magnetischen Material verschließt. Zur weitgehenden Verringerung von Streufeldern ist am offenen Ende des Kernes 20

eine dünne magnetische Platte 34 vorgesehen, die aber durch ein nicht-magnetisches Distanzstück 36 von den Schenkelenden 22 und 24 getrennt ist. Das Distanzstück 36 wird in seinen Abmessungen so gewählt, daß ausreichend Reluktanz in der Schleife vorhanden ist, so daß eine magnetische Sättigung des Wicklungsstromes vermieden wird.

Der Permanentmagnet 10 ist vorzugsweise recht stark und geeignet für die Arbeit im relativ großen Luftspalt, der ausreicht, um die Motorwicklung darin unterzubringen.

Vorzugsweise besteht der Permanentmagnet 10 aus einer gesinterten Samarium-Kobalt-Legierung. Solche Magnete sind für ihre große Stärke und hohe Koerzitivkraft bekannt und eignen sich hervorragend für magnetische Vorrichtungen mit großem Luftspalt.

Wie aus den Fig. 1. und 3 ersichtlich, ist der Permanentmagnet 10 so magnetisiert, daß die Kraftlinien senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen.

Die Träger 40 und 41 für den Wagen sind auf beiden Seiten zum Permanentmagneten hin mit Schwalbenschwanz-förmigen Schlitzen versehen, in die die Schwalbenschwanz-förmigen Fortsätze 11 und 11' am Magneten 10 eingreifen und so zur Befestigung dienen.

Der Träger 41 weist ein Paar sich nach außen erstreckende Vorsprünge 44 und 45 auf, die mit einer öffnung zur Aufnahme der linearen Lager 14 und 16 versehen sind, in denen der Führungsstab 12 gelagert ist. Der Führungsstab 12 ist so angeordnet und sicher befestigt, daß der Permanentmagnet 10 und die Wagenanordnung sich linear zwischen den Schenkeln 22 und 24 des Motors bewegen können (Fig. 2).

Der Träger 40 auf der gegenüberliegenden Seite des Magneten 10 weist das Kugellager 18 auf. Auf der Unterseite der Trägerplatte 40 befindet sich eine V-förmige Rille 50, in der das Einkugellager 18 frei beweglich ist. Der feste Lagerträger weist eine Vertiefung 62 auf, in der das Einkugellager 18 ruht. Um die V-förmige Rille 50 auf der Unterseite der Trägerplatte 40 und die Vertiefung 62 zu zeigen, sind in Fig. 1 entsprechende Teile weggelassen; in der Praxis ist das Werkstück an den Enden geschlossen.

Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung befindet sich der Permanentmagnet 10 absichtlich nicht in der Mitte zwischen den Schenkeln 22 und 24, sondern ist dem Schenkel 22 des Kernes 20 angenähert, so daß ständig ein magnetischer Zug abwärts in Richtung auf den Schenkel 24 wirkt. Diese abwärts wirkende magnetische Kraft hält die Trägerplatte 40 mit der Rille 50 in Kontakt mit dem Kugellager 18, so daß dieses nicht herausfallen kann. So wird die herrschende magnetische Kraft des Motors zum Festhalten des Kugel.lagers genutzt.

Wie aus den Figuren ersichtlich, begrenzt der Führungsstab 12 mit den linearen Lagern 14 und 16 die Wagenbewegung entlang dem linearen Weg parallel zur Achse des Führungsstabes 12, während das Kugellager 18 und die mit diesem zusammenwirkenden Oberflächen eine Rotation des Wagens um den Führungsstab 12 verhindern.

Die erfindungsgemäße Anordnung mit nur einem Führungsstab, kombiniert mit einem Kugellager, reduziert die Reibung, erübrigt die Justierung und vermeidet Verdrehungen, die bei parallel angeordneten Führungsstäben häufig auftreten. Weiterhin macht die Verwendung der magnetischen Kraft des Motors zur magnetischen Vorbelastung des Kugellagers die sonst üblichen Kugelsperren überflüssig.
Der Magnetwagen kann zur Bewegung jeden beliebigen Gegenstandes ausgerüstet werden. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dient der Wagen zur Führung eines Schreib- und Lesekopfes eines flexiblen magnetischen Plattenantriebs. Die Kopfanordnung 74 ist auf dem Träger 73 über die Vorsprünge 44 und 45 sicher befestigt, beispielsweise mit einem Kleber.

Der Schreib- und Lesekopf ist elektrisch mit einem elektronischen Lese- und Wiedergabe-Steuerkreis über die Leiter 90 und 92 verbunden.

Die lineare Bewegung des Permanentmagneten im Linear-Motor sorgt für eine Bewegung der Schreib- und Lesekopfanordnung, so daß diese auf der Scheibe von Spur zu Spur bewegt wird. Wir der Linear-Motor als Teil eines Positions-Servosystems verwendet, so wird er vorzugsweise mit einem Meßwandler aus-

gerüstet. In Fig. 3 befindet sich ein Positionsmeßwandler 70 im Luftspalt zwischen dem Permanentmagnet und dem Schenkel 22. Der Meßwandler besteht aus einem beweglichen, direkt am Magneten 10 befestigten Teil 71 und einem an der 5 Oberfläche der Wicklung 30 befestigten Statorteil 72. Die Teile 71 und 72 bestehen aus einem Schaltbild auf der Oberfläche einer dünnen Unterlage, die nach Art einer gedruckten Schal.tung hergestellt sein können und mit einem Haftvermittler befestigt sind.

Die festen und beweglichen Teile bestehen aus ähnlich geformten Platten und sind kammartig verzahnt. Die relative Bewegung zwischen den einzelnen Meßwandlerteilen verändert die kapazitive Kupplung und gibt so eine Möglichkeit zur Feststellung der Position. Obwohl der Meßwandler mit elektrischem Strom arbeitet, wird er dennoch nicht durch das Magnet· feld des Motors beeinflußt und kann deshalb ohne weiteres im Luftspalt untergebracht werden.

In der Praxis sind die Meßwandlerteile sehr dünn und nehmen nur einen sehr kleinen Raum im Luftspalt ein. In einer An-Ordnung wie der vorliegenden mit nicht zentraler Lage des Permanentmagneten wird der Meßwandler im größeren Teil des Luftspaltes untergebracht. In Fig. 3 ist dies der vom Magneten 10 und dem Schenkel 22 mit der Spule 30 gebildete Teil des Luftspaltes.

Obgleich nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß noch weitere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung möglich sind.

Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE
HENKI-L₁ Pr-N^iNG₁ FF.'
Ä

KUFii^:ÜRCr-.,\O,\MM
1000 BERLIN 15

405-48 ¹⁰· ^{Mai 1983}

KOLLMORGEN TECHNOLOGIES CORPORATION Dallas, Texas 76201, USA

Lageranordnung mit magnetischer Vorbelastung für Linear-Motoren

Patentansprüche:

1 .J Ein Linear-Motor, bestehend aus einem elektromagnetischen Stator mit den Statorwicklungen (30,32) und einer entsprechenden Stromversorgungseinrichtung für diese, sowie einem relativ hierzu linear beweglichen Permanentmagneten (10) als Läufer, der mit einem der Linearbewegung folgenden Wagen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin zur Begrenzung der Linear-Bewegung einen Führungsstab (12) aufweist, der in je einem jenem Wagen zugeordneten Linearlager (14, 16) geführt wird, sowie ein Kugellager (18), das eine seitliche Drehung des Wagens um den Führungsstab (12) verhindert, und daß der Permanentmagnet (10) derart asymmetrisch im Luftspalt des Linear-Motors angebracht ist, daß durch die magnetische Anziehungskraft die Führung des Einkugel1agers (18) am Wagen gegen die Lagerkugel gepreßt wird.
2. Linear-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator einen U-förmige Schenkel aufweisenden

Statorkern (20) enthält, und daß der linear bewegliche Permanentmagnet-Läufer (10) zwischen jenen Schenkeln asymmetrisch angeordnet ist, so daß durch die magnetische Anziehungskraft die Führung des Einkugellagers am Wagen gegen die Lagerkugel gepreßt wird.
3. Linear-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkugel zwischen der mit einer Lagerhälfte versehenen beweglichen Fläche des Wagens und der der stationären Fläche zugeordneten Lagerhälfte frei beweglich ist.
4. Linear-Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieeine der die Lagerhälften tragenden Flächen mit einer Längsrille versehen ist und die andere eine ebene Oberfläche·aufweist.