DE3317523C2

DE3317523C2 - Linear-Motor

Info

Publication number: DE3317523C2
Application number: DE3317523A
Authority: DE
Inventors: Joseph A. Saratoga Calif. Bourque; Leonard N. 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: 1985-05-30
Also published as: US4415821A; FR2526603A1; IT8348260A0; GB2121889A; DE3317523A1; GB8312007D0; GB2121889B; NL8301677A; FR2526603B1; JPS58207859A

Abstract

Lageranordnung für Linear- oder Stellmotoren mit nur einem Führungsstab (12) und einem frei beweglichen Kugellager (18). Bei der Verwendung in einem Permanentmagnet-Motor wird der magnetische Fluß des Motors dazu verwendet, um das Kugellager (18) gegen die Lagerkugel zu pressen und so in Position zu halten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linear-Motor gemäß Gattungsteil des Anspruchs 1.

Derartige Linear-Motoren sind bekannt (etz-Archiv Band 3 1981 Heft 3). Hierbei ist ein elektromagnetischer Stator, dessen Wicklung eine geeignete Stromversorgungseinrichtung aufweist so ausgebildet, daß sich relativ zu diesem bei Aufrechterhaltung eines konstanten Luftspaltes geradlinig ein Läufer, der aus wenigstens einem Permanentmagneten besteht, bewegt. Für die Linearbewegung dient ein Wagen oder Druckschlitten, dessen Zwangsführung durch die Anordnung eines Führungsstabes definiert ist, wobei Torsionskräfte von einer Verdrehsperre aufgenommen sind, die eine seitliche Drehung des Wagens gegen die vom Führungsstab vorgegebene mögliche Linearbewegung verhindert. Die Permanentmagnete sind am Druckschlitten befestigt und werden mit einer Mehrzahl von Rollen an dem runden Führungsstab geführt. Eine der Rollen ist gefedert gelagert und gewährleistet zusammen mit einer Rotationssperre eine ausreichend präzise Positionierung des Druckschlittens oder Wagens in möglichst verschleißfreier Form.

Neben dieser bekannten Rollei i jhrung bzw. Linearlagerung mit Verdrehsperre gegen seitliche Drehung des Wagens bezüglich des Führungsstabes sind ganz allgemein Lagerelemente für Längsbewegungen als Linearführungen bekannt (Feinmechanische Bauelemente - Hansa-Verlag München/Wien 1968, S. 386-396), die sich beispielsweise einer offenen Kugelrillenführung bedienen, dergestalt, daß eine beliebige Stellung des Gleitkorpers gegenüber der Führungsbahn vorgebbar ist und der Gleitkörper auf die Führung gepreßt wird.

Schließlich ist in Verbindung mit magnetisch erregbaren Linear-Motoren der hier interessierenden Konstruktion noch auf eine magnetische Trag- und Vortriebseinrichtung für ein längs eines Fahrweges bewegbares Fahrzeug hinzuweisen (DE-AS 23 39 060), die mit am Fahrzeug vorgesehenen Gleichfeldmagneten zur Erzeugung der Hubkräfte und in der Fahrstrecke vorgesehener Wanderfeldwicklung zur Erzeugung der Vortriebskräfte in Verbindung mit den Gleichfeldern ausgestattet ist, bei der die Wanderfeldwicklung in einem ferromagnetischen Stator angeordnet ist und zur Erzeugung der Gleichfelder Permanentmagnete verwendet werden. Die Abstandshalterung zwischen dem Fahrzeug oder Wagen und dem Fahrweg wird durch am Fahrweg ablaufende« Rollen definiert, was entsprechend dann auch für die Normalkräfte zwischen Stator und Läufer gilt.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, einen Linear-Motor der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß bei Minimierung der auftretenden Reibungskräfte eine größtmögliche Präzision in der verdrehfreien Führung des Wagens in servicefreundlicher Weise sichergestellt wird, ohne daß dabei Verluste konstruktionsbedingter Art im Wirkungsgrad des Motors auftreten.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß die als Verdrehsperre auf der dem Führungsstab abgewandten Seite des Luftspaltes vorgesehene offene Kugelrillenführung in Verbindung mit der asymmetrischen Anordnung der Permanentmagnete im Luftspalt keine Zwangsführung darstellt, sondern nur eine einzige Zwangsführung entlang des Führungsstabes vorgesehen ist, wobei durch die magnetische Anziehungskraft die Rillenführung am Wagen gegen die Lagerkugil gepreßt wird, werden bei höchstmöglicher Präzision auftretende Reibungskräfte minimiert und die eigentliche Motorfunktion optimiert. Der bei der vorliegenden Lageranordnung verwendete einzige Führungsstab kann hierbei in einem oder mehreren linearen Lagern des Wagens bzw. Läufers gehalten sein. Durch diese einfache Lagerung mit nur einem Führungsstab werden somit Justierprobleme und seitliche Verdrehungen 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 erfindungsgemäßen Lageranordnung. F i g. 2 ist ein Querschnitt und stellt die Statorwicklungen des Linear-Motors in Verbindung mit dem beweglichen Permanentmagneten dar.

Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie 1-1 in Fig. 2.

Die Fig. 1 bis 3 stellen eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Linear-Motors mit der magnetisch vorbelasteten Lageranordnung 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 Permanentmagneten 10 und einem Kugellager 18 auf der anderen Seite des Permanentmagneten 10 geführt

Das Statorteil des Motors ist in den Fig.2 und 3 dargestellt und besteht aus einem U-förmigen Statorkern 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 Nordpo! aus (Oberfläche des Magneten, wie in F i g. 2 gezeigt), überquert den Luftspalt und läuft dann durch den Schenkel 22, das Brückenteil 26 und den Schenkel 24 zurück über den Luftspalt zur Südpol-Oberfläche des Permanentmagneten 10.

Die Schenkel 22 und 24 des Kernes 20 sind von 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 parallel zum Luftspalt Wie aus F i g. 2 ersichtlich, fließt der Strom in Richtung auf den Betrachter im Teil innerhalb des Luftspalts, und in F i g. 3 von links nach recists, wie durch die Pfeile angezeigt. Wie aus F i g. 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.3ersichtlich ist.

Die Kraft, die den Magneten in Längsrichtung verschiebt, wie aus dem Doppelpfeil in F i g. 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 Statorkern 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 den Statorkern 20 an einem Ende zwischen den Schenkeln 22 und 24 mit einem nicht-magnetischen Material verschließt. Zur weitgehenden Verringerung von eo Streufeldern ist am offenen Ende des Statorkernes 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 vermipHpn 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-Kobait-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 F i g. 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 ll'am Magifeten 10 eingreifen und so zur Befestigung dienen.

Der Träger 41 weist ein Paar sich nach außen erstrekkende Vorsprünge 44 und 45 auf, die mit einer Öffnung zur Aufnahme der Linearlager 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 (F i g. 2).

Der Träger 40 auf der gegenüberliegenden Seite des Magneten 10 weist die Kugelrillenführung 18 auf. Auf der Unterseite der Trägerplatte 40 befindet sich eine V-förmige Rille 50, in der die Lagerkugel frei beweglich irt. Der feste Lagerträger 60 weist eine Vertiefung 62 auf, in der die Lagerkugel ruht. Um die V-förmige Rille 50 auf der Unterseite des Trägers 40 und die Vertiefung 62 zu zeigen, sind in F i g. 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 Statorkernes 20 angenähert, so daß ständig ein magnetischer Zug abwärts in Richtung auf den Schenkel 24 wirkt. Diese abwärts wirkende magnetische Kraft hält den Träger 40 mit der Rille 50 in Kontakt mit der Lagerkugel, so daß diese nicht herausfallen kann. So wird die herrschende magnetische Kraft des Motors zum Festhalten der Kugelrillenführung 18 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 angeodneten 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. Wird der Linear-Motor als Teil eines Positions-Servosystems verwendet, so wird er vorzugsweise mit einem Meßwandler ausgerüstet. 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 Oberfläche der Wicklung 30 befestigten Statorteil 72. Das Teil 71 und das Statorteil 72 bestehen aus einem Schaltbild auf der Oberfläche einer dünnen Unterlage, die nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellt sein können.

Das Statorteil 72 und das bewegliche Teil 71 bestehen aus ähnlich geformten Platten und sind kammartig verzahnt. Die relative Bewegung zwischen beiden verändert die kapazitive Kupplung und gibt so eine Möglichkeit zur Feststellung der Position. Obwohl der Positionsmeßwandler mit elektrischem Strom arbeitet, wird er dennoch nicht durch das Magnetfeld 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 Anordnung wie der vorliegenden mit nicht zentraler Lage des Permanentmagneten wird der Positionsmeßwandler im größeren Teil des Luftspaltes untergebracht. In Fig.3 ist dies der vom Permanentmagneten 10 und dem Schenkel 22 mit der Wicklung 30 gebildete Teil des Luftspaltes.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Linear-Motor, bestehend aus einem Statorkern (20) mit Wicklungen (30,32) und einem im Luftspalt zwischen zwei Statorflächen linear beweglichen Permanentmagneten (10) als Läufer, der mit einem der Linearbewegung folgenden Wagen verbunden ist, mit einem Führungsstab (12) für die dem Wagen zugeordneten Linearlager (14, 16) und einer Verdrehsperre, die eine seitliche Drehung des Wagens um den Führungsstab (12) verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdrehsperre auf der dem Führungsstab (12) abgewandten Seite des Luftspalts eine offene Kugelrillenführung (18) angeordnet ist und daß der Permanentmagnet (10) derart asymmetrisch im Luftspalt des Linear-Motors angebracht ist, daß durch die magnetische Anziehungskraft die Rillenführung am Wagen gegen die Lagerkugel gepreßt wird.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator einen U-förmigen Schenkel aufweisenden Statorkern (20) enthält, und daß der linear bewegliche Permanentmagnetläufer (10) zwischen jenen Schenkeln asymmetrisch angeordnet ist.

3. Linear-Motor nach Anspruch 1 oder 2, 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 die eine der die Lagerhälften tragenden Flächen mit einer L ängsrille versehen ist und die andere eine ebene Oberfläche aufweist.