DE4002733A1 - Elektrisch angetriebener linearmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch angetriebene Linearmotoren, insbesondere solche zur direkten Krafterzeugung im Bereich bis 10 000 N bei Verfahrwegen im Millimeter-Bereich.

Vergleichbare Maschinen sind bis jetzt nicht bekannt. Für vergleichbare Antriebserfordernisse werden stattdessen hvdraulisch betätigte Antriebe vorgesehen, die jedoch nicht beliebig schnell verfahren werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Ausführung einer linearen Bewegung im genannten Bereich in geregelter Weise Kräfte bereitzustellen, so daß eine Positionierung eines Gegen­ standes von einer Masse bis zu ca. 10 kg mit einer Genauigkeit von weniger als 5 Mikrometer erreicht wird. Für diese Bewegungsvorgänge werden maximale Beschleunigungs­ werte von bis zu 170 m pro sec · sec gefordert. Dementsprechend sind relativ hohe Kräfte im kN-Bereich innerhalb von Millisekunden bereitzustellen. Darüberhinaus ist eine zuverlässige Abfuhr von Verlustwärme im kW-Bereich erforderlich.

Da die Bewegungen auch nichtperiodisch ausgeführt werden müssen, kommt ein elektrisch angetriebenes Feder-Masse-System nicht in Betracht.

Aufgrund der geforderten Genauigkeit und der hohen beteiligten Kräfte ist ein direktwirkender Antrieb ohne Zwischenschaltung von mechanischen Weg/Kraftwandlern von Vorteil, um mechanische Lose zu vermeiden bzw. um Probleme zu vermeiden, wie sie bei Konstruktionen entstehen, welche eine Kraft-Vorspannung erforderlich machen.

Die Hauptaspekte der Erfindung kommen in Anspruch 1 und 2 zum Ausdruck und betreffen eine Anordnung, welche aus einem oder mehreren linear aneinandergereihten Krafterzeugern besteht.

Diese Krafterzeuger bestehen zum einen aus Flachspulen von etwa 0,1 bis 1 m · m Fläche, welche auf unmittelbar gegenüber­ liegende Flächen aus leitfähigem Material, insbesondere aus Aluminium, einwirken .

Durch Bestromung der Spulen werden in diesen Aluminiumflächen Wirbelströme induziert, welche gemäß der sog. Lenz′schen Regel eine abstoßende Kraft zwischen Spule und Aluminiumplatte be­ wirken.

Für eine Krafterzeugung in zwei entgegengesetzt verlaufende Richtungen sind daher mindestens zwei Spulen vorzusehen, welche auf die gleiche oder separate Aluminiumoberflächen einwirken können.

Da eine solche Konstruktion auch im Leerlauf betrieben werden soll, ist der elektromechanische Wirkungsgrad unter Umständen gering, so daß sowohl Spulen als auch Aluminium­ oberflächen mit großdimensionierten Kühlflächen und -finnen versehen sind. Zur verstärkten Wärmeabfuhr werden diese Kühlflächen z. B. von der Seite mit Kühlluft angeblasen. Natürlich ist auch eine Kühlung mit flüssigen Kühlmitteln möglich. Genauso können zu diesem Zweck die Spulen aus Rohren bestehen und in an sich bekannter Weise durch hindurchströmende Flüssigkeiten oder Luft gekühlt werden.

Zur Vermeidung von magnetischen Streuflüssen können zumindest die Spulen mit passend geschlitzten Dynamoblechen hinterlegt werden.

Eine Verbesserung des magnetischen Kreises ist ebenfalls möglich, wenn die Aluminiumflächen mit Eisen hinterlegt werden oder anstelle der Aluminiumflächen Eisenflächen verwendet werden.

Bedingt durch die größeren Massen der Eisenteile wird im allgemeinen die Reaktionsschnelligkeit des Linearmotors nachteilig beeinflußt.

Um eine möglichst große Krafterzeugung pro eingesetzter elektrischer Leistung zu erhalten, ist es ferner günstig, mit relativ hoher Bestromungsfrequenz zu arbeiten, z. B. statt mit Netzfrequenz mit einer Pulsfrequenz von etwa 1000 Hz.

Zum Angleich an die systemgegebenen elektrischen Zeitkonstanten ist es ferner günstig, eine krafterzeugende einlagige Spule zu unterteilen in mehrere, z. B. drei, einzeln ansteuerbare Bereiche. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, daß auch Leistungssteller, wie sie zum Antrieb von Drehstrommotoren verwendet werden, für diesen Zweck benutzt werden können.

Zur Ausführung und zur Kontrolle eines jeweils gewünschten Bewegungsablaufes ist eine exakte laufende Feststellung der jeweils aktuell eingenommenen Läufer-Positionen des Motors unerläßlich.

Darüber hinaus ist es erforderlich, aufgrund dieser Positionsinformationen eine genaue und zuverlässige Regelung durchzuführen.

Eine solche Regelungseinrichtung bedient in an sich bekannter Weise eine zugehörige Bestromungseinrichtung.

Erfindungsgemäß kann entweder eine einzige Bestromungseinrichtung vorgesehen werden, welche alle vorhandenen (Teil)Spulen gleichzeitig und parallel bestromt, oder aber mehrere Bestromungseinrichtungen, die individuell einzelne Spulen bestromt oder auch Gruppen von Spulen bestromen kann.

Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn für besonders schnelle Regelungsvorgänge des Linearmotors die system­ bedingten elektrischen Zeitkonstanten eine vorherrschende Rolle spielen und jede zu bestromende Spule eine möglichst kleine wirksame Zeitkonstante L/R aufweisen muß.

Je nach Baugröße von Spulen und Aluminiumflächen ergeben sich Zeitkonstanten von typ. 0.1 bis einigen 10 Milliskunden.

Da diese Zeitkonstanten auch davon abhängen, welcher Abstand von Spule zu Aluminiumoberfläche eingenommen wird, kann dieser Effekt dazu herangezogen werden, eine Entfernungsmessung von Spule zu Oberfläche durchzuführen. Hierzu ist es in an sich bekannter Weise möglich, bei der Bestromung der Spulen aus der Stromanstiegsgeschwindigkeit die Entfernungsinformation abzuleiten oder aber auch durch separat erzeugte Testpulse aufgrund deren Strom/Zeitverhalten und deren maximaler Amplitude in an sich bekannter Weise eine Induktivitätsmessung durchzuführen und aus dem Ergebnis einer solchen Messsung ebenfalls eine Entfernungvorhersage zu treffen.

In der Regel wird zu diesem Zwecke jedoch eine interfero­ metrisch arbeitende Meßeinrichtung vorgesehen werden, um den erforderlichen Ansprüchen an die Genauigkeit der Entfernungs­ messung gerecht zu werden.

Dieses und weitere Details einer bevorzugten Ausführungsform wird in den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Versuchsanordnung zur Demonstration der Lenz′schen Regel (Versuch von Elihu Thomson);

Fig. 2 eine vergleichbare Versuchsanordnung wie in Fig. 1 , jedoch mit einer Flachspule 22 und einer flächenhaften Kurzschluß­ windung 21;

Fig. 3 eine Anordnung mit mehreren Flachspulen 37 und Kurzschluß­ windungen 35 sowie zugehörigen Kühleinrichtungen 36, 39 sowie Lagerungs- und Bremsvorrichtungen 33, 43 sowie einem endständigen Interferometer bzw. Entfernungsmeßgerät 31;

Fig. 4 den Querschnitt durch einen einzelnen Flachspulenhalter mit zugehörigen Flachspulen 37 sowie eine Schubstange 34, ferner eine zugehörige Aluminium- oder Metalloberfläche 35 in einer durch Luft kühlbaren Ausführungsform;

Fig. 5 die Aufsicht auf eine Aluminium- oder Metalloberfläche nach Abb. 4;

Fig. 6 die perspektivische Ansicht auf eine Aluminium- oder Metalloberfläche 35 nach Abb. 4 und 5, mit zugehöriger Schubstange 34.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele dienen im wesentlichen dem allgemeinen Verständnis und können in vielfältiger Art und Weise modifiziert werden. So ist es selbstverständlich möglich, konusförmige Oberflächen vorzusehen, um eine weitere Erhöhung der mechanischen Stabilität zu bewirken, was jedoch eine besondere Ausgestaltung der Kühleinrichtungen erforderlich macht.

In Fig. 1 wird die prinzipielle Wirkungsweise des Motors verdeutlicht. Ein ferromagnetischer Kern 11 wird durch Bestromung einer geeigneten Spule 12 über die Anschlußpunkte 13 und 14 schnell und möglichst stark magnetisiert.

Die hierdurch bewirkte zeitliche Flußänderung durch den Aluminium-Kurzschlußring 15 induziert in diesem Kurzschluß­ ströme der Art, daß eine abstoßende Bewegung in Richtung des gezeichneten Pfeils erfolgt. Diese Bewegung ist unab­ hängig von der Polarität der an die Klemmen 13 und 14 ange­ legten Spannung, kann mithin auch durch einen Wechselstrom herbeigeführt werden.

Da auf diese Weise zunächst nur eine Kraftrichtung erzeugt werden kann, ist eine Gegenkraft bei Bedarf z. B. durch eine weitere Spule (in der Figur nicht gezeigt), welche so auf den ferromagnetischen Kern gebracht wird, daß der Kurzschlußring 15 in der Mitte zwischen beiden Spulen zu liegen kommt.

Eine vergleichbare Anordnung, ebenfalls mit nur einer Spule zur Erzielung einer einseitig gerichteten Kraft, ist in Fig. 2 gezeigt. An die Stelle des Kurzschlußringes 15 tritt hier die Aluminiumfläche 21, an die Stelle der Spule 12 tritt die Flachspule 22 mit Anschlußklemmen 23 und 24. Bei Bestromung der Flachspule 22 werden in der Aluminium­ fläche 21 ebenfalls Kurzschluß- bzw. Wirbelströme induziert, die zu einer entsprechenden Abstoßung zwischen Spule und Fläche führen. Anstelle einer Aluminiumfläche kann bei Bedarf auch ein anderes, vorzugsweise noch leichteres Metall oder leitfähiges Material vorgesehen werden .

Aufgrund der hohen geforderten Kräfte sind relativ hohe Stromwerte für die Spule 22 einzuhalten, welches zu einer gewissen Erwärmung sowohl der Spule als auch der Metallfläche 21 führt. Dadurch, daß die Flachspule bereits eine vergleichs­ weise große Oberfläche besitzt, ist die Luftkühlung der Spule bereits vereinfacht, in der Regel sind darüberhinaus zusätzliche konstruktive Maßnahmen zu diesem Kühlzweck erforderlich. Wie obenstehend erwähnt, kann die Spule 22 auch in einzelne , einzeln beschalt- und bestrombare Abschnitte unterteilt werden, so daß die an den Anschluß­ klemmen wirksam werdende Induktivität je nach Anzahl solcher Teilspulen reduziert werden kann und eine Verbesserung der Spulenzeitkonstanten möglich ist.

Besonders nützlich ist die Unterteilung der Spule 22 in drei Spulenabschnitte, da diese mit Leistungsstellern, wie sie für den Antrieb von z. B. Servomotoren bekannt sind, in einer besonders gut steuerbaren Weise bestromt werden können, z. B. durch zeitlich gestaffelte Bestromungssequenzen mit Pulsen auch unterschiedlich langer Dauer.

In einer besonders einfachen Ausführungsform ist es natürlich auch möglich, eine Spule 22 nur durch einen einzelnen Leistungstransistor oder -Thyristor zu bestromen, wobei nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren existieren, die beim Abschalten der Spulen entstehenden Spannungsspitzen an den Anschlußpunkten 23 und 24 aufzufangen und bei Bedarf in energiesparender Weise zu verwerten.

Fig. 3 zeigt eine technische Ausführungsform mit mehreren Aluminium- oder Metalloberflächen. Die in Fig. 2 noch massiv gezeichneten Flächen sind hier durch wabenartig zusammengesetzte Platten 35 ersetzt, welche äußerlich glatte oder leicht geriefte Oberflächen besitzen und im Inneren Kühlstege oder -flächen 36 besitzen. Diese Flächen oder Stege werden aus der gezeichneten Ansichtsrichtung mit Kühlluft ausreichender Menge angeblasen, so daß die erwärmte Luft am anderen Ende der Platte austreten kann, wie das auch aus Fig. 5 und 6 ersichtlich ist.

Die durch Wirbelströme in dieser Platte erzeugte Kraft wird in die Schubstange 34 eingeleitet und zu der durch weitere Platten erzeugten axial gerichteten Kraft addiert.

Wie in den vorgenannten Fällen auch wird die Kraft erzeugt durch Bestromung der Spule 37, welche auf einem Spulenträger 38 befestigt ist, welcher durch Kühlrippen 39 die Wärme der Spule an die Umgebungsluft oder den genannten Kühlluftstrom abgeben kann. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, daß durch die Spule 37 möglichst wenig Wirbelströme in Spulenträger 38 oder Kühlrippen 39 induziert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß radial geschlitzte Metallteile für diese Bauteile vorgesehen werden oder durch einen blechförmigen Eisenrückschluß (nicht gezeichnet), der ebenfalls radial geschlitzt sein sollte, die Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Material des Spulenträgers begrenzt wird.

Für jede Metallplatte 35 sind je zwei, paarweise angeordnete Spulenträger 38 mit Spulen 37 vorgesehen. Fig. 3 zeigt für die Krafterzeugungseinheit U10 ein solches Paar von Spulenträgern und Spulen . Es versteht sich, daß für eine Krafterzeugung in Richtung der gezeigten Richtung F die zugehörige linksseitigen Spulenhalter und Spulen erforderlich sind.

Zur Erzeugung aufgabenmäßig gestellter Beschleunigungswerte sind etwa 5 bis 20 solcher Kombinationen aus Metallplatten 35 und zugehörigen links- und rechtsseitigen Spulenträgern mit Spulen erforderlich. Auch aus diesem Grunde sind die Platten möglichst leicht auszulegen. Zusätzlich ist die Schubstange 34 zweckmäßigerweise als rundes oder z. B. rechteckiges Rohr ausgebildet, wobei der Materialquerschnitt den zu erzeugenden Kräften angepaßt wird.

Für eine Schubstange 34 mit rechteckigem Querschnitt können die Lagerungen 33 bzw. 43 auch in nachstellbarer Ausführungsform gewählt werden. In einer besonderen Ausführungsform können die Lager 43 auch durch eine z. B. piezoelektrisch wirkende Einrichtung 40 so verfahren werden, daß die Bewegung der Schubstange 34 abgebremst werden kann oder eine totale Unbeweglichkeit dieser Schubstange bewirkt werden kann.

Am anderen Ende der Schubstange wird zur Kontrolle der Position der Schubstange ein Wegmelder angebracht, sofern dies erforderlich ist. Dieser Wegmelder kann in Form des gezeigten Interfereometers 31 vorgesehen werden, welches die Position der Spiegeloberfläche 32 ausmißt. Es kann aber auch jeder andere zu diesem Zweck geeignete Wegmelder oder -sensor verwendet werden.

Eine Modifikation der gezeigten Ausführungsform wird in Fig. 4 gezeigt.

Zur Erhöhung der Stabilität von Metallplatte 35 und Spulen­ träger 38 sind diese von trapezförmigem Querschnitt.

Die durch Querstege 36 bzw. 39 gebildeten Kühlflächen werden auf diese Weise ebenfalls vergrößert. Der gezeigte Spulen­ träger 38 trägt Spulen 37 für je zwei benachbarte Metallplatten. Die Aufsicht auf eine solche Metallplatte wird in Fig. 5 gezeigt, während Fig. 6 eine perspektivische Ansicht auf eine einzelne Metallplatte 35 und zugehöriges Lagerrohr 34 zeigt.

Claims (20)

1. Elektrisch angetriebener Linearmotor für Verfahrwege im Millimeter-Bereich und zur Krafterzeugung bis 100 kN, gekennzeichnet durch je mindestens eine als Flachspule ausgelegte Primär- und Sekundärspule.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule in Form einer durchgängigen oder gelochten oder geschlitzten Metalloberfläche ausgebildet ist.

3. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule in Teilabschnitte aufgeteilt ist.

4. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule aus einem oder mehrern rohrförmigen Leitern be­ steht und durch hindurchströmende Flüssigkeiten oder Gase zwangsgekühlt wird.

5. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Krafterzeugungselemente (35) gemeinsam oder einzeln Kraft in eine verbindende Schubstange (34) einleiten.

6. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung des Läufers durch separate, jeweils der Bewegungsrichtung zugeordnete Primärspulen(sätze) bewirkt wird.

7. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Primärspulen und/oder Primärspulenhalterungen und Sekundärspulen und/oder Sekundärspulenhalterungen mit großdimensionierten Kühl-Oberflächen versehen sind

8. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächen und/oder zugehörige Kühlflächen von Primär- und/oder Sekundärspulen durch eine Zwangsbelüftung gekühlt werden.

9. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärspulen (35) aus zwei Hälften von jeweils trapezförmigem Querschnitt bestehen, welche Querstegen oder -ebenen besitzen, die parallel, senkrecht oder windschief zur Schubstangenachse orientiert sind.

10. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule(n) mit sinusförmiger oder gepulster Spannung bestromt wird, wobei deren Betriebsfrequenz < 40 Hz , vorzugsweise < 500 Hz beträgt.

11. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesteuerter Betrieb ohne Positionsrückmeldung vorgenommen wird.

12. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein geregelter Betrieb vorgenommen wird unter Verwendung mindestens eines Lagemelders (31) und mindestens eines PID- oder Zustandsreglers.

13. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere separate, individuell arbeitende Regel­ einrichtungen verwendet werden.

14. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Primärspulen durch entweder eine einzige Ansteuereinheit oder durch eine Vielzahl von Ansteuereinheiten bestromt werden.

15. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positionsbestimmung des Motor-Läufers mit motoreigenen Mitteln durchgeführt wird durch Bestimmung und Auswertung der positionsabhängigen Spulen-Induktivitäten.

16. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Primär- und/oder Sekundärspulen (35) pyramiden- oder kegelförmig ausgebildet sind.

17. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in radialer Richtung geschlitzte Teile aus Metall oder ferromagnetischem Material als Spulenträger für Primär- oder Sekundärspulen vorgesehen sind.

18. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Primär- und/oder Sekundärspulen mit Rückschlußblechen oder -teilen aus Eisen oder ferromagnetischem Material hinterlegt sind.

19. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerungen (33) für die Schubstange (34) zur Vermeidung von lateralen Oszillationen nachstellbar sind.

20. Linearmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Schubstangenlager (43) auch als piezoelektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigte Dämpfungseinrichtung oder Feststellbremse ausgeführt sind.