DE4107529A1 - Linearmotor ii - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit einem Stator
und einem relativ zum Stator bewegbaren Läufer, wobei
eines der Teile, Stator oder Läufer, ein Joch aus einem
magnetisch leitenden Material umfaßt, welches wenigstens
zwei länglich ausgebildete Seitenschenkel mit jeweils im
wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers
verlaufender Längsachse aufweist, und wobei das eine Teil
weiter wenigstens eine an wenigstens einem der Seiten
schenkel angeordnete Wicklung umfaßt.
Bei den bisher bekannten gattungsgemäßen Linearmotoren
weisen sowohl der Stator als auch der Läufer Magnete auf.
Üblicherweise umfaßt hierbei der Läufer einen
Parmanentmagneten oder einen Elektromagneten und der
Stator stromdurchflossene Magnetwicklungen. Gemäß dem
Funktionsprinzip dieser Linearmotoren führt beim Übertritt
des Magnetfelds des Läufermagneten in das Joch des Stators
die Wechselwirkung dieses Magnetfelds mit dem die Stator
wicklungen durchfließenden Strom zu einer von der Strom
richtung und der Stromstärke abhängenden Lorentz-Kraft auf
den Läufer. Ein wesentlicher Teil der Herstellungskosten
dieser herkömmlichen Linearmotoren ergibt sich aus den
Materialkosten für den Permanentmagneten. Aber auch bei
Einsatz eines Elektromagneten ergibt sich ein erhöhter
Herstellungsaufwand und somit erhöhte Herstellungskosten,
da zum einen ein gesonderter Elektromagnet vorzusehen ist
und zum anderen zu dessen Stromversorgung elektrische
Leitungen zu diesem Elektromagneten hingeführt und von
diesem wieder weggeführt werden müssen.
Demgegenüber liegt die Aufgabe der Erfindung darin, einen
nach einem neuen Prinzip arbeitenden Linearmotor bereit
zustellen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das jeweils andere
Teil, Stator bzw. Läufer, zumindest teilweise aus einem
weichmagnetischen Material gebildet ist, keine zum Antrieb
des Linearmotors dienenden Magnetfelder erzeugende Bau
teile aufweist und die Seitenschenkel als ein erstes
Verbindungselement magnetisch verbindet und daß wenigstens
ein zweites, aus einem weichmagnetischen Material gebil
detes Verbindungselement vorgesehen ist zur magnetischen
Verbindung der Seitenschenkel. Das erste Verbindungsele
ment, das zweite Verbindungselement sowie die zwischen
diesen beiden Verbindungselementen angeordneten Längenab
schnitte der Seitenschenkel bilden zusammen einen magne
tischen Kreis. Die in dem magnetischen Kreis enthaltenen
Windungen der an den Seitenschenkeln vorgesehenen Wick
lungen erzeugen, wenn sie mit Strom beschickt werden, in
dem magnetischen Kreis einen magnetischen Fluß. Dieser
magnetische Fluß durchsetzt auch das weichmagnetische
andere Teil und wechselwirkt in den Übergangsbereichen von
dem anderen Teil zu den Seitenschenkeln mit den sich in
diesen Übergangsbereichen befindenden, stromdurchflossenen
Windungen. Hieraus resultiert eine Lorentz-Kraft auf den
Läufer, infolge derer der Läufer derart bewegt wird, daß
der magnetische Kreis möglichst viele der Windungen der an
den Seitenschenkeln vorgesehenen Wicklungen einschließt.
Der die Wicklungen durchfließende Strom wechselwirkt also
mit dem von ihm selbst im anderen Teil hervorgerufenen
magnetischen Fluß, so daß in dem anderen Teil keine
Magnete, d. h. keine zum Antrieb des Linearmotors dienenden
Magnetfelder erzeugende Bauteile vorgesehen werden müssen.
Da sich bei einer Umkehr der Stromrichtung auch die
Richtung des magnetischen Flusses umkehrt, bleibt die
Richtung der auf den Läufer wirkenden Kraft bei einer
derartigen Stromumkehr erhalten. Der Linearmotor kann
somit sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom
betrieben werden.
Die Lorentz-Kraft auf den Läufer ist proportional zum
magnetischen Fluß durch das andere Teil, zu dem durch die
Wicklungen fließenden Strom und zu der im Übergangsbereich
von dem anderen Teil zu den Seitenschenkeln enthaltenen
Zahl von Windungen. Solange der Magnetfluß im magnetischen
Kreis noch nicht den Sättigungswert des Jochmaterials
erreicht hat, berechnet sich der im magnetischen Kreis
enthaltene magnetische Fluß aus dem Produkt des magne
tischen Leitwerts des Jochmaterials, der Anzahl der von
dem magnetischen Kreis insgesamt umfaßten Windungen und
den, Wert der Stromstärke des die Wicklungen durchfließen
den Stroms. Die auf den Läufer ausgeübte Kraft ist somit
proportional zum Quadrat der Stromstärke und proportional
zur Anzahl der insgesamt vom magnetischen Kreis umfaßten
Windungen. Hat der magnetische Fluß jedoch seinen Sätti
gungswert erreicht, so ist die auf den Läufer wirkende
Kraft lediglich direkt proportional zur Stromstärke des
die Wicklungen durchfließenden Stroms und unabhängig von
der Anzahl der insgesamt vom magnetischen Kreis umfaßten
Windungen. In beiden möglichen Betriebsbereichen ist die
Kraft jedoch proportional zu der Anzahl der in den Über
gangsbereichen zwischen Läufer und Stator enthaltenen
Windungen.
Es ist möglich, daß das eine Teil von dem Läufer und das
andere Teil von dem Stator gebildet sind. Bevorzugt ist
jedoch die Ausführungsform, bei welcher das eine Teil von
dem Stator und das andere Teil von dem Läufer gebildet
sind. In dieser Ausführungsform ist der die Wicklungen
tragende Stator ortsfest angebracht, wodurch eine Verbin
dung der Wicklungen mit Stromzufuhrleitungen ohne großen
Konstruktionsaufwand möglich ist. Eine Zufuhr von Strom
leitungen zu dem Läufer ist nicht erforderlich, da dieser
lediglich weichmagnetische Teile aufweist. Somit kommen
als Läufer beispielsweise auch weichmagnetische Teile
aufweisende Werkstücke in Frage, zu deren Transport daher
kein gesonderter Läufer vorgesehen werden muß.
Dadurch, daß in einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung die Wicklungen eine in Richtung der Längsachse
des die jeweilige Wicklung tragenden Seitenschenkels
variable Wicklungsdichte aufweisen, kann bei konstanter
Stromstärke eine ortsabhängige Beschleunigungskraft auf
den Läufer ausgeübt werden, so daß man ein vorgegebenes
Fahrprofil erreichen kann.
Um beispielsweise bei Betrieb des Linearmotors in Joch
sättigung Wicklungsabschnitte im Bereich des Läufers mit
Strom wahlweise beschicken zu können bzw. den Strom
abschalten zu können, nachdem der Läufer den Transportweg
des Linearmotors verlassen hat, wird vorgeschlagen, daß an
den Seitenschenkeln Sensorelemente vorgesehen sind zur
Erfassung der Relativstellung von Stator und Läufer und
daß die Beschickung der Wicklungen mit Strom in Abhängig
keit der von den Sensorelementen erfaßten Signale erfolgt.
Ein besonders effektiver Übergang des magnetischen Flusses
von den Seitenschenkeln zum Läufer und umgekehrt, kann
dadurch erreicht werden, daß Wicklungsabschnitte der
Wicklungen zwischen am Joch vorgesehenen Polzähnen ange
ordnet sind.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Joch
wenigstens einen Querschenkel als das wenigstens eine
zweite Verbindungselement aufweist. Hierdurch kann der
magnetische Rückschluß mit baulich einfachen Maßnahmen
sichergestellt werden. Darüber hinaus kann hierdurch die
mechanische Stabilität der Anordnung der Seitenschenkel
gewährleistet werden. Die Bewegungsrichtung des Läufers
ist bei dieser Ausführungsform immer von dem wengistens
einen Querschenkel weg gerichtet.
Damit auch solche Läufer, die sich im Bereich des Linear
motors zwischen den Seitenschenkeln bewegen, in dieser
Bewegungsrichtung des Läufers am Querschenkelende in den
Linearmotor eintreten können, wird vorgeschlagen, daß der
wenigstens eine Querschenkel jeweils einen relativ zu den
Seitenschenkeln aus einer von den Längsachsen der Seiten
schenkel festgelegten Ebene versetzten Hauptabschnitt
aufweist, welcher mit den Seitenschenkeln über jeweils
einen Verbindungsabschnitt verbunden ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorge
sehen, daß das andere Teil sowohl das erste als auch das
zweite Verbindungselement umfaßt, wobei der Abstand
zwischen beiden Verbindungselementen derart bemessen ist,
daß eines der Verbindungselemente dann Wicklungsabschnitte
des Seitenschenkels verbindet, wenn das jeweils andere
Verbindungselement Polzähne der Seitenschenkel miteinander
verbindet. Aufgrund des angegebenen Abstands der beiden
Verbindungselemente am anderen Teil, insbesondere Läufer,
kann der magnetische Fluß stets über relativ kurze Weg
längen geschlossen werden, was bei Magnetrückschluß über
einen Querschenkel am einen Teil, insbesondere Stator,
ansonsten nicht möglich wäre. Der magnetische Fluß,
welcher das die Wicklungsabschnitte verbindende Verbin
dungselement (im folgenden aktives Verbindungselement
genannt) durchsetzt, wechselwirkt beim Übertritt in die
Seitenschenkel mit dem Wicklungsstrom und erzeugt eine den
Läufer antreibende Kraft. Der magnetische Fluß, welcher
das die Polzähne verbindende Verbindungselement (im
folgenden passives Verbindungselement genannt) durchsetzt,
kann keine Kraft auf den Läufer hervorrufen, da er beim
Übertritt in die Seitenschenkel keine Windungen durch
setzt. Insgesamt ergibt sich eine von dem passiven zum
aktiven Verbindungselement hin gerichtete Kraft. Im
Verlauf der Bewegung des Läufers gelangt das aktive
Verbindungselement aus dem Bereich der Wicklungsabschnitte
heraus und tritt zwischen die Polzähne ein, es wird somit
zum passiven Verbindungselement. Analog wird das passive
Verbindungselement zum aktiven Verbindungselement. Als
Folge hiervon kehrt sich auch die Kraftrichtung auf den
Läufer um. Um die Bewegung des Läufers nicht zu behindern,
ist es daher erforderlich, den Wicklungsstrom solange
abzuschalten, bis sich das Verbindungselement wieder
zwischen Wicklungsabschnitten befindet. Durch eine ent
sprechende Steuerung des Wicklungsstroms kann bei dieser
Ausführungsform also die Kraftrichtung auf den Läufer und
somit letztendlich auch die Bewegungsrichtung des Läufers
umgekehrt werden. Das aktive Verbindungselement ist somit
stets am Vorlaufende des Läufers in bezug auf die ge
wünschte Bewegungsrichtung angeordnet.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das
erste und zweite Verbindungelement durch ein im wesent
lichen nicht magnetisierbares Kupplungselement fest
miteinander verbunden sind. Hierdurch können Verluste des
Magnetflusses durch Übertritt von einem Verbindungselement
zum anderen Verbindungselement auf ein Mindestmaß redu
ziert werden.
Daneben ist es aber auch möglich, daß das andere Teil
stabförmig ausgebildet ist, wobei die Länge des anderen
Teils derart bemessen ist, daß es mit einem seiner Längs
enden dann Wicklungsabschnitte der Seitenschenkel verbin
det, wenn es mit dem jeweils anderen Längsende Polzähne der
Seitenschenkel miteinander verbindet. Diese Ausfüh
rungsform kann mit einfach aufgebauten Läufern betrieben
werden. So können mit ihr beispielsweise länglich
ausgebildete, weichmagnetische Werkstücke transportiert
werden, die gleichzeitig als Läufer dienen.
In einer weiteren Ausführungsform des Linearmotors ist
vorgesehen, daß der Linearmotor zylindersymmetrisch
ausgebildet ist mit einem einen Seitenschenkel des Jochs
bildenden, die Motorachse festlegenden, zylindrischen
Jochkern und einem einen zweiten Seitenschenkel des Jochs
bildenden, den Jochkern unter Bildung eines Ringraums im
Abstand umgreifenden, hohlzylindrischen Jochmantel, wobei
der Läufer hülsenförmig ausgebildet ist und im Ringraum
angeordnet ist.
Soll der Läufer den Transportweg des Linearmotors nicht
verlassen, sondern nach Erreichen des Endes des Trans
portwegs wieder an den Anfang des Transportwegs zurück
kehren, so kann dies in einfacher Weise dadurch erreicht
werden, daß eine einenends an einem der Querschenkel und
andernends am Läufer befestigte elastische Vorspannein
richtung, vorzugsweise eine Zugfeder, vorgesehen ist zur
Vorspannung des Läufers in eine dem Querschenkel nahegele
gene Ausgangsstellung.
Zur Rückführung des Läufers in seine Ausgangsstellung kann
jedoch auch eine Linearmotoranordnung vorgesehen sein,
umfassend wenigstens zwei in einer Normalenrichtung
aufeinanderfolgend angeordnete Linearmotoren mit parallel
zueinander verlaufenden Seitenschenkellängsachsen, wobei
die Normalenrichtung senkrecht zu einer von den Längsach
sen der Seitenschenkel gebildeten Ebene verläuft und wobei
die Querschenkel benachbarter Linearmotoren, in Bewe
gungsrichtung des Läufers gesehen, an voneinander ent
fernten Enden der Seitenschenkel angeordnet sind. Einer
der beiden Linearmotoren dient der Bewegung des Läufers in
der einen Richtung und der andere Linearmotor der Bewegung
des Läufers in der entgegengesetzten Richtung, wobei der
jeweils nicht benötigte Linearmotor abgeschaltet ist.
Ein beliebig langer Transportweg kann durch eine Linear
motoranordnung gewährleistet werden, welche in Bewegungs
richtung des Läufers aufeinanderfolgend angeordnete
Linearmotoren umfaßt.
Der erfindungsgemäße Linearmotor bzw. die erfindungsgemäße
Linearmotoranordnung kann in zum berührungsfreien Trans
port von weichmagnetische Teile aufweisenden Werkstücken
oder dergleichen aufgrund der unmittelbaren Einwirkung der
Lorentz-Kraft eingesetzt werden. In diesem Fall kann auf
einen gesonderten weichmagnetischen Läufer verzichtet
werden.
Auch können mit dem erfindungsgemäßen Linearmotor bzw. der
erfindungsgemäßen Linearmotoranordnung weichmagnetische
Pulver und weichmagnetische Anteile enthaltende Suspensi
onen in kontrollierter Weise und berührungsfrei transpor
tiert werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten
Ausführungsform des Linearmotors;
Fig. 2 eine Linearmotoranordnung mit übereinander
liegenden Linearmotoren;
Fig. 3 eine Teilansicht einer aus Linearmotoren einer
weiteren Ausführungsform zusammengesetzten
Linearmotoranordnung;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform des Linearmotors;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines
Seitenschenkels einer weiteren Ausführungsform
des Linearmotors mit örtlich variierender
Wicklungsdichte; und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform des Linearmotors;
Fig. 7 eine zylindersymmetrisch ausgebildete
Ausführungsform des Linearmotors.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Linearmotors dargestellt. Der Linearmo
tor 10 umfaßt einen aus einem weichmagnetischen Material
gebildeten Läufer 12 und einen Stator 14. In dem
dargestellten Beispiel umfaßt der Stator 14 zwei sich im
wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung A des Läufers
12 erstreckende Seitenschenkel 16 und 18 sowie einen sich
im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung A er
streckenden Querschenkel 20. Die Seitenschenkel 16 und 18
und der Querschenkel 20 bilden zusammen ein Joch 22 des
Stators 14. An den Seitenschenkeln 16 und 18 sind Wick
lungen 24 und 26 angeordnet. Sich zwischen dem Querschen
kel 20 und dem Läufer 12 erstreckende Längenabschnitte 16a
und 18a der Seitenschenkel 16 und 18, der Querschenkel 20
und der Läufer 12 bilden einen magnetischen Kreis.
Werden die Wicklungen 24 und 26 mit Strom beschickt, so
ergibt sich der im magnetischen Kreis enthaltene Magnet
fluß als derjenige Magnetfluß, welcher von an den Längen
abschnitten 16a und 18a der Seitenschenkel 16 und 18
angeordneten Wicklungsabschnitten 24a und 26a der Wick
lungen 24 und 26 im magnetischen Kreis induziert wird. Bei
konstanter Stromstärke ist der im Magnetkreis induzierte
Magnetfluß daher um so größer, je mehr Windungen in den
Wicklungsabschnitten 24a und 26a enthalten sind. Der im
Magnetkreis induzierte Magnetfluß erstreckt sich auch
durch den Läufer 12 und wechselwirkt beim Übergang von den
Seitenschenkeln 16 und 18 in den Läufer 12, bzw. umge
kehrt, mit den den Wicklungsstrom tragenden Elektronen in
den sich im Übergangsbereich zwischen Läufer und Seiten
schenkeln befindenden Windungen der Wicklungen 24 und 26.
Aus dieser Wechselwirkung resultiert eine zum offenen Ende
28 des Linearmotors 10 hin gerichtete, auf den Läufer
wirkende Lorentz-Kraft, welche proportional zum Wick
lungsstrom, proportional zum magnetischen Fluß durch den
Läufer und proportional zur Anzahl der in den Übergangs
bereichen zwischen Seitenschenkeln und Läufer befindlichen
Windungen ist. Da der Wicklungsstrom mit dem von ihm im
magnetischen Kreis induzierten Magnetfluß wechselwirkt und
sich bei einer Stromumkehr somit auch die Richtung des
Magnetflusses umkehrt, bleibt die auf den Läufer 12
wirkende Kraft bei Stromumkehr unverändert auf das offene
Ende 28 hin gerichtet. Der Linearmotor kann somit
wahlweise mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom
betrieben werden.
Ist der im magnetischen Kreis induzierte Magnetfluß
kleiner als der Magnetflußsättigungswert des Magnetkreis
materials, so ergibt sich der induzierte Magnetfluß als
Produkt der Stromstärke des Wicklungsstroms, des magne
tischen Leitwerts des Magnetkreismaterials und der Ge
samtzahl der vom magnetischen Kreis umfaßten Windungen.
Die den Läufer antreibende Kraft ist somit proportional
zum Quadrat der Wicklungsstromstärke, proportional zur
Gesamtzahl der vom magnetischen Kreis umfaßten Windungen,
und proportional zur Anzahl der sich im Übergangsbereich
zwischen Läufer 12 und Stator 14 befindenden Windungen.
Hat der Magnetfluß jedoch den Sättigungswert erreicht, so
ist die auf den Läufer wirkende Kraft proportional zum
Wicklungsstrom, unabhängig von der Gesamtzahl der vom
magnetischen Kreis umfaßten Windungen, und proportional
zur Anzahl der sich im Übergangsbereich zwischen Läufer 12
und Stator 14 befindenden Windungen. Bei konstantem
Wicklungsstrom und über die gesamte Länge der Wicklungen
24 und 26 konstanter Wicklungsdichte wird der Läufer 12
also, z. B. ausgehend von einer dem Querschenkel 20 nahe
gelegenen Ausgangsstellung, solange mit zunehmender Kraft
in Bewegungsrichtung A beschleunigt, bis der im Magnet
kreis induzierte Magnetfluß seinen Sättigungswert er
reicht. Im weiteren Verlauf wird der Läufer 12 mit kon
stanter Kraft in Bewegungsrichtung A beschleunigt.
An den dem offenen Ende 28 nahegelegenen Enden 16b bzw.
18b der Seitenschenkel 16 und 18 sind Sensorelemente 30
angeordnet, welche dann ein Signal erzeugen, wenn der
Läufer 12 das offene Ende 28 des Linearmotors 10 erreicht
hat. In Abhängigkeit dieser Signale kann beispielsweise
der Wicklungsstrom abgeschaltet werden, so daß keine
Magnetkraft mehr auf den Läufer 12 wirkt.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur
Rückführung des Läufers 12 vom offenen Ende 28 des Line
armotors 10 in seine dem Querschenkel 20 nahegelegene
Ausgangsstellung eine Schraubenzugfeder 32 vorgesehen,
welche bei der Bewegung des Läufers 12 zum offenen Ende 28
hin von der Magnetkraft gespannt wird. Hat der Läufer 12
infolge der Entspannung der Feder 32 seine Ausgangsstel
lung erreicht, so wird dies von einem im Bereich der
Ausgangsstellung an den Seitenschenkeln 16 und 18 ange
ordneten Sensorelement 34 detektiert. Infolge des vom
Sensorelement 34 erzeugten Signals kann beispielsweise der
Wicklungsstrom wieder eingeschaltet werden, so daß der
Läufer 12 wieder in Bewegungsrichtung A, d. h. zum offenen
Ende 28 des Linearmotors 10 hin, beschleunigt wird.
Zur Rückführung des Läufers 12 kann gemäß Fig. 2 anstelle
der Feder 32 auch ein bezüglich einer zur von den Seiten
schenkeln 16 und 18 aufgespannten Ebene senkrecht verlau
fenden Richtung B oberhalb des Linearmotors 10 angeord
neter Linearmotor 10′ vorgesehen sein. Die Längsachsen
der Seitenschenkel 16′ und 18′ des Linearmotors 10′
verlaufen im wesentlichen parallel zu den Längsachsen der
Seitenschenkel 16 und 18 des Linearmotors 10. Dem freien
Ende 28 des Linearmotors 10 liegt in Richtung B der
Querschenkel 20′ des Linearmotors 10′ gegenüber. Analog
liegt dem offenen Ende 28′ des Linearmotors 10′ der
Querschenkel 20 des Linearmotors 10 gegenüber. Dement
sprechend üben die Linearmotoren 10 und 10′ in entgegen
gesetzten Richtungen A bzw. A′ gerichtete Beschleuni
gungskräfte auf den Läufer 12 aus.
Zur Beschleunigung des Läufers 12 in Richtung A werden die
Wicklungen 24 und 26 des Linearmotors 10 mit Strom be
schickt, während die Wicklungen 24′ und 26′ des
Linearmotors 10′ unbestromt bleiben. Hat der Läufer 12 das
freie Ende 28 des Linearmotors 10 erreicht, so wird dies
von einem im Bereich des Querschenkels 20′ des Linearmo
tors 19′ angeordneten Sensorelement 34′ detektiert. Das
vom Sensorelement 34′ erzeugte Signal führt zum Abschalten
des Stroms in den Wicklungen 16 und 18 und zum Einschalten
des Stroms in den Wicklungen 16′ und 18′. Der Läufer 12
wird somit nunmehr in Richtung A′ beschleunigt. Ein im
Bereich des Querschenkels 20 des Linearmotors 10 angeord
netes Sensorelement 34 (in Fig. 1 verdeckt) schaltet in
analoger Weise den Strom der Wicklungen 16′ und 18′ ab und
beschickt wiederum die Wicklungen 16 und 18 mit Strom.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des Linearmo
tors dargestellt. Analoge Teile sind mit gleichen Bezugs
zeichen versehen, jedoch vermehrt um die Zahl 100. Im
Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
weist der Linearmotor 110 einen Querschenkel 120 auf,
welcher einen relativ zu den Seitenschenkeln 116 und 118
festgelegten Ebene versetzten Hauptabschnitt 120a auf
weist. Der Hauptabschnitt 120a ist mit den Seitenschenkeln
116 und 118 über jeweils einen Verbindungsabschnitt 120b
verbunden.
Der Linearmotor 110 ermöglicht eine Hintereinanderschal
tung beliebig vieler solcher Linearmotoren, wenn der
Läufer 112 zwischen den Seitenschenkeln 116 und 118 bewegt
werden soll. Nachdem der Läufer 112 beispielsweise aus dem
offenen Ende 128′ des Linearmotors 110′ ausgetreten ist,
tritt er in den Linearmotor 110 im Bereich dessen vom
Querschenkel 120 geschlossenen Endes ein. Der Läufer 112
wird hierauf von den Wicklungen 124 und 126 in Richtung
des Pfeils A beschleunigt, bis er in den Bereich des
offenen Endes 128 des Linearmotors 110 gelangt. Hier
detektiert ein Sensorelement 130 die Vorbeibewegung des
Läufers und erzeugt ein Signal, woraufhin der Wicklungs
strom des Linearmotors 110 abgeschaltet wird und der
Wicklungsstrom des in Bewegungsrichtung A nächstfolgenden
Linearmotors 110′′ angeschaltet wird, so daß der Läufer
112 vom Linearmotor 110′′ weiter in Richtung A beschleu
nigt wird. Mit einer derartigen Linearmotoranordnung
lassen sich beliebig lange Transportwege realisieren.
Prinzipiell lassen sich auch durch Hintereinanderschaltung
von Linearmotoren 10 gemäß der ersten Ausführungsform
beliebig lange Transportwege erzielen. Der Läufer 12 müßte
in diesem Fall jedoch in Fig. 1 oberhalb oder unterhalb
der Seitenschenkel 16 und 18 und des Querschenkels 20
geführt werden.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des Linearmo
tors dargestellt, wobei analoge Teile mit gleichen Be
zugszeichen versehen sind, jedoch vermehrt um die Zahl
200. Beim Linearmotor 210 sind die Wicklungen in Teil
wicklungen 224a-i und 226a-i unterteilt. Die einzelnen
Teilwicklungen 224a-i und 226a-i sind zwischen an den
Seitenschenkeln 216 und 218 ausgebildete Polzähne 240
eingelegt. Durch diese Polzähne 240 werden Luftspalte
zwischen dem Läufer 212 und dem Joch 222 vermieden.
Derartige Luftspalte sind unerwünscht, da sie den Über
tritt des Magnetflusses vom Läufer 212 in die Seiten
schenkel 216 und 218 bzw. umgekehrt erschweren und somit
die Effektivität des Linearmotors 210 negativ beeinflus
sen.
Zur Erzielung einer höheren Beschleunigungkraft auf den
Läufer 212 kann der Linearmotor 210 beispielsweise in
Sättigung betrieben werden. Zur Erzeugung des zur Sätti
gung erforderlichen Magnetflusses werden bevorzugt ledig
lich die im Bereich des Läufers 212 befindlichen Teil
wicklungen (in Fig. 2 die Teilwicklungen 224e, 224f, 226e-
226f) mit Strom beschickt. Der erforderliche notwendige
Wicklungsstrom ist größer als der erforderliche Strom bei
Beschickung sämtlicher Teilwicklungen und hat eine dement
sprechend höhere Vortriebskraft zur Folge. Zur Detektion
der Relativstellung von Läufer 212 und Stator 214 sind an
den Polzähnen 240 Sensorelemente 238 angeordnet.
In Fig. 5 ist grob schematisch ein Seitenschenkel einer
weiteren Ausführungsform mit örtlich variierender Wick
lungsdichte dargestellt. Der Seitenschenkel 316 weist eine
Wicklung 324 auf, welche in Richtung der Längsachse des
Seitenschenkels 316 einen Abschnitt 324a hoher Wicklungs
dichte, einen Längenabschnitt 324b mittlerer Wicklungs
dichte und einen Längenabschnitt 324c niedriger Wick
lungsdichte aufweist. Hierdurch lassen sich bei konstantem
Wicklungsstrom vorbestimmte Fahrprofile, d. h. für jeden
Längenabschnitt des Transportwegs eine vorbestimmte, auf
den Läufer wirkende Magnetkraft, verwirklichen. Insbeson
dere im Magnetsättigungsbetrieb, d. h. wenn die Magnetkraft
unabhängig von der Gesamtzahl der vom Magnetkreis umfaßten
Windungen ist, ergibt sich ein einfacher Zusammenhang
zwischen der Wicklungsdichte und der auf den Läufer
ausgeübten Magnetkraft.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform des Linearmo
tors dargestellt, wobei analoge Teile mit gleichen Be
zugszeichen versehen sind, jedoch vermehrt um die Zahl
400. Der Linearmotor 410 weist zwei Seitenschenkel 416 und
418 auf, welche im Gegensatz zu den vorstehend beschrie
benen Ausführungsformen nicht durch einen Querschenkel
miteinander verbunden sind. Teilwicklungen 424a-d und
426a-d sind zwischen Polzähne 440 eingelegt. An den
Polzähnen sind Sensorelemente 438 angeordnet. Der Läufer
412 ist in diesem Ausführungsbeispiel H-förmig ausgebil
det. Die beiden Seitenteile 412a und 412b der H-Form sind
aus einem weichmagnetischen Material gebildet, wohingegen
das Querteil 412c der H-Form aus einem nicht magnetisier
baren Material gebildet ist. Die Länge des Querteils 412c
ist derart bemessen, daß bei gewünschter Bewegung des
Läufers in Richtung A das Seitenteil 412a immer dann zwei
Teilwicklungen der Wicklungen 424 und 426 verbindet, wenn
das Seitenteil 412b der H-Form zwei Polzähne 440 der
Seitenschenkel 416 und 418 verbindet (in Fig. 6 durchge
zogen dargestellte Stellung). Bei gewünschter Bewegung des
Läufers in entgegengesetzter Richtung A′ verbindet das
Seitenteil 412a immer dann zwei Polzähne 440 der Seiten
schenkel 416, 418 miteinander, wenn das Seitenteil 412b
zwei Teilwicklungen der Wicklungen 424 und 426 miteinander
verbindet (in Fig. 6 gestrichelt dargestellte Stellung).
Befindet sich der Läufer 412 in der in Fig. 6 durchgezogen
dargestellten Stellung und sind die Teilwicklungen 424b
und 426b mit Strom beschickt, so induzieren diese einen
Magnetfluß, der sich über die Seitenschenkel 416 und 418
und die Seitenteile 412a und 412b des Läufers 412 schließt
(unterbrochene Linie 413). Beim Übergang des Magnetflusses
von den Teilwicklungen 424b und 426b in das Seitenteil
412a wird eine in Richtung A gerichtete Lorentz-Kraft auf
das Seitenteil 412a erzeugt. Der Übertritt des Magnet
flusses von den Polzähnen 440 in das Seitenteil 412b
erzeugt auf dieses Seitenteil keine Kraft, da bei diesem
Übergang keine stromdurchflossenen Windungen durchsetzt
werden. Die gesamte, auf den Läufer 412 wirkende Kraft ist
somit in Richtung A gerichtet. Das Seitenteil 412a wird
als das aktive Teil des Läufers 412 und das Seitenteil
412b wird als das passive Teil des Läufers bezeichnet.
Analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen,
in welchen der Querschenkel das passive Teil bildete, ist
die auf den Läufer wirkende Kraft vom passiven zum aktiven
Teil hin gerichtet.
Befindet sich der Läufer 412 in der in Fig. 6 gestrichelt
dargestellten Stellung, so bildet nunmehr das Seitenteil
412b das aktive Teil und das Seitenteil 412a das passive,
den Rückschluß des Magnetflusses bewirkende Teil. Folglich
ist die auf den Läufer 412 in der gestrichelt
dargestellten Stellung einwirkende Kraft in Richtung A′,
d. h. der Richtung A entgegengesetzt, gerichtet.
Will man den Läufer 412 in Richtung A bewegen, so muß man
die Wicklungen 424 und 426 immer dann mit Strom beschic
ken, wenn sich der Läufer in der in Fig. 6 durchgezogen
dargestellten Stellung entsprechenden Relativstellungen
zum Stator 414 befindet. Befindet sich der Läufer 412
dagegen in der Fig. 6 gestrichelt dargestellten Stellung
entsprechenden Relativstellungen zum Stator 414, so muß
der Wicklungsstrom abgeschaltet sein, damit keine der
Bewegung des Läufers 412 in Richtung A entgegenwirkende,
in Richtung A′ gerichtete Kraft auf den Läufer ausgeübt
wird. Soll der Läufer hingegen in Richtung A′ beschleunigt
werden, so müssen die Wicklungen 424 und 426 immer dann
mit Strom beschickt werden, wenn sich der Läufer 412 in
der gestrichelten dargestellten Stellung entsprechenden
Relativlagen zum Stator 414 befindet, und immer dann
abgeschaltet sein, wenn sich der Läufer in der durchgezo
gen dargestellten Stellung entsprechenden Relativlagen zum
Stator 414 befindet. Die auf den Läufer 412 wirkende
Kraftrichtung kann somit durch eine entsprechende Steue
rung des Wicklungsstroms der Wicklungen 424 und 426 in
Abhängigkeit von der Relativlage des Läufers 412 und des
Stators 414 frei gewählt werden.
In Fig. 7 ist eine zylindersymmetrisch ausgebildete
Ausführungsform des Linearmotors gezeigt. Analoge Teile
sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, jedoch vermehrt
um die Zahl 500. Der Linearmotor 510 weist einen einen
Seitenschenkel des Jochs 522 bildenden zylindrischen
Jochkern 516 auf, welcher eine Wicklung 524 trägt, wobei
die Wicklung 524 in Fig. 7 teilweise durchbrochen darge
stellt ist, um den Blick auf den sie tragenden Jochkern
516 freizugeben. An dem dem freien Ende 528 gegenüberlie
genden Ende des Jochkerns 516 ist ein scheibenförmiger
Querschenkel 520 angebracht, welcher an seinem äußeren
Umfangsrand mit einen hohlzylindrischen Jochmantel 518
verbunden ist, welcher einen zweiten Seitenschenkel des
Jochs 522 bildet. Zwischen dem Jochkern 516 und dem
Jochmantel 518 ist ein Ringraum 542 ausgebildet, in
welchem ein hülsenförmiger Läufer 512, den Jochkern 516
umgreifend, aufgenommen ist. Um eine Kraftübertragung des
Läufers 512 auf einen außerhalb des Linearmotors 510
angeordneten, zu bewegenden Gegenstand (nicht gezeigt)
ausüben zu können, kann der Läufer 512 über ein in Fig. 7
nicht dargestelltes, nicht magnetisierbares, axial ver
laufendes Kraftübertragungsglied mit dem äußeren Gegen
stand verbunden sein. Alternativ kann in dem Jochmantel
518 ein Langloch (nicht dargestellt) vorgesehen sein,
welches von einem nicht magnetisierbaren, radial verlau
fenden und den Läufer 512 mit dem äußeren Gegenstand
verbindenden Kraftübertragungsglied durchsetzt ist.
Erfindungsgemäß wird ein Linearmotor bereitgestellt, bei
welchem vollständig auf einen Magneten im Läufer verzich
tet werden kann. Insbesondere kann auf den Einsatz von
Permanentmagneten verzichtet werden, wodurch ein wesent
licher Kostenfaktor des Linearmotors entfällt. Außerdem
ist der Linearmotor durch den Verzicht auf Permanentma
gneten nach Abschalten des Wicklungsstroms magnetisch
nicht aktiv. Der erfindungsgemäße Linearmotor kann in
beliebiger Weise mit Gleichstrom oder Wechselstrom be
trieben werden. Die auf den Läufer ausgeübte Kraft ist
unabhängig von der Stromrichtung des Wicklungsstroms. Der
Motor ist in der Lage beliebige weichmagnetische Teile
enthaltende Werkstücke oder dergleichen direkt anzutrei
ben, ohne daß diese mit einem gesondert vorzusehenden
Läufer verbunden werden müssen. In einigen Anwendungen ist
es insbesondere von Vorteil, daß der Antrieb der Werk
stücke vollständig berührungslos erfolgen kann. Von dem
erfindungsgemäßen Linearmotor können auch weichmagnetische
Pulver, weichmagnetische Anteile enthaltende Suspensionen
oder dergleichen angetrieben werden. Durch Einsatz von
Wicklungen mit örtlich variierender Wicklungsdichte können
beliebige, vorbestimmte Fahrprofile erzielt werden.
Claims (18)
1. Linearmotor (10; 110; 210; 410; 510) mit einem Stator
(14; 114; 214; 414; 514) und einem relativ zum Stator
bewegbaren Läufer,
- - wobei eines der Teile (14; 114; 214; 414; 514), Stator oder Läufer, ein Joch (22; 122; 222; 424; 524) aus einem magnetisch leitenden Material umfaßt, welches wenigstens zwei länglich ausge bildete Seitenschenkel (16, 18; 116, 118; 216, 218; 316; 416, 418; 516, 518) mit jeweils im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers (12; 112; 212; 412; 512) verlaufender Längsachse aufweist, und
- - wobei das eine Teil weiter wenigstens eine an wenigstens einem der Seitenschenkel (16, 18; 116, 118; 216, 218; 316; 416, 418; 516, 518) angeordnete Wicklung (24, 26; 124, 126; 224, 226; 324; 424; 426; 524) umfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das jeweils andere Teil (12; 112; 212; 412; 512),
Läufer bzw. Stator, zumindest teilweise aus einem
weichmagnetischen Material gebildet ist, keine zum
Antrieb des Linearmotors (10; 110; 210; 410; 510)
dienenden Magnetfelder erzeugende Bauteile aufweist
und die Seitenschenkel (16, 18; 116, 118; 216, 218; 316;
416, 418; 516, 518) als ein erstes Verbindungselement
magnetisch verbindet und
daß wenigstens ein zweites, aus einem weich
magnetischen Material gebildetes Verbindungselement
(20; 120; 220; 412a; 520) vorgesehen ist zur magnetischen
Verbindung der Seitenschenkel (16, 18; 116, 118; 216, 218;
316; 416, 418; 516, 518).
2. Linearmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das eine Teil von dem Stator (14; 114; 214; 414; 514)
und das andere Teil (12; 112; 212; 412; 512) von dem
Läufer gebildet ist.
3. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungen (324) eine in Richtung der
Längsachse des die jeweilige Wicklung tragenden
Seitenschenkels (316) variable Wicklungsdichte
aufweisen.
4. Linearmotor nach einem der vorhergehenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den Seitenschenkeln (16, 18; 116, 118; 216, 218;
316; 416, 418; 516, 518) Sensorelemente (30, 34; 130; 238;
438) vorgesehen sind zur Erfassung der Relativ
stellung von Stator (14; 114; 214; 414; 514) und Läufer
(12; 112; 212; 412; 512) und
daß die Beschickung der Wicklungen
(24, 26; 124, 126; 224, 226; 324; 424; 426; 524) mit Strom in
Abhängigkeit der von den Sensorelementen (30, 34; 130;
238; 438) erfaßten Signale erfolgt.
5. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Wicklungsabschnitte (224a-i, 226a-i; 424a-d, 426a-d)
der Wicklungen (224; 226; 424, 426) zwischen am Joch
(220; 420) vorgesehenen Polzähnen (240; 440) angeordnet
sind.
6. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Joch (22; 122; 222; 522) wenigstens einen
Querschenkel (20; 120; 220; 520) als das wenigstens eine
zweite Verbindungselement aufweist.
7. Linearmotor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der wenigstens eine Querschenkel (120) jeweils
einen relativ zu den Seitenschenkeln (116, 118) aus
einer von den Längsachsen der Seitenschenkel
(116, 118) festgelegten Ebene versetzten
Hauptabschnitt (120a) aufweist, welcher mit den
Seitenschenkeln (116, 118) über jeweils einen
Verbindungsabschnitt (120b) verbunden ist.
8. Linearmotor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das andere Teil (412) sowohl das erste als auch
das zweite Verbindungselement (412a, 412b) umfaßt,
wobei der Abstand zwischen beiden Verbindungs
elementen (412a, 412b) derart bemessen ist, daß eines
der Verbindungselemente (412a) dann Wicklungs
abschnitte (424a-d, 426a-d) der Seitenschenkel
(416, 418) verbindet, wenn das jeweils andere
Verbindungselement (412b) Polzähne (440) der
Seitenschenkel (416, 418) miteinander verbindet.
9. Linearmotor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und das zweite Verbindungselement
(412a, 412b) an dem anderen Teil (412) in
Bewegungsrichtung des Läufers voneinander im Abstand
angeordnet sind und durch ein im wesentlichen nicht
magnetisierbares Kupplungselement (412c) fest
miteinander verbunden sind.
10. Linearmotor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das andere Teil stabförmig ausgebildet ist, wobei
die Länge des anderen Teils derart bemessen ist, daß
es mit einem seiner Längsenden dann Wicklungsab
schnitte der Seitenschenkel verbindet, wenn es mit
dem jeweils anderen Längsende Polzähne der Seiten
schenkel miteinander verbindet.
11. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Linearmotor (510) zylindersymmetrisch
ausgebildet ist mit einem einen Seitenschenkel des
Jochs bildenden, die Motorachse festlegenden,
zylindrischen Jochkern (516) und einem einen zweiten
Seitenschenkel des Jochs bildenden, den Jochkern
unter Bildung eines Ringraums im Abstand
umgreifenden, hohlzylindrischen Jochmantel (618),
wobei das andere Teil (512) hülsenförmig ausgebildet
ist und im Ringraum angeordnet ist.
12. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine einenends am Stator (14) und andernends am
Läufer (12) befestigte elastische Vorspannein
richtung, vorzugsweise eine Zugfeder (32), vorgesehen
ist zur Vorspannung des Läufers (12) in eine Ausgangs
stellung.
13. Linearmotoranordnung, umfassend wenigstens zwei in
einer Normalenrichtung aufeinanderfolgend angeordnete
Linearmotoren (10, 10′) nach einem der Ansprüche 6-11
mit im wesentlichen parallel zueinander ver
laufenden Seitenschenkellängsachsen,
- - wobei die Normalenrichtung senkrecht zu einer von den Längsachsen der Seitenschenkel (14, 16; 14′, 16′) festgelegten Ebene verläuft und
- - wobei die Querschenkel (20, 20′) benachbarter Linearmotoren an entgegengesetzten Enden der Seitenschenkel angeordnet sind.
14. Linearmotoranordnung, umfassend in Bewegungsrichtung
des Läufers aufeinanderfolgend angeordnete
Linearmotoren nach einem der Ansprüche 2-12.
15. Anwendung des Linearmotors bzw. der Linearmotor
anordnung nach einem der Ansprüche 2-14, zum
Transport von weichmagnetische Teile aufweisenden
Werkstücken.
16. Anwendung des Linearmotors bzw. der Linearmotor
anordnung nach einem der Ansprüche 2-14, zum
Transport von weichmagnetischen Pulvern.
17. Anwendung des Linearmotors bzw. der Linearmotor
anordnung nach einem der Ansprüche 2-14, zum
Transport von weichmagnetische Anteile enthaltenden
Suspensionen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914107529 DE4107529C2 (de) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | Linearmotor II |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914107529 DE4107529C2 (de) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | Linearmotor II |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4107529A1 true DE4107529A1 (de) | 1992-09-17 |
DE4107529C2 DE4107529C2 (de) | 1994-05-26 |
Family
ID=6426829
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914107529 Expired - Fee Related DE4107529C2 (de) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | Linearmotor II |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4107529C2 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2423641A (en) * | 2005-02-23 | 2006-08-30 | Noside Ltd | Rotary and linear electromagnetic reciprocating machine |
EP3013723A4 (de) * | 2013-06-27 | 2017-04-12 | Otis Elevator Company | Selbstfahrendes aufzugssystem mit zur kabinengeschwindigkeit proportionalen wicklungen |
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US3135880A (en) * | 1958-11-10 | 1964-06-02 | Tronics Corp | Linear motion electromagnetic machines |
US3247406A (en) * | 1961-10-03 | 1966-04-19 | Toesca Rene Antoine Michel | Electromechanical energy converting device |
DE2929475C2 (de) * | 1978-07-26 | 1983-12-15 | Societe D'applications Generales D'electricite Et De Mecanique Sagem, 75783 Paris | Gleichstrom-Unipolarmaschine |
-
1991
- 1991-03-08 DE DE19914107529 patent/DE4107529C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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HAJEK, M. u.a.: Hybrid linearmotors. In: PROC. IEE, Vol. 125, 1978, No. 12, S. 1357-1362 * |
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US10280041B2 (en) | 2013-06-27 | 2019-05-07 | Otis Elevator Company | Self-propelled elevator system having windings proportional to car velocity |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4107529C2 (de) | 1994-05-26 |
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