DE4107529C2 - Linearmotor II - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Linearmotor ist beispielsweise aus der gattungsbildenden US 3 247 406 bekannt. Der bekannte Linearmotor weist ein im wesentlichen U-förmiges, zwei Seitenschenkel und einen Querschenkel umfassendes Joch auf. Zwischen die Seitenschenkel ist ein Läufer eingesetzt, der keine zum Antrieb des Linearmotors dienenden Magnetfelder erzeugenden Bauteile aufweist. Ferner sind an einem der beiden Seitenschenkel Wicklungen zum Antrieb des Linearmotors vorgesehen. Diese Wicklungen sind mit im wesentlichen orthogonal zur Bewegungsrichtung verlaufender Wicklungsachse auf vom Seitenschenkel zum Läufer hin vorstehenden Polzähnen angeordnet.

Der aus der US 3 247 406 bekannte Linearmotor arbeitet nach dem bekannten Reluktanz-Prinzip. Gemäß diesem Prinzip versucht der Läufer, gegenüber den Wicklungen eine Position einzunehmen, in welcher der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises (die Reluktanz) einen möglichst geringen Wert einnimmt. Dies ist dann der Fall, wenn der Läufer dem die jeweilige Wicklung tragenden Polzahn gegenüberliegt. Wird der Läufer aus dieser energetisch günstigsten Lage ausgelenkt, so wird auf ihn eine zu dieser Lage hin gerichtete Rückstellkraft ausgeübt. Nach dem Reluktanz-Prinzip arbeitende Linearmotoren widersetzen sich somit einer Auslenkung des Läufers aus der energetisch günstigsten Position und eignen sich daher nicht zur Bewegung von Läufern über große Entfernungen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen nach einem neuen Prinzip arbeitenden Linearmotor bereitzustellen, der auch zur Bewegung von Läufern über große Entfernungen eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die in dem magnetischen Kreis enthaltenen Windungen der an den Seitenschenkeln vorgesehen Wicklungen 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 befindlichen, stromdurchflossenen Windungen. Hieraus resultiert eine Lorentz-Kraft auf den Läufer. Durch die Anordnung der Wicklungsachse parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers können entlang dessen Bewegungsbahn ausschließlich solche stromdurchflossenen Windungen vorgesehen sein, die eine in Bewegungsrichtung des Läufers gerichtete Lorentz-Kraft auf den Läufer ausüben. Somit nimmt erfindungsgemäß bei der Bewegung des Läufers in seine Bewegungsrichtung die Anzahl der vom Magnetkreis umfaßten, den Läufer vorantreibenden Windungen zu. Da auf den Läufer des erfindungsgemäßen Linearmotors gemäß vorstehendem stets eine in seine Bewegungsrichtung gerichtete Kraft ausgeübt wird, unterliegt die Länge des Linearmotors, d. h. der Seitenschenkel, praktisch keinen Beschränkungen, so daß der Linearmotor auch zur Bewegung von Läufern über große Entfernungen eingesetzt werden kann.

Der die Wicklungen durchfließende Strom wechselwirkt 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 daher 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 Anzahl 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 magnetischen Leitwerts des Jochmaterials, der Anzahl der von dem magnetischen Kreis insgesamt umfaßten Windungen und dem Wert der Stromstärke des die Wicklungen durchfließenden 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 Sättigungswert 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 Übergangsbereichen zwischen Läufer und Stator enthaltenen Windungen.

Aus dem in der Zeitschrift Proc. IEE, 1978, Nr. 12, S. 1357-1362 erschienen Artikel mit dem Titel "Hybrid Linear Motor" ist ein nicht gattungsgemäßer Linearmotor bekannt, der entweder nach dem Reluktanz-Prinzip als Schrittmotor betrieben werden kann oder als kontinuierlich arbeitender Linearmotor. Wie aus dem Artikel hervorgeht, wird der Linearmotor in letzterem Fall als Asynchron-Maschine betrieben. Der bekannte Linearmotor arbeitet also nach einem bekannten Antriebsprinzip.

Aus der nicht gattungsgemäßen DE 29 29 475 C2 ist ein permanentmagnetisch erregter Linearmotor bekannt. Bei diesem Linearmotor ist an beiden Enden der Seitenschenkel jeweils ein diese Enden verbindender Permanentmagnet angeordnet. Würde man die beiden Permanentmagnete zur Bildung eines im wesentlichen U-förmigen Jochs durch weichmagnetische Querschenkel ersetzen, so könnte auf den Läufer keine diesen antreibende Kraft ausgeübt werden.

Aus der nicht gattungsgemäßen US 3 135 880 ist ebenfalls ein permanentmagnetisch erregter Linearmotor bekannt. Bei diesem Linearmotor ist der Permanentmagnet im Läufer angeordnet.

Gemäß vorstehendem arbeiten die aus der DE 29 29 475 C2 und der US 3 135 880 bekannten, permanentmagnetisch erregten Linearmotoren nach einem grundlegend anderen Antriebsprinzip als die aus der US-A 3 247 406 und dem vorstehend genannten Zeitschriftenartikel bekannten, elektromagnetisch erregten Linearmotoren.

In den abhängigen Ansprüchen 2-8 sind besonders günstige und vorteilhafte Weiterbildungen des Linearmotors gemäß Anspruch 1 angegeben.

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.

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 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 betrifft ferner einen Linearmotor mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 14. Dieser Anspruch geht in seinem Oberbegriff ebenfalls von der US 3 247 406 aus, bezüglich derer auf die vorstehende Diskussion verwiesen wird.

Auch der Linearmotor gemäß dem nebengeordneten Anspruch 14 löst die vorstehend genannte, erfindungsgemäße Aufgabe, einen nach einem neuen Prinzip arbeitenden Linearmotor bereitzustellen, der auch zur Bewegung von Läufern über große Entfernungen eingesetzt werden kann.

Der Linearmotor gemäß Anspruch 14 arbeitet nach dem gleichen, vorstehend beschriebenen Antriebsprinzip wie der Linearmotor gemäß Anspruch 1. Er weist gegenüber diesem lediglich den baulichen Unterschied auf, daß zum einen die Wicklungen an den Seitenschenkeln in Wicklungsabschnitte unterteilt sind, welche zwischen Polzähnen der Seitenschenkel angeordnet sind, und daß zum anderen beide Verbindungselemente den Läufer bildend zusammen bewegt werden, wobei eines mit Wicklungsabschnitten wechselwirkt und für den Vortrieb des Läufers sorgt, während das jeweils andere lediglich dem magnetischen Rückschluß dient.

Aufgrund des erfindungsgemäß angegebenen Abstands der beiden Verbindungselemente am anderen Teil, insbesondere Läufer, kann der magnetische Fluß stets über relativ kurze Weglängen 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 Verbindungselement (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 durchsetzt. 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 entsprechende 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 gewünschte Bewegungsrichtung angeordnet.

In den abhängigen Ansprüchen 15-21 sind vorteilhafte und besonders günstige Weiterbildungen des Linearmotors gemäß Anspruch 14 angegeben.

Insbesondere wird vorgeschlagen, daß das erste und zweite Verbindungselement durch ein im wesentlichen nicht magnetisierbares Kupplungselement fest miteinander verbunden sind. Hierdurch können Verluste des Magnetflusses durch Übertritt von einem Verbindungselement zum anderen Verbindungselement auf ein Mindestmaß reduziert 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 Längsenden dann Wicklungsabschnitte der Seitenschenkel verbindet, wenn es mit dem jeweils anderen Längsende Polzähne der Seitenschenkel miteinander verbindet. Diese Ausführungsform kann mit einfach aufgebauten Läufern betrieben werden. So können mit ihr beispeilsweise länglich ausgebildete, weichmagnetische Werkstücke transportiert werden, die gleichzeitig als Läufer dienen.

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. 2 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 Linearmotor-Anordnung 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 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 (21)

1. Linearmotor (10; 110; 210; 510) mit einem Stator (14; 114; 214; 514) und einem relativ zum Stator bewegbaren Läufer, wobei eines der Teile, Stator (14; 114; 214; 514) oder Läufer, ein im wesentlichen U-förmiges Jochteil (22; 122; 222; 524) aus einem weichmagnetischen Material umfaßt, welches wenigstens zwei länglich ausgebildete Seitenschenkel (16, 18; 116, 118; 216, 218; 316; 516, 518) mit jeweils im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers (12; 112; 212; 512) verlaufender Längsachse und einen die Seitenschenkel magnetisch verbindenden Querschenkel (20; 120; 220; 520) aufweist, und wobei das eine Teil weiter wenigstens eine an wenigstens einem der Seitenschenkel (16, 18; 116, 118; 216, 218; 316; 516, 518) angeordnete Wicklung (24, 26; 124, 126; 224, 226; 324; 524) mit einer Wicklungsachse umfaßt, und wobei das jeweils andere Teil, Läufer (12; 112; 212; 512) oder Stator, zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist, keine zum Antrieb des Linearmotors (10; 110; 210; 510) dienenden Magnetfelder erzeugende Bauteile aufweist und die Seitenschenkel (16, 18; 116, 118; 216, 218; 316; 516, 518) magnetisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsachse im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers (12; 112; 212; 512) verlaufend angeordnet ist, so daß bei Bewegung des Läufers (12; 112; 212; 512) in seine Bewegungsrichtung die Anzahl der von einem die Seitenschenkel und Verbindungselemente umfassenden magnetischen Kreis umschlossenen Windungen der Wicklungen zunimmt.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Teil von dem Stator (14; 114; 214; 514) und das andere Teil (12; 112; 212; 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; 516, 518) Sensorelemente (30, 34; 130; 238) vorgesehen sind zur Erfassung der Relativstellung von Stator (14; 114; 214; 514) und Läufer (12; 112; 212; 512) und
daß die Beschickung der Wicklungen (24, 26; 124, 126; 226; 324; 524) mit Strom in Abhängigkeit der von den Sensorelementen (30, 34; 130; 238) erfaßten Signale erfolgt.

5. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wicklungsabschnitte (224a-i, 226a-i) der Wicklungen (224; 226) zwischen am Joch (220) vorgesehenen Polzähnen (240) angeordnet sind.

6. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.

7. 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 (518), wobei das andere Teil (512) hülsenförmig ausgebildet ist und im Ringraum angeordnet ist.

8. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine einenends am Stator (14) und andernends am Läufer (12) befestigte, elastische Vorspanneinrichtung, vorzugsweise eine Zugfeder (32), vorgesehen ist zur Vorspannung des Läufers (12) in eine Ausgangs­ stellung.

9. Linearmotoranordnung, umfassend wenigstens zwei in einer Normalenrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Linearmotoren (10, 10′) nach einem der Ansprüche 1-7, mit im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden 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.

10. Linearmotoranordnung, umfassend in Bewegungsrichtung des Läufers aufeinanderfolgend angeordnete Linearmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

11. Anwendung des Linearmotors bzw. der Linearmotoranordnung nach einem der Ansprüche 2-10 zum Transport von weichmagnetische Teile aufweisenden Werkstücken.

12. Anwendung des Linearmotors bzw. der Linearmotoranordnung nach einem der Ansprüche 2-10 zum Transport von weichmagnetischen Pulvern.

13. Anwendung des Linearmotors bzw. der Linearmotoranordnung nach einem der Ansprüche 2-10 zum Transport von weichmagnetische Anteile enthaltenden Suspensionen.

14. Linearmotor (410) mit einem Stator (412) und einem relativ zum Stator bewegbaren Läufer (412),
wobei eines der Teile, Stator (414) oder Läufer, wenigstens zwei länglich ausgebildete Seitenschenkel (416, 418) aus einem magnetisch leitenden Material und mit jeweils im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers (412) verlaufender Längsachse umfaßt, und
wobei das eine Teil weiter an wenigstens einem der Seitenschenkel (416, 418) angeordnete Wicklungsabschnitte (424a-d, 426a-d) mit einer Wicklungsachse umfaßt,
wobei das jeweils andere Teil, Läufer (412) oder Stator, zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist, keine zum Antrieb des Linearmotors (410) dienenden Magnetfelder erzeugende Bauteile aufweist und die Seitenschenkel (416, 418) als ein erstes Verbindungselement (412a) magnetisch verbindet, und
wobei ein zweites, aus einem weichmagnetischen Material gebildetes Verbindungselement (412b) vorgesehen ist zur magnetischen Verbindung der Seitenschenkel (416, 418), dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungsachse im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers verlaufend angeordnet ist,
daß die Wicklungsabschnitte (424a-d, 426a-d) zwischen an den Seitenschenkeln (416, 418) vorgesehenen Polzähnen angeordnet sind, und
daß das andere Teile (412) sowohl das erste als auch das zweite Verbindungselement (412a, 412b) umfaßt, wobei der Abstand zwischen beiden Verbindungselementen (412a, 412b) derart bemessen ist, daß eines seiner Verbindungselemente (412a) dann Wicklungsabschnitte (424a-d, 426a-d) der Seitenschenkel (416, 418) verbindet, wenn das jeweils andere Verbindungselement (412b) Polzähne (440) der Seitenschenkel (416, 418) miteinander verbindet.

15. Linearmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Teil von dem Stator (414) und das andere Teil von dem Läufer (412) gebildet ist.

16. Linearmotor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (324) eine in Richtung der Längsachse des die jeweilige Wicklung tragenden Seitenschenkels (316) variable Wicklungsdichte aufweisen.

17. Linearmotor nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet,
daß an den Seitenschenkeln (416, 418) Sensorelemente (438) vorgesehen sind zur Erfassung der Relativstellung von Stator (414) und Läufer (412) und
daß die Beschickung der Wicklungen (424) mit Strom in Abhängigkeit der von den Sensorelementen (438) erfaßten Signale erfolgt.

18. Linearmotor nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Verbindungselement (412a, 412b) an dem ersten Teil (412) in Bewegungsrichtung des Läufers voneinander im Abstand angeordnet sind und durch ein im wesentlichen nicht magnetisierbares Kupplungselement (412c) fest miteinander verbunden sind.

19. Linearmotor nach einem der Ansprüche 14-17, 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 Wicklungsabschnitte der Seitenschenkel verbindet, wenn es mit dem jeweils anderen Längsende Polzähne der Seitenschenkel miteinander verbindet.

20. Linearmotor nach einem der Ansprüche 14-19, 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 (518), wobei das andere Teil (512) hülsenförmig ausgebildet ist und im Ringraum angeordnet ist.

21. Linearmotor nach einem der Ansprüche 14-20, dadurch gekennzeichnet, daß eine einenends am Stator (14) und andernends am Läufer (12) befestigte elastische Vorspanneinrichtung, vorzugsweise eine Zugfeder (32), vorgesehen ist zur Vorspannung des Läufers (12) in eine Ausgangsstellung.