DE4217357C2 - Linearmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearmotor mit zylindrischem Luftspalt und ringförmigen Spulen in Nu­ ten des Ständers, wobei der Ständer Ringscheiben, die in einer Schichtung mit den Spulen abwechseln, und ein außen anliegendes Ständerjoch und der Läufer Ringschei­ ben aufweist.

Bei einem bekannten Linearmotor dieser Art, wie er aus der US-PS 31 35 879 bekannt ist, bestehen die Spulen des Ständers aus jeweils einem Wickel. Das eine Ende des Wickels muß daher seitlich neben dem Wickel radial nach außen geführt werden, um es mit einer Zuleitung zu verbinden. Die Spulen liegen mithin nicht großflächig und dementsprechend nicht stabil an den benachbarten Ringscheiben an. Die radialen, seitlich neben den Spu­ len herausgeführten Wicklungsdrahtabschnitte bedürfen neben dem üblichen Isolationslack einer zusätzlichen Isolation, um eine Beschädigung des Isolationslacks beim axialen Verspannen der Wickel und Ringscheiben zu vermeiden. Dies ergibt bei einer Vielzahl von Spulen und entsprechend hoher Nennleistung des Linearmotors einen axial langen Aufbau. Bezüglich der Ausbildung des Läufers ist angegeben, daß er zylindrisch oder recht­ eckförmig sein oder eine gekrümmte Form aufweisen und hohl, massiv oder mit Umfangsnuten zur Aufnahme einer Sekundärwicklung versehen sein kann. Vorzugsweise soll er gestapelte Bleche aufweisen. In den Nuten sollen toroidförmige Ringleiter angeordnet sein.

Aus der DE-OS 21 09 241 ist ein Linearmotor mit zylin­ drischem Luftspalt, ringförmigen Spulen in Nuten des Ständers und einem Läufer bekannt, wobei der Ständer Ringscheiben, die in einer Schichtung mit den Spulen abwechseln, und ein außen anliegendes Ständerjoch auf­ weist. Der Läufer besteht dort jedoch aus einem massi­ ven Zylinder mit einem Kern aus Stahl und einem Mantel aus elektrisch leitendem Metall. Die durch den Ständer im Läufer induzierten Ströme erzeugen hierbei nur schwache Magnetfelder im Luftspalt. Mit einem solchen Motor lassen sich daher nur geringe Axialkräfte auf den Läufer im Vergleich zur zugeführten Leistung ausüben.

Aus der US-PS 38 52 627 ist ein Ständer eines Linearmo­ tors bekannt, der zum Ziehen von Rohren oder derglei­ chen dient. Der Ständer besteht aus unlamellierten Ringscheiben, zwischen denen Spulen angeordnet sind. Die Spulen sind von Ständerringen mit einem radialen Abstand von den Spulen umgeben. In die Ringräume zwi­ schen den Spulen und Ständerringen wird Kühlluft gebla­ sen.

Die DE-AS 19 37 430 zeigt einen Läufer lediglich aus schrägen Kupferringen mit einer dazwischen angeordneten Isolation.

Ein herkömmlicher Solenoid-Linearmotor mit zylin­ drischem Luftspalt, ringförmigen Spulen in den Nuten des Ständers und Leiterringen in den Nuten des Läufers hat gegenüber einem Einzelkamm- oder Doppelkamm-Linear­ motor den Vorteil, daß keine Wickelköpfe benötigt wer­ den und daher die Spulen und Leiter ringförmig ausge­ bildet und in Ringnuten eingelegt werden können. Nach­ teile gibt es dagegen in fertigungstechnischer Hin­ sicht, und zwar sowohl hinsichtlich der Herstellung von Ständer und Läufer als auch hinsichtlich des Einbrin­ gens der Spulen bzw. Leiterringe in die Nuten. Daher ist ein solcher Motor bisher noch nicht in die Praxis eingeführt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linear­ motor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der auf einfache Weise hergestellt werden kann und einen axial kompakteren Aufbau hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Läufer aus den Ringscheiben, die in einer Schich­ tung mit Leiterringen abwechseln, und einem innen an­ liegenden Läuferjoch zusammengesetzt ist, daß die Ring­ scheiben des Läufers und das Läuferjoch die Nuten für die Leiterringe bilden, daß das Läuferjoch ein massives Rohr aufweist und daß die Spulen derart gewickelt sind, daß sich zwei nebeneinander angeordnete Wickel ergeben, die innen über eine Windung miteinander verbunden sind und außen die beiden Anschlußenden aufweisen.

Bei der Herstellung brauchen lediglich die Ringscheiben mit den Spulen bzw. Leiterringen zu einem Stapel ge­ schichtet zu werden, der dann durch das außen bzw. in­ nen angesetzte Joch auf einfache Weise zum Ständer bzw. Läufer vervollständigt wird. Der Luftspalt an der Stoß­ stelle zwischen Ringscheiben und Joch spielt im Magnet­ kreis im Vergleich zum Arbeits-Luftspalt nur eine un­ tergeordnete Rolle und kann daher in Kauf genommen wer­ den. Im übrigen läßt er sich durch entsprechende Bear­ beitung klein halten.

Bei diesem Vorgehen entfällt nicht nur das schwierige Einlegen der Spulen und Leiterringe in die Nuten, son­ dern auch ein Stanzen von Nuten. Insbesondere gibt es keine komplizierten und aufwendigen Nutschnitte wie bei Kamm-Motoren. Die Zahnbreite, Nutteilung oder Poltei­ lung läßt sich einfach durch Verwendung unterschiedlich dicker Ringscheiben und Spulen bzw. Leiterringe ändern. Alle Teile sind einfach aufgebaut und können in Serie preiswert hergestellt werden.

Die spezielle Wickelart sorgt dafür, daß die Ring­ scheiben und die Spulen dicht aufeinander geschichtet werden können, weil sich die Anschlußenden außen befin­ den und daher kein Anschlußdraht zum Inneren der Spule hin geführt werden muß.

Wegen der gleichmäßigen Wandstärke des rohrförmigen Läuferjochs, die auch verhältnismäßig klein gehalten werden kann, ergibt sich ein kleines Trägheitsmoment in Bewegungsrichtung.

Günstig ist es, daß die Ringscheiben jeweils aus einem Stapel ringförmiger Bleche bestehen. Dies führt zu ei­ ner einfachen Bauweise mit geringer Nutstreuung. Wir­ belströme spielen in axialer Richtung keine wesentliche Rolle und in Umfangsrichtung nur bei höheren Frequen­ zen, die bei vielen Anwendungszwecken, beispielsweise bei der Axialverstellung von Maschinenelementen bei Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen u. dgl., gar nicht erforderlich sind, weil mit 10 Hz bereits eine Ge­ schwindigkeit von 1 bis 2 m/s erzielt werden kann.

Für den Fall, daß Wirbelströme in Umfangsrichtung ver­ mieden werden müssen, können die Ringscheiben bzw. Ble­ che ein- oder mehrfach geschlitzt sein.

Zweckmäßig ist es auch, daß das Ständerjoch und/oder das Läuferjoch mindestens eine etwa in Achsrichtung verlaufende Trennfuge aufweist. Diese Trennfuge verhin­ dert ebenfalls in Umfangsrichtung verlaufende Wirbel­ ströme.

Diese Trennfuge erreicht man insbesondere, wenn das Ständerjoch und/oder das Läuferjoch aus über den Umfang verteilten Blechpaketen gebildet ist, die aus in Achs­ richtung verlaufenden Blechen bestehen. Außerdem läßt sich das Joch sehr einfach aus diesen Blechen zusammen­ setzen.

Eine Alternative besteht darin, daß das Ständerjoch und/oder das Läuferjoch aus massivem weichmagnetischen Eisen oder Stahl besteht. Dies führt zu einer einfachen stabilen Bauweise, bei der die massiven Joche die Stützstruktur für den Ständer bzw. den Läufer überneh­ men. Sie ist insbesondere bei niedrigen Frequenzen ein­ setzbar, insbesondere dann, wenn die Eindringtiefe des magnetischen Feldes größer ist als die Jochhöhe.

Besonders günstig ist es, wenn auch das Ständerjoch ein massives Rohr aufweist.

Beim Ständer besteht die Möglichkeit, daß das Ständer­ joch einen Doppelmantel aufweist und der Mantelzwi­ schenraum mit einer Kühlmittelzu- und -abführleitung verbunden ist. In ähnlicher Weise besteht beim Läufer die Möglichkeit, den Innenraum des rohrförmigen Läufer­ jochs mit einer Kühlmittelzu- und -abführleitung zu verbinden, so daß man den Linearmotor mit einem flüssi­ gen oder gasförmigen Kühlmittel kühlen kann. Hierdurch wird die Kraft- und Leistungsdichte erhöht und dadurch die Motor-Baugröße verkleinert. Bei sehr tiefen Tempe­ raturen kann der elektrische Widerstand der Leiter re­ duziert werden.

Des weiteren ist es von Vorteil, daß die Leiterringe des Läufers schräg gestellt sind. Die Ebenen der Ring­ scheiben sind daher gegenüber der Querschnittsebene des Läufers geneigt. Die Schrägung der Leiterringe führt zu einem gleichmäßigen Antriebsmoment bei der Axialbewe­ gung.

Günstig ist es auch, daß die Spulen am Innenumfang teilweise durch Leitringe aus weichmagnetischem Materi­ al abgedeckt sind. Diese liegen an den Ringscheiben des Ständerjochs an oder sind einteilig mit ihnen ausgebil­ det. Hierdurch wird eine bessere Verteilung des Magnet­ flusses im Luftspalt erreicht analog der Verwendung von Nutschlitzen bei rotierenden Asynchronmotoren. Dies führt zu einer Verbesserung des Carter-Faktors und ei­ ner höheren Motorleistung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Linearmotor,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der wesentlichen Bauteile des Linearmotors,

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform in der Darstel­ lung der Fig. 3 und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Spule.

Der Linearmotor der Fig. 1 bis 3 weist einen Ständer 1 und einen Läufer 2 auf, die zwischen sich einen zylindri­ schen Luftspalt 3 bilden. Der Läufer 2 ist an beiden Enden mit hohlen Zapfen 4 und 5 versehen, die mittels Wälzla­ gern 6 und 7 in Lagerbuchsen 8 und 9 des Stators geführt sind. Über ein Schraubgewinde 10 am Zapfen 5 kann das anzutreibende Element, beispielsweise der Support einer Werkzeugmaschine oder die Legeschiene einer Kettenwirk­ maschine, angeschlossen werden. Der Stator 1 weist einen Stapel aus geschichteten Ringscheiben 11 auf, zwischen denen sich je eine ringförmige Spule 12 befindet. Dieser Stapel ist außen durch ein Joch 13 abgedeckt, das hier aus mehreren achsparallelen Streifen 14 bzw. 14a gebildet ist. Zwischen den Streifen verbleiben axial verlaufende Trennuten 15. Die Ständerjochstreifen 14 sind in den Fig. 1 und 2 durch Blechpakete gebildet, deren Bleche in Um­ fangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und sich in Axialrichtung erstrecken. Dies ergibt einen guten magne­ tischen Rückschluß, ohne daß im Ständerjoch 13 Wirbelströ­ me zu befürchten sind. In Fig. 3 bestehen die Streifen aus massivem Weicheisen oder Stahl.

Die Ständerwicklung ist als Drehstromwicklung ausgelegt. Der Ständer 1 kann fer­ ner mit einem Rippenkörper 16 zur besseren Wärmeabfuhr versehen werden, wie es in Fig. 2 angedeutet ist.

Der Läufer 2 weist ebenfalls einen Stapel auf, der aus Ringscheiben 17, welche mit Leiterringen 18 abwechseln, zusammengesetzt ist. Die Leiterringe 18 bestehen vorzugs­ weise aus Kupfer und die Ringscheiben 17 aus Paketen ring­ förmiger Bleche. Als Läuferjoch 19 dient ein massives Rohr aus Weicheisen, an dessen Enden der hohle Zapfen 4 angeschraubt und der hohle Zapfen 5 angeschweißt ist. Infolge der inneren Hohlräume 20, 21 und 22 ergibt sich ein Läufer mit geringer Masse und entsprechend geringer Trägheit.

Schematisch ist eine Kühlmittelzuleitung 23 und eine Kühl­ mittelableitung 24 veranschaulicht, die eine Innenkühlung des Läufers durch ein gasförmiges oder flüssiges Kühl­ mittel erlauben.

Der Zusammenbau dieses Linearmotors ist sehr einfach. Es brauchen lediglich die Teile des Ständers 1 axial an­ einandergefügt und außen mit dem Jochstreifen 14 verse­ hen zu werden. In gleicher Weise werden beim Läufer 2 die Teile axial aneinandergefügt und innen mit dem Joch 19 versehen. Dann wird der Läufer in den einseitig noch offenen Ständer geschoben und schließlich die Lagerbuchse 8 angefügt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist ein Ständer 101 mit Ringscheiben 111 versehen, die aus geschlitzten ring­ förmigen Blechen bestehen, so daß sich in Umfangsrichtung eine Trennfuge 115 ergibt. Das Ständerjoch 113 besteht in diesem Falle aus einem massiven Rohr 114 aus Weichei­ sen oder Stahl.

Der Läufer 102 weist ebenfalls Ringscheiben 117 auf, die durch Schlitzung eine Trennfuge 115a erhalten. Das Läu­ ferjoch 119 ist wiederum als Rohr ausgebildet, besitzt aber zwei in Axialrichtung verlaufende Trennfugen 115b zur Unterdrückung der Wirbelströme.

Das massive Rohr 114 ist durch einen weiteren Zylinder 125 zu einem Doppelmantel ergänzt. Der Mantelzwischenraum 126 ist mit einer schematisch gezeichneten Kühlmittelzu­ führleitung 123 und einer schematisch veranschaulichten Kühlmittelabfuhrleitung 124 versehen, so daß der Ständer 101 ebenfalls durch ein gasförmiges oder flüssiges Kühl­ mittel gekühlt werden kann.

Fig. 5 zeigt eine Spule 212, die aus Flachleitern 227 gewickelt ist. Es gibt zwei nebeneinander angeordnete Wickel 228 und 229, die an der Innenseite durch eine Windung 230 miteinander verbunden sind. Das ermöglicht es, beide Anschlußenden 231 und 232 an der Außenseite der Spule vorzusehen, so daß die An­ schlußdrähte den Zusammenbau der Stapel nicht behindern.

Der Innenumfang 233 der Spule 212 ist teilweise durch zwei Leitringe 234 und 235 aus weichmagnetischem Eisen oder Stahl abgedeckt, so daß zwischen ihnen ein Spalt 236 verbleibt, dessen axiale Breite wesentlich geringer ist als die Spulenbreite. Die Leitringe liegen nach dem Zusammenbau des Stapels mit ihren einander abgewandten Stirnflächen an den Ringscheiben 11 an, die zu diesem Zweck eine radiale Erstreckung haben, die gleich der Summe der radialen Erstreckungen von Leitring und Spule ist. Hierdurch werden die magnetischen Verhältnisse im Luft­ spalt ganz wesentlich verbessert.

Von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann in viel­ facher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die Ringscheiben 11 einstückig mit den Leitringen 234 bzw. 235 ausgebildet sein.

Claims (11)

1. Linearmotor mit zylindrischem Luftspalt und ring­ förmigen Spulen (12; 112) in Nuten des Ständers (1; 101), wobei der Ständer (1; 101) Ringscheiben (11; 111), die in einer Schichtung mit den Spulen (12; 212) abwechseln, und ein außen anliegendes Ständer­ joch (13; 113) und der Läufer Ringscheiben (17; 117) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Läu­ fer (2) aus den Ringscheiben (17; 117), die in ei­ ner Schichtung mit Leiterringen (18) abwechseln, und einem innen anliegenden Läuferjoch (19; 119) zusammengesetzt ist, daß die Ringscheiben des Läu­ fers (2) und das Läuferjoch (19; 119) die Nuten für die Leiterringe (18) bilden, daß das Läuferjoch (19; 119) ein massives Rohr aufweist und daß die Spulen (12; 212) derart gewickelt sind, daß sich zwei nebeneinander angeordnete Wickel (228, 229) ergeben, die innen über eine Windung (230) mitein­ ander verbunden sind und außen die beiden An­ schlußenden (231, 232) aufweisen.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ringscheiben (11, 17; 111, 117) je­ weils aus einem Stapel ringförmiger Bleche beste­ hen.

3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ringscheiben (111) bzw. Bleche ein- oder mehrfach geschlitzt sind.

4. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ständerjoch (13) und/ oder das Läuferjoch (119) mindestens eine etwa in Achsrichtung verlaufende Trennfuge (15; 115b) auf­ weist.

5. Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ständerjoch (13) und/oder das Läufer­ joch aus über den Umfang verteilten Streifen (14) in der Form von Blechpaketen gebildet ist, die aus in Achsrichtung verlaufenden Blechen bestehen.

6. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ständerjoch (13; 113) und/oder das Läuferjoch (19; 119) aus massivem weichmagnetischen Eisen oder Stahl besteht.

7. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ständerjoch (113) ein massives Rohr (114) aufweist.

8. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ständerjoch (113) einen Doppelmantel (114, 125) aufweist und der Mantelzwischenraum (126) mit einer Kühlmittelzu- und -abführleitung (123, 124) verbunden ist.

9. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenraum (20) des rohrförmigen Läu­ ferjochs (19) mit einer Kühlmittelzu- und -abführ­ leitung (23, 24) verbunden ist.

10. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterringe des Läu­ fers schräg gestellt sind.

11. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spulen (212) am In­ nenumfang (233) teilweise durch Leitringe (234, 235) aus weichmagnetischem Material abgedeckt sind.