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Lineare
Elektromotoren haben seit kurzer Zeit Anwendung auf dem Gebiet der
Werkzeugmaschinen gefunden.
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Lineare
Elektromotoren sind mit Dauermagneten ausgestattet, angeordnet gleichmässig an
dem feststehenden Teil des Motors, und mit Spulenblöcken, die
auf verschiedenen Kernen montierte Spulen tragen, welche Spulenblöcke in einer
parallelen Richtung zu den feststehenden Magneten beweglich sind.
Die Spulenblöcke
werden in einem gleichbleibenden Abstand von den Magneten gehalten,
und zwar durch eine mechanische Vorrichtung, basierend auf der Verwendung
von speziellen längsverlaufenden
Gleitführungen.
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Bei
dieser Kategorie von Motoren ist es eine der hauptsächlichsten
Aufgaben der Konstrukteure zu sichern, dass die Bewegung des Spulenblockes so
gleichmässig
wie möglich
ist. Es musste dabei die Tatsache berücksichtigt werden, dass die
Bewegung des Spulenblockes grösstenteils
durch die hohe Anziehungskraft beeinflusst wird, die sich zwischen dem
feststehenden Teil und dem beweglichen Teil des Motors entwickelt,
und zwar dank des starken Magnetfeldes, das durch die verwendeten
speziellen Magneten erzeugt wird.
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Es
besteht praktisch eine deutliche Tendenz zum „cogging", ein Ausdruck, der zum Beschreiben eines
Schleifens des beweglichen Teils in den Positionen der stärksten Anziehungskraft
benutzt wird, ausgeübt
auf den beweglichen Teil (Spulenblock) durch die feststehenden Magneten.
Dies ist bei einer Arbeit von hoher Präzision um jeden Preis zu vermeiden.
Betreffend das Problem des „cogging" wurden verschiedene
Lösungen
vorgeschlagen. Viele beziehen eine entsprechende Anordnung des Spulenblocks
und der feststehenden Magneten mit ein, bei welcher, während eines
Laufs des beweglichen Teils, eine bedeutende Anzahl von Kernen nie
direkt derselben Anzahl von Magneten zugewandt ist.
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Zum
Beispiel die Patentveröffentlichung
Nr. WO 99/41825 zeigt eine Lösung,
welche im wesentlichen auf der Tatsache basiert, dass der bewegliche Teil
des Motors aus Blöcken
von neun Spulen besteht, von welchen jeder der Blöcke acht
Mal dem Abstand der feststehenden Magneten entspricht und von einem
angrenzenden Block durch einen Abstand getrennt ist, der 2/3, 1/3
oder 1/2 des Magnetabstandes entspricht.
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Bei
der obigen Lösung
ist der Zweck, den oben beschriebenen Nachteil zu begrenzen, und zwar
durch eine Auslegung, in welcher der Abstand, oder der Schritt,
zwischen den Kernen des beweglichen Teils geringer ist als der Abstand
zwischen den feststehenden Magneten; dieses Verhältnis beträgt 8/9. Natürlich sind neuere Lösungen des
obigen Problem im Entwicklungsstadium, und sie sind auch andere
Probleme betreffend wirksam, so wie die Einfachheit in der Konstruktion,
niedrige Trägheit
des beweglichen Teils, vorteilhafte Kosten usw.
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Hauptzweck
der vorliegenden Erfindung ist, einen dreiphasen-wechselstromgespeisten
linearen Elektromotor vorzusehen, bei welchem das „cogging"-Phänomen (fehlende
Glätte
beim Vorlaufen des beweglichen Teils), charakteristisch bei diesem Motortyp,
praktisch ausgeschlossen ist.
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Ein
weiterer Zweck der Erfindung ist, einen dreiphasen-wechselstromgespeisten
linearen Elektromotor mit solchen Eigenschaften vorzusehen, welche
ihn geeignet zur Verwendung in Werkzeugmaschinen und automatischen
Maschinen machen, und der insbesondere eine niedrige Trägheit des
beweglichen Teils hat.
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Die
obigen Zwecke sind alle erreicht mit einem dreiphasen-wechselstromgespeisten
linearen Elektromotor nach der Erfindung, bei welchem eine Anzahl
von Magneten an dem feststehenden Teil des Motors verankert und
gleichmässig
mit einem vorgegebenen Abstand voneinander verteilt sind, und bei welchem
eine Anzahl von Spulen an Kernen eines Spulenblockes montiert sind,
welcher Spulenblock beweglich ist in einer Richtung parallel zu
den feststehenden Magneten und mit einem gleichbleibenden Abstand
von diesen; bei welchem die Spulen in Blöcken von 6 oder einem Mehrfachen
von 6 und gleichmässig
voneinander abstehend ange ordnet sind; wobei die Länge eines
jeden Spulenblocks den gesamten „Schritt" der Spulen bildet und tatsächlich einer
Länge von
7 feststehenden Magneten oder einem Mehrfachen von 7 entspricht,
wobei dies als der gesamte „Schritt" der feststehenden
Magneten betrachtet wird. Alternativ kann der feststehende Teil aus
einem Spulenblock gebildet sein und der bewegliche Teils aus der
Anzahl von Magneten.
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Das
Verhältnis
zwischen dem Abstand der Spulen und dem der Magneten, wobei dieser
Abstand in elektrischen Graden ausgedrückt wird, kann zwischen 200° (Spulenabstand)/180° (Magnetabstand)
variieren, alles betrachtet als innerhalb des Zweckbereiches der
vorliegenden Erfindung liegend.
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Der
ideale Wert des oben erwähnten
Verhältnisses
ist natürlich
210° (Spulenabstand)/180° (Magnetabstand),
welcher einem Verhältnis
7/6 entspricht, oben bestimmt unter Bezugnahme auf die Zahl der Magneten
und die Zahl der Spulen, enthalten innerhalb derselben Länge eines
Abschnittes des linearen Motors.
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Während die
Spulen-Magnet-Geometrie in Mehrfachen von 6 oder 7 wiederholt wird,
wobei dem oben erwähnten
Verhältnis
gefolgt wird, wird die Folge von Verbindungen zwischen den Spulen
vorzugsweise in Mehrfachen von 12 wiederholt; wo, indem mit R, S,
T die drei Speisungsphasen bezeichnet werden, die Spulen zum Beispiel
nach R, –R, –T, T, S, –S, –R, R, T, –T, –S, S geordnet
sind.
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In Übereinstimmung
mit den oben erwähnten strukturellen
Eigenschaften wird ein linearer Motor erhalten, bei welchem der
einzelne Abstand zwischen den einzelnen Kernen des beweglichen Spulenblockes
grösser
ist als der einzelne Abstand zwischen den einzelnen feststehenden
Magneten, und das Verhältnis
ist enthalten zwischen einem spezifischen Intervall, mit dem Ergebnis,
dass eine beachtliche Reduzierung des „cogging"-Phänomens
erhalten wird und der Motor daher besonders für Präzisionsarbeiten geeignet ist,
und zwar dank der Einfachheit und der niedrigen Trägheitswerte
der beweglichen Gruppe im Verhältnis
zu den Lösungen,
bei welchen die Zahl der Spulen grösser ist als die Zahl der Magneten.
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Eine
präzise
Definition der Erfindung ist in den Patentansprüchen 1 und 7 gegeben.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher
aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung einer vorgezogenen,
doch nicht ausschliesslichen Ausführung der Erfindung hervor,
dargestellt rein als ein nicht begrenzendes Beispiel in den Abbildungen
der beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
Frontansicht im Schnitt von einem Abschnitt eines linearen Elektromotors
nach der Erfindung ist;
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2 ist
eine Frontansicht eines Bestandteils des Motors aus 1;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, von dem strukturellen
Teil des linearen Motors aus 1;
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4 ist
eine Frontansicht im Schnitt von einer weiteren Ausführung des
linearen Motors nach der Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 der Zeichnungen ist ein Abschnitt
des linearen Motors mit 10 bezeichnet. Der feststehende
Teil 11 weist eine Serie von Dauermagneten 12 auf,
angeordnet mit einem gleichbleibenden Abstand voneinander. Die Magneten
sind in der diese Ausführung
zeigenden Abbildung von 1 bis 14 numeriert, und der Abstand ist
mit Tm bezeichnet.
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Mit 13 ist
der Spulenblock bezeichnet, welcher der bewegliche Teil des Motors
ist, angeordnet gegenüberliegend
dem feststehenden Teil 11. Dieser Spulenblock 13 kann
sich in zwei Richtungen A und B bewegen, je nach der Dreiphasenfolge
in den an den Kernen 15 der beweglichen Struktur montierten Spulen 14.
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Die
Kerne 15 des Spulenblockes 13 sind in der diese
Ausführung
zeigenden Abbildung von 1 bis 12 numeriert, und der Abstand ist
mit Td bezeichnet. Der Abstand ist errechnet aus der Summe des Abstandes
Tx zwischen den Seiten der mittleren Wicklung einer normalen Spule 14 und
dem Abstand Ty zwischen den Seiten der mittleren Wicklungen von zwei
aneinandergrenzenden Spulen.
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Aus
dem, wie oben erwähnt
wurde, kann beobachtet werden, dass der feststehende Teil 11 und der
Spulenblock 13 von gleicher Länge sind, die Zahl der Magneten 14 ist
und die Zahl der Spulen 12 ist. Unter Berücksichtigung
somit, dass der Abstand oder der Schritt Td zwischen den Spulen
1/12 der Länge beträgt und der
Abstand oder Schritt Tm ein 1/14 derselben Länge ist, dann beträgt das Verhältnis zwischen
den Abständen
Td und Tm 14/12, beziehungsweise 7/6.
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Dieses
Verhältnis
kann auch unter Berücksichtigung
der elektrischen Phasenverschiebung zwischen zwei Spulen 14 und
zwei Magneten 12 ausgedrückt werden.
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Während die
Phasenverschiebung zwischen zwei aneinandergrenzenden Magneten 12 von
entgegengesetzter Polarität
offensichtlich 180° beträgt, ist
die Verschiebung zwischen zwei aneinandergrenzenden Spulen 14 (180·7/6) =
210, berücksichtigt man
die Länge
des Polarsektors zwischen zwei aufeinander folgenden Achsen der
Spulen 14; somit ist das Verhältnis zwischen der Verschiebung
zwischen zwei aneinandergrenzenden Spulen und der Verschiebung zwischen
zwei aneinandergrenzenden Magneten 210°/180°, und dieses Verhältnis ist
offensichtlich 7/6, wie vorstehend erwähnt.
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Es
lohnt sich hier erwähnt
zu werden, dass, unabhängig
von der hier berücksichtigten
Ausführung,
die Gültigkeit
der Lösung
solange bestehen bleibt, wie der in Graden der elektrischen Verschiebung
ausgedrückte
Abstand zwischen zwei aneinandergrenzenden Spulen in einem linearen
Motor nach der vorliegenden Erfindung zwischen 200° und 220° beträgt. Aus
durchgeführten
Versuchen geht hervor, dass bei linearen Elektromotoren, in welchen
die Spulen um einen elektrischen Winkel voneinander abstehend sind,
der in den oben erwähnten
Bereich fällt,
jeder Mangel an Unebenheit bei der Bewegung von unerheblichem Umfang
ist.
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In 2 ist
ein Bestandteil des Spulenblockes 13 gezeigt. Ein ferromagnetischer
Streifen 16 ist Teil des Kerns des Spulenblockes. Offensichtlich
ist er mit ähnlich
gearteten Streifen verbunden und ist durch Schrauben oder ähnlichem
in den Vertiefungen 17 an einer oberen Platte 18 verankert,
welche, wie in 3 gesehen werden kann, an Schlitten 19 befestigt
ist, die entlang der fest an der feststehenden Struktur 11 des
Motors gehaltenen Längsführungen 20 gleiten.
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Die
Kerne des Spulenblockes 13 in der vorliegenden Ausführung, bei
welchen es sich in der Tat um 12 Zähne handelt, um welche die
Spulen 14 gewickelt sind, werden mit Dreiphasen-Wechselstrom gespeist,
und zwar in einer Ordnung (wobei die Phasen mit R, S und T bezeichnet
sind), welche folgende sein kann:
R, –R, –T, T, S, –S, –R, R, T, –T, –S, S
oder
–R, R. T, –T, –S, S, R, –R, –T, T, S, –S
oder
–T, T, S, –S, –R, R, T, –T, –S, S, R, –R
oder
T, –T, –S, S, R, –R, –T, T, S, –S, –R, R
oder
S, –S, –R, R, T, –T, –S, S, R, –R, –T, T
oder
–S, S, R, –R, –T, T, S, –S, –R, R, T, –T.
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Es
gibt weitere mögliche
Lösungen
mit Kernen, die aus 6 Spulen oder einem Mehrfachen derselben zusammengesetzt
sind.
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Eins
dieser Beispiele ist in 4 gezeigt; dieses ist aus 6
Spulen 14' gebildet,
montiert an 6 Kernen 15' eines
beweglichen Spulenblocks 13'.
Der entgegengesetzte Magnetblock, gleich in der Länge wie
der Spulenblock 13',
enthält
7 gleichmässig
voneinander abstehende Magneten 12'.
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Bei
dieser Ausführung
sind die Abstände
Td zwischen den Kernen des Spulenblockes und denen Tm der Magneten
des feststehenden Blockes dieselben wie jene bei der Ausführung in 1;
diese Abstände
könnten
jedoch auch andere sein, ohne die durch die vorliegende Erfindung
vorgesehene Lösung
abzuwerten, solange das Verhältnis
unverändert
bleibt. Insbesondere ist der ideale Wert dieses Verhältnisses
7/6, wie wir gesehen haben, oder beträgt, ausgedrückt in Graden der elektrischen
Phasenverschiebung, 210°/180°; er könnte auch
zwischen 200°/180° und 220°/180° liegen.
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Die
Struktur des Motors nach der Erfindung kann von der mit Hilfe eines
Beispiels in 3 gezeigten abweichen; zum Beispiel
könnte
der Spulenblock 13 auf andere Weise an dem feststehenden
Teil 11 verankert sein, vielleicht mit einer grösseren Zahl der
verwendeten parallelen Führungen.
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Andere
Lösungen
könnten
bei den mechanischen Verbindungen zwischen den verschiedenen strukturellen
Elementen des Motors angewandt werden, wobei stets die entsprechende
Geometrie zwischen Spulen und Magneten beibehalten wird. Der bewegliche
Teil könnte
auch aus mehr als einem Block von 6 Spulen oder einem Mehrfachen
derselben hergestellt sein, angeordnet aufeinanderfolgend entlang
der Bewegungsrichtung. Der Abstand zwischen den Blöcken könnte je
nach den verschiedenen Parametern optimiert werden, abhängig von
dem spezifischen Anwendungsgebiet der Erfindung.
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Auf
jeden Fall bietet die Erfindung eine beachtliche Reduzierung des „cogging"-Phänomens im Vergleich
mit anderen bekannten Lösungen,
so wie auch ein unverzüglicheres
Ansprechen auf elektrischen Befehle.
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Dank
der besonderen strukturellen Konfiguration ist der Motor ausgesprochen
einfach, wobei der bewegliche Teil viel leichter ist als bei anderen bekannten
Motoren; die Herstellung ist also viel wirtschaftlicher.