DE69616319T2

DE69616319T2 - Elektromagnetischer betätiger

Info

Publication number: DE69616319T2
Application number: DE69616319T
Authority: DE
Inventors: G. Anderson; C. Mcadams
Original assignee: MTS Systems Corp
Current assignee: MTS Systems Corp
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2016-06-07
Also published as: US5959374A; CN1187267A; EP0830726B1; CA2223158A1; JPH11507496A; KR19990022331A; CN1075681C; DE69616319D1; WO1996041411A1; EP0830726A1; US5661446A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf lineare elektrodynamische Maschinen, und insbesondere auf ein elektromagnetisches Stellglied.
Lineare elektrische Motoren werden zunehmend auf eine Anzahl von Anwendungen angewendet, wo eine präzise Versetzung benötigt wird. Im Allgemeinen schließt ein Linearmotor eine selektiv erregte Wicklung ein, die sich nah benachbart zu einer Vielzahl von Magneten befindet. Bei vielen Linearmotoren werden die Magneten stationär gehalten und die Wicklung wird erregt, so dass magnetische Felder durch das Zusammenwirken der Wicklung mit den Magnetfeldern der Dauermagneten entstehen, um ein Versetzen der Wicklung relativ zu den Dauermagneten zu bewirken. Bei anderen Elektromotoren werden die Magnete auf einem beweglichen Stab angeordnet, während die Statorwicklung stationär gehalten wird.
In jüngster Zeit war es von Interesse, die herkömmlichen hydraulischen Stellglieder durch Linearmotoren, oder, wie sie angemessener bezeichnet werden sollten, in dieser Anwendung durch elektromagnetische Stellglieder zu ersetzen. Es ist allgemein bekannt, dass obwohl hydraulische Stellglieder große Kräfte entwickeln können, hydraulische Stellglieder normalerweise nur ein Teil eines größeren hydraulischen Systems sind, das andere komplizierte Geräte wie zum Beispiel Akkumulatoren, Filter und Pumpen benötigt, die alle gewartet werden müssen, damit sie arbeiten. Zudem besteht immer das Risiko eines Flüssigkeitslecks, da das hydraulische System ja mit unter Druck stehenden Flüssigkeiten arbeitet.
Ein Beispiel eines bekannten Linearmotors wird in der EPA 0643470 offenbart, bei der der Elektromotor einen Stator mit einer geraden Anzahl an vorspringenden Polen und einer Welle, die entlang ihrer eigenen Achse bewegt werden kann, enthält. Die vorspringenden Pole sind in aneinander liegenden Paaren und in Gruppen angeordnet, bei denen vorspringende Pole, die jeweils zu einer der vorspringenden Polgruppen gehören, verbunden sind, so dass Gegenpolaritäten zwischen dem Paar vorspringender Pole entstehen, und werden verbunden, so dass die gleiche Polarität zwischen den vorspringenden Polen entsteht, die nicht das Paar vorspringende Pole bilden, und sind so angeordnet, dass die vorspringenden Pole der anderen Phase dazwischen gesetzt werden, um Phasenwicklungen für m Phasen bilden. Verbleibende vorspringende Pole der vorspringenden Polgruppe werden dazu verwendet, eine Position und eine Bewegungsrichtung des Antriebs als Sensorpole zu erfassen.
Obwohl bekannte elektromagnetische Stellglieder eine präzise Steuerung des sich bewegenden Ankers bereitstellen können, haben diese Stellglieder bisher die hydraulischen Stellglieder nicht ersetzt, da bisher keine ausreichenden, mit denen von hydraulischen Stellgliedern vergleichbaren, Kräfte zu erreichen sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist ein elektromagnetisches Stellglied und ein Verfahren zur Herstellung dessen. Genauer sieht die vorliegende Erfindung ein elektromagnetisches Stellglied vor, das einen Betätigungsstab mit einer Vielzahl von Magnetbaugruppen aufweist, die um eine Längsachse des Betätigungsstabs zur Bildung einer äußeren Auflagefläche angeordnet sind, wobei jede magnetische Baugruppe Magnete und Ankerschichten aufweist und wechselnden Magnetfluss entlang der Längsachse erzeugt; ein Stützgefüge; eine Vielzahl von Statorwicklungs-Baugruppen, die an dem Stützgefüge befestigt sind und entlang der Längsachse angeordnet sind, wobei jede Statorwicklungs-Baugruppe einen Pol besitzt, der einem Abschnitt einer der Vielzahl von Magnetbaugruppen und der Längsachse zugewandt ist; und dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten in den Ankerschichten innerhalb des Betätigungsstabs unter der äußeren Auflagefläche angeordnet sind. Indern die Statorwicklungen und die Magnetbaugruppen um die Längsachse angeordnet werden, sind die in einer rechtwinklig zur Längsachse gelegenen Ebene erzeugten Kräfte im Wesentlichen Null, während die durch die Wechselwirkung jeder der erregten Statorwicklungen mit der dazugehörigen Baugruppe erzeugten Kräfte sich addieren und parallel zur Längsachse verlaufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Anker aus einer Vielzahl von Ankerunterabschnitten, und die Magnetbaugruppen weisen jeweils eine Vielzahl von Magneten auf. Jeder Ankerunterabschnitt enthält einen Magneten von jeder Magnetbaugruppe. Vorzugsweise besteht jeder Ankerunterabschnitt aus einer Vielzahl von Ankerschichten. Die Ankerschichten sind sehr dünn, aber wenn eine Anzahl davon zu Blechpaketen geschichtet und in geeigneter Weise zusammen befestigt werden wie zum Beispiel durch Kleben, ist jeder Ankerunterabschnitt, und damit der Anker selbst, sehr steif. Jede Ankerschicht schließt Öffnungen ein, die in gleichen Winkelabständen beabstandet sind. Die Öffnungen bilden beim Ausrichten Hohlräume, die die Dauermagneten innerhalb des Ankers und, vorzugsweise, unter einer Außenfläche halten. Die Außenfläche des Ankers wird dann glatt geschliffen und zum Schutz vor Korrosion durch Elektrolyse mit Nickel galvanisiert, um eine glatte Oberfläche bereitzustellen, damit Lager darauf gleiten können.
Um den Luftspalt zwischen jeder Statorwicklung und jeder dazugehörigen magnetischen Baugruppe zu minimieren, schließt jede Statorwicklung eine Statorpol-Stirnseite ein, die im Allgemeinen der Außenfläche des Betätigungsstabs entspricht. Vorzugweise sind Statorpolflächen als Schichtpaket ausgebildet, die durch eine Vielzahl von Statorpolschichten gebildet werden. Die Statorpolschichten sind vorzugsweise genauso dick wie die Ankerschichten.
In einem elektromagnetischen Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl an Statorwicklungs-Baugruppen vorzugsweise bedienbar mit der ersten Vielzahl an Magnetbaugruppen, so dass der Betätigungsstab längs entlang der Längsachse von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt wird, wobei das Stellglied zudem eine zweite Vielzahl an Magnetbaugruppen aufweist, die um die Längsachse eines zweiten Abschnitts des Stabs angeordnet sind, wobei die Magnetbaugruppen wechselnden Magnetfluss um die Längsachse erzeugen, und eine zweite Vielzahl an Statorwicklungs-Baugruppen, die an dem Stützteil befestigt sind und um die Längsachse angeordnet sind, wobei die zweite Vielzahl an Statorwicklungs-Baugruppen so mit der zweiten Vielzahl an Magnetbaugruppen bedienbar ist, dass sich der Betätigungsstab um die Längsachse dreht, wenn der Betätigungsstab in der zweiten Position ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung wird der Betätigungsstab gedreht und linear versetzt. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird eine herkömmliche bürstenlose Gleichstrom-Statorwicklungs-Baugruppe um den Betätigungsstab angeordnet, um als Elektromotor zu arbeiten. Der Betätigungsstab schließt einen zweiten Abschnitt mit Betätigungsstababschnitten ein, die in der oben beschriebenen Weise aufgebaut sind, allerdings mit Magneten der selben Polarität, die parallel zur Längsachse angeordnet werden, um so als herkömmlicher Elektromotor zu arbeiten. Der zweite Abschnitt der Ankers kann verlängert werden, oder positioniert, oder es können zusätzliche Ankerabschnitte hinzugefügt werden, um es zu ermöglichen, dass der Anker in jedem ausgedehntem Zustand drehbar ist.
Die vorliegende Erfindung sieht zudem ein Verfahren zum Konstruieren eines elektromagnetischen Stellgliedes mit einem relativ zu einer Statorwicklungs-Baugruppe drehbaren Betätigungsstab, wobei der Betätigungsstab eine magnetische Baugruppe besitzt, und das Verfahren die Schritte des Bereitstellens einer Vielzahl von Schichten aufweist; Bilden einer Vielzahl an Polschichten und einer Vielzahl an Stabschichten aus der Vielzahl der Schichten; Befestigen der Stabschichten aneinander, um den Betätigungsstab zu bilden; und gekennzeichnet durch das Befestigen der Vielzahl an Polschichten aneinander, so dass sich eine Polfläche auf einer Statorwicklung bildet, wobei jede Polfläche eine dem Betätigungsstab zugewandte Oberfläche aufweist, und die Polschichten einen inneren Abschnitt aufweisen, deren innere Form mit einem äußeren Ringabschnitt der Stabschichten identisch ist, wobei die identischen Formen durch Stanzen oder Laserbearbeitung voneinander getrennt werden.
Vorzugsweise schließt der Schritt des Befestigens der Stabschichten aneinander das Bilden einer Vielzahl an Unterabschnitten der aneinander befestigten Stabschichten und das anschließende Befestigen der Vielzahl an Unterabschnitten aneinander mit ein, so dass der Betätigungsstab gebildet wird.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Ankerschichten und der Statorpolschichten, so dass ein Präzisions-Luftspalt zwischen der Außenfläche des Betätigungsstabs und der Statorpol- Stirnseite entsteht, schließt ein, mit einer Vielzahl von Schichten zu beginnen, die einen äußeren Abschnitt aufweisen, der den Statorpolschichten entspricht, und einen inneren Abschnitt, der den Ankerstabschichten entspricht. Diese anfänglichen Schichten werden dann geschnitten, zum Beispiel durch Stanzen oder Laserbearbeitung, um die Statorpolschichten und die Betätigungsstabschichten zu bilden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines elektromagnetischen Stellglieds der vorliegenden Erfindung ohne einige Teile;
Fig. 2 eine Schnittsansicht eines elektromagnetischen Stellglieds von Fig. 1 mit einer Schnittlinie entlang der Linien 2--2;
Fig. 3 eine Draufsicht einer Schicht mit einem Statorpolabschnitt und einem Ankerabschnitt;
Fig. 3A eine Draufsicht einer Statorpolschicht;
Fig. 3B eine Draufsicht einer Ankerschicht;
Fig. 4 eine Perspektivansicht eines Unterabschnitts des Betätigungsstabs und eines Abschnitts der Statorpolflächenschicht;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Statorwicklungskerns mit einer Schnittlinie entlang der Linien 5--5 von Fig. 2;
Fig. 5A eine schematische Flachlayoutansicht der Statorwicklungskerne der Statorbaugruppe ohne Wicklungen und Statorpolflächen;
Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm einer Stellgliedsteuerung;
Fig. 7 eine graphische Ansicht der Dreiphasenwicklungen in einem Statorwicklungskern und Ankermagneten;
Fig. 8 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des elektromagnetischen Stellglieds der vorliegenden Erfindung ohne einige Teile;
Fig. 9 eine Perspektivansicht eines Abschnitts des Ankers der zweiten Ausführungsform; und
Fig. 10 ein schematisches Blockdiagramm einer Elektromotorsteuerung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 stellt eine Ausführungsform eines elektromagnetischen Stellglieds 10 dar, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Wie in der folgenden Beschreibung erklärt und verstanden wird, wird das Stellglied 10 zur genauen Steuerung der bidirektionalen Versetzung eines Ankers 12 relativ zu einer Stator-Baugruppe 14 selektiv gesteuert.
Im Allgemeinen schließt das elektromagnetische Stellglied, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Vielzahl an Statorwicklungs-Baugruppen 16A, 16B, 16C, 16D, 16E und 16F ein, die in gleichen Winkelabständen um eine Längsachse 18 verteilt sind. Jede Statorwicklungs-Baugruppe 16A-16F ist einer Vielzahl von Magnetbaugruppen 20A, 20B, 20C, 20D, 20E und 20F zugewandt, die im Anker 12 angeordnet sind. Wie dargestellt sind die Magnetbaugruppen 20A- 20F um die Längsachse 18 in den selben Winkelabständen wie die Statorwicklungs-Baugruppen 16A-16F angeordnet. Obwohl Elektromagnete verwendet werden können, weist vorzugsweise jede der Magnetbaugruppen 20A-20F eine Reihe von Dauermagneten 22 auf, die parallel zur Längsachse 18 entlang eines wesentlichen Teils des Ankers 12 angeordnet sind, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Pole jedes Magneten 22 sind radial angeordnet, so dass das dazugehörige Magnetfeld von jedem Magneten 22 sich radial von der Längsachse 18 erstreckt. Vorzugsweise bestehen die Dauermagneten aus einem Neodym-Eisen-Bor-Werkstoff (NdFeB).
Wie allgemein bekannt ist, hat jeder Magnet zwei Pole, die für gewöhnlich als "N" und "S" bezeichnet werden. Fig. 1 stellt dar, dass die Magnete 22 aus den Magnetbaugruppen 20A und 20D mit wechselnden Polaritäten entlang der Längsachse 18 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Magnete der Magnetbaugruppen 208, 20C, 20E und 20F ähnlich angeordnet, so dass, wie in Fig. 2 dargestellt, die Polarität der nach außen gerichteten Flächen die selben um die Längsachse 18 für eine gegebene Position enlang der Längsachse 18 sind.
Im Allgemeinen weisen jede Statorwicklungs-Baugruppe 16A-16F und jede dazugehörige Magnetbaugruppe 20A-20F als Satz einen Linearmotor auf, wenn die Statorwicklungs-Baugruppen 16A-16F geeignet erregt werden. Indem die Statorwicklungs-Baugruppen 16A -16F und die Magnetbaugruppen 20A-20F um die Längsachse 18 in gleichen Winkelabständen angeordnet werden, sind die Kräfte in einer zur Längsachse 18 senkrecht stehenden Ebene im Wesentlichen Null, während die durch das Zusammenwirken jeder erregten Statorwicklungs-Baugruppe 16A-16F mit der dazugehörigen Magnetbaugruppe 20A-20F erzeugten Kräfte sich addieren und parallel zur Längsachse 18 angreifen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Anker 12 röhrenförmig und hat einen länglichen inneren Hohlraum 24. Vorzugsweise sind die Magnete 22 der Magnetbaugruppen 20A-20F innerhalb des Ankers 12 unter einer Außenfläche 26 angeordnet. Der Anker 12 besteht aus einer Vielzahl an Anker-Unterabschnitten 28, die einen Magnet 22 von jeder Magnetbaugruppe 20A-20F enthalten, von denen eine in Fig. 4 dargestellt ist. Vorzugsweise besteht jeder Ankerunterabschnitt 28 aus einer Vielzahl von Ankerschichten 30, von denen eines auch in Fig. 3B dargestellt ist.
Das Ankerschichtpaket 30 ist sehr dünn (etwa 1/16 Zoll 0,16 cm), aber wenn eine Anzahl davon zu Blechpaketen geschichtet und in geeigneter Weise aneinander befestigt werden, wie zum Beispiel durch Kleben, ensteht der Ankerunterabschnitt 28. Es sollte verstanden werden, dass das, was hier als "Ankerschicht" verwendet wird, als mit einer geringeren Breite als die Breite von Magnet 22 definiert ist, während ein "Ankerunterabschnitt" eine Vielzahl von Ankerschichten 30 aufweist. Jede Ankerschicht 30 besteht aus einem geeigneten Werkstoff mit niederem magnetischen Widerstand wie zum Beispiel Siliziumstahl.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3B hat jede Ankerschicht 30 die selbe Querschnittsform wie der Unterabschnitt 28 und damit der Anker 12. Die Ankerschicht 30 schließt einen inneren Stützabschnitt 32 ein, der an einem äußeren Ringabschnitt 34 mit Streben 36 befestigt ist. Der innere Stützabschnitt 32, der äußere Ringabschnitt 34 und die sukzessiven Streben 36 grenzen die Öffnungen 38 ab, die verwendet werden, um die Magneten 22 zu halten, wie in Fig. 2 und 4 dargestellt ist. Eine Kerbe 37 ist in jeder Ankerschicht 30 zum Ausrichten der Ankerschichten 30 während der Montage des Ankerunterabschnitts 28 vorgesehen. Eine Öffnung 39 ist in jeder Ankerschicht 30 vorgesehen, um so beim Zusammenbau den offenen Hohlraum 24 (Fig. 1) zu bilden.
Unter Rückbezugnahme auf Fig. 1 werden die Unterabschnitte 28 dann zusammengeklebt, um den Anker 12 auszubilden. Die Endkappen 28 und 40 sind am jeweiligen Ende befestigt. Da der Unterabschnitt 28A, der am nähesten an der Endkappe 38 liegt, sich nicht unter den Statorwicklungen 16A-16F ausdehnen würde, kann ein geeignetes Füllmaterial 39A anstelle der Magneten 22 verwendet werden. Vorzugsweise erstreckt sich ein geeignetes Befestigungswerkzeug, wie zum Beispiel Schrauben 42, zwischen den Endkappen 38 und 40 innerhalb des Hohlraums 24, um die Unterabschnitte 28 weiter zusammenzuhalten. Um eine glatte Zylinderaußenfläche 26 auf dem Anker 12 zu erzeugen werden die Außenfläche 26, oder genauer die Außenringabschnitte 34 (Fig. 3B), der Ankerschicht 30 nach dem Zusammenbau glatt geschliffen und zum Schutz vor Korrosion durch Elektrolyse mit Nickel galvanisiert, um eine glatte Oberfläche bereitzustellen, auf der die Lager 52 und 54 gleiten können.
Wie in Fig. 2 und 4 dargestellt ist, werden die Magneten 22 voneinander getrennt und so ausgerichtet, dass die gleichen Pole nach außen und nach innen gewandt sind. Es sollte verstanden werden, dass röhrenförmig geformte Magnete (mit Polen an inneren und äußeren zylindrischen Außenflächen), wie sie zum Beispiel von der Firma Daido Steel Co. Ltd., Nagoya 457, Japan, erhältlich sind, auch verwendet werden können, wenn dies gewünscht wird.
Die Statorwicklungs-Baugruppen 16A-16F werden in einem Gehäuse 44 durch entsprechende Stützblöcke 46A, 46B, 46C, 46D, 46E und 46F gehalten. Wenn es gewünscht ist, können die Stützblöcke 46A -46F mit dem Gehäuse 44 in einem Stück gebildet sein. Die Endkappen 48 und 50 werden an das Gehäuse 44 an entgegengesetzten Enden befestigt. Die Öffnungen 48A und 50A innerhalb der Endkappen 48 bzw. 50 ermöglichen es, dass der Anker 12 sich durch die Statorbaugruppe 14 bewegt. Die Lagerelemente 52 und 54 befinden sich innerhalb der Endkappen 48 bzw. 50 und sind mit der Außenfläche 26 im Eingriff, um so den Anker 12 durch die Statorbaugruppe 14 zu führen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1, 2 und 5 schließt jede der Statorwicklungs-Baugruppen 16A-16F ein geeignetes Kerngefüge 56A, 56B, 56C, 56D, 56E bzw. 56F mit niederem magnetischem Widerstand ein. Die Kerngefüge 56A-56F schließen Nuten 58 ein, die die Zähne 60 bilden. In Fig. 1 wurden die Wicklungen für die Statorwicklungs-Baugruppen 16A und 16D entfernt, um eine bessere Querschnittsansicht auf die Kerngefüge 56A und 56D darzustellen. Vorzugsweise weist jedes Kerngefüge 56A-56F eine Vielzahl an identischen Statörkernschichten 62 auf, die aus einem geeigneten Werkstoff mit niedrigem magnetischen Widerstand wie zum Beispiel Siliziumstahl bestehen. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 bilden die Statorkernschichten 62, wenn sie zusammengefügt werden, ein Parallelogramgefüge, so dass eine glattere Versetzung des Ankers 12 durch die Statorbaugruppe 14 bereitgestellt wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5A wechselt vorzugsweise die Ausrichtung jedes Kerngefüges 56A-56F um die Längsachse. Fachleute wissen zu schätzen, dass das Parallelogrammgefüge der Kerngefüge 56A-56F einen Kraftvektor mit einer wesentlichen Vektorkomponente erzeugt, die parallel zur Längsachse 18 verläuft, sowie einer kleineren Vektorkomponente, die dazu neigen würde, den Anker 12 um die Längsachse zu drehen. Wenn die Kerngefüge 56A und 56F wie in Fig. 5A dargestellt um die Längsachse ausgerichtet sind, heben sich die kleineren Vektorkomponenten jedoch im Wesentlichen auf.
Um den Luftspalt zwischen jeder Statorwicklungs-Baugruppe 16A- 16F und den dazugehörigen Magnetbaugruppen 20A-20F zu minimieren, schließt jede Statorwicklungs-Baugruppe 16A-16F eine Statorpol-Stirnseite 64A, 64B, 64C, 64D, 64E bzw. 64F ein. Wie dargestellt entspricht jede Statorpol-Stirnseite 64A-64F im Allgemeinen dem Abschnitt der Außenfläche 26, der sie zugewandt ist. Die Statorpol-Stirnseiten 64A-64F haben Nute 68A, 68B, 68C, 68D, 68E und 68F, deren Breite der Breite des dazugehörigen Kerngefüges 56A-56F entspricht, die von den Statorkernschichten 62 gebildet werden. Vorzugsweise sind die Statorpol-Stirnflächen 64A-64F wie dargestellt aus einem Stück zusammengefügt und bestehen aus einer Vielzahl an Statorpolschichten 70, von denen eine in Fig. 3A dargestellt ist. Die Statorpolschichten 70 sind vorzugsweise genauso dick wie die oben besprochenen Ankerschichten 30. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung, bei dem die Ankerschichten 30 und der Statorpolschichten 70 so hergestellt werden, dass ein Präzisionsluftspalt 71 (Fig. 4) zwischen der Außenfläche 26 und den Statorpol-Stirnflächen 64A-64F ensteht, schließt ein Beginnen mit einer Vielzahl an Schichten der unter 72 in Fig. 3 angedeuteten Form ein. Da sie durch den gestrichelten Kreis 73 getrennt sind, schließt die Schicht 72 sowohl einen inneren Abschnitt 75 mit einer zur Ankerschicht 30 identischen Form als auch einen äußeren Abschnitt 77 mit eine zur Statorpolschicht 70 identischen Form ein. Indem der innere Abschnitt 75 vom äußeren Abschnitt 77 entlang der gestrichelten Linie 73 getrennt wird, zum Beispiel durch Stanzen oder Laserbearbeitung, kann ein genauer und beständiger Luftspalt 71 zwischen der Außenfläche 26 und den Statorpol-Stirnflächen 64A- 64F erreicht werden. Obwohl die Statorkernschichten 62 sich individuell so erstrecken können (durch Pfeil 69 in Fig. 2 angedeutet) und/oder so liegen können, dass jedes Kerngefüge 56A- 56F eine Anker 12 zugewandte Innenfläche hat, die im Allgemeinen der Außenfläche 26 entspricht, würde dieser Aufbau ohne die Verwendung der Statorpol-Stirnflächen 64A-64F die Anzahl der einzig im Anker 10 vorhandenen Teile erhöhen und/oder eine komplizierte Montage bedeuten. Stattdessen wird, da die Ankerschichten 30 miteinander identisch sind, die Statorkernschichten 62 miteinander identisch und die Statorpolschichten 70 miteinander identisch, die Anzahl der einzelnen Teile reduziert und die Montage erleichtert.
Es sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von ringförmigen Ankerschichten 30 beschränkt ist, wie es hier beschrieben ist. Wenn dies gewünscht wird, können die Ankerschichten 30 zum Beispiel eine beliebige Querschnittsform wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, eine dreieckige, rechteckige, sechseckige oder achteckige Form aufweisen. Wenn die Ankerschichten 30 und die Statorpolschichten 70 in der oben beschriebenen Weise aus den Schichten 72 gebildet sind, entsprechen die Innenflächen der Statorpolschichten 70 den äußeren Ringabschnitten 34 der Ankerschichten 30, um den Luftspalt, der sich zwischen Anker 12 und den Statorpol-Stirnflächen 64A-64F bildet, zu minimieren.
Die Ausdehnung des Ankers 12 aus der Statorbaugruppe 14 heraus ist von der Endkappe 38 begrenzt, die auf einen passenden Puffer 80 trifft, der an der Endkappe 48 vorgesehen ist. Ein Schutzrohr 82 erstreckt sich von der Endkappe 48 weg. Das Schutzrohr 82 besitzt eine Endkappe 84, die am fernen Ende 86 sitzt. Das Zurückziehen des Ankers 12 innerhalb des Schutzrohrs 82 ist durch den Kontakt der Endkappe 38 auf einen an einer Innenfläche der Endkappe 84 befestigten Puffer 88 begrenzt.
Fig. 6 stellt Komponenten einer Steuerung 100 dar, die zum Erregen der Statorwicklungen 102A, 102B, 102C, 102D, 102E und 102F der entsprechenden Statorwicklungs-Baugruppen 16A-16F verwendet wird. Wie dargestellt sind die Statorwicklungen 102A-102F Y-förmig oder sternförmig angeordnet verbunden; wenn dies gewünscht wird, können die Statorwicklungen 102A-102F jedoch auch in einer Dreiecksanordnung verbunden sein.
Im Allgemeinen ähnelt die Steuerung 100 bekannten Steuerungen, die in bürstenlosen Gleichstrom-Dauermagnetmotoren verwendet werden. Die Steuerung 100 enthält einen Gleichrichter 104, der ein geeignetes Wechselstrom-Eingangssignal auf den Signalleitungen 106 empfängt, um feste positive und negative Gleichspannungen auf einem positiven Bus 108 bzw. einem negativen Bus 110 zu erzeugen. Ein Kondensator 112 ist vorgesehen, um den positiven Bus 108 und den negativen Bus 110 in geeigneten Grenzen zu halten. Ein Drei-Phasen-Strom-Inverter 114 ist an den positiven Bus 108 und den negativen Bus 110 auf herkömmliche Art und Weise angeschlossen, um dreiphasige kommutierte Strom-Wellenformen auf den Energiesignalleitungen 116A, 116B und 116C zu liefern, die an den Satz der Statorwicklungen 102A-102F angeschlossen sind. Der Dreiphasen-Inverter 114 weist eine Leistungstransistorbrücke mit Halbleitertransistoren 114A, 114B, 114C, 114D, 114E und 114F auf, zum Schalten jeder der Signalleitungen 116A- 116C von einem Zustand eines offenen Schaltkreises zu dem positiven Bus 108 oder dem negativen Bus 110. Das Tastverhältnis jedes Transistors 114A-114F wird von einem Invertertreiber 118 gesteuert, der hier als eine Logikanordnung mit einer im Nur-Lese- Speicher (ROM) gespeicherten Nachsehtabelle 119 dargestellt wird. Der Invertertreiber 118 reagiert auf Ankerpositions-Rückkopplungssignale von einem geeigneten Sensor wie zum Beispiel einem LVDT-Sensor 120. Vorzugsweise ist der Sensor 120, wie in Fig. 1 dargestellt, innerhalb des Hohlraums 24 angeordnet und ist an einem Ende an der Endkappe 84 des Schutzrohrs 82 und am entgegengesetzten Ende an der Endkappe 40 montiert.
Rückbezüglich Fig. 6 empfängt ein Analog-Digital-Wandler 122 analoge Signale vom Sensor 120 und wandelt die Signale in ein binäres Format um, das für den Invertertreiber 118 geeignet ist. Das binäre Format liefert einen Index in die Nachsehtabelle 119, um zu bestimmen, welche Transistoren 114A-114F bedient werden sollen, damit die Statorwicklungen 102A-102F richtig als Funktion der Position des Ankers 12 kommutiert werden. Es sollte verstanden werden, dass der Invertertreiber 118 nur eine Ausführungsform zum Liefern von Steuersignalen an die Transistoren 114A-114F ist. Geeignete Kombinationslogik könnte auch anstatt der hier beschriebenen Logik-Anordnung verwendet werden.
Fig. 7 stellt graphisch die Lage der Drei-Phasen-Wicklungen (R, S und T) in den Nuten 58 des Kerngefüges 56A anhand eines Beispiels dar. Die Wicklungsabschnitte 130A zeigen an, dass der Stromfluss hier in die Zeichnungsebene hineingeht, während die Wicklungsabschnitte 132A anzeigen, dass der Stromfluss hier aus der Zeichnungsebene herausgeht.
Fig. 8 stellt eine zweite Ausführungsform eines elektromagnetischen Stellglieds 150 dar, das gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt wurde. Wie das oben beschriebene Stellglied 10 schließt das. Stellglied 150 einen Anker 152 ein, der sich linear bezogen auf die Längsachse 158 bewegt. Zusätzlich kann das Stellglied 150 jedoch den Anker 152 ausgewählt um die Längsachse 158 drehen.
Der Anker 152 schließt einen ersten Abschnitt 160 mit Magneten 22 ein, die darin in der bezogen auf Anker 12 oben beschriebenen Weise ausgerichtet und angeordnet sind. Eine Statorbaugruppe 164, die ähnlich der Statorbaugruppe 14 ist, ist um die Längsachse 158 angeordnet und wirkt mit dem Abschnitt 160 des Ankers 152 zusammen, um den Anker 152 parallel zur Längsachse 158 zu versetzen.
Das Stellglied 150 schließt auch eine Statorbaugruppe 166 ein, die auf herkömmliche Art und Weise gewickelt ist, um als Elektromotor zu arbeiten. In der dargestellten Ausführungsform bildet die Statorbaugruppe 166 den Teil eines bürstenlosen Gleichstrorn-Dauermagnetelektromotors, wobei der Anker 152 einen zweiten Ankerabschnitt 168 mit Magneten 22 einschließt, die in herkömmlicher Art und Weise ausgerichtet sind, um als Elektromotor zu arbeiten.
Wie in Fig. 9 dargestellt schließt der Ankerabschnitt 168 drei identische Unterabschnitte 168A, 168B und 168C ein, die zusammengefügt sind und in der oben beschriebenen Art und Weise aus Ankerschichten 30 bestehen. Wie dargestellt sind die Magnete 22 der Anker 168A-168C mit wechselnder Polarität um die Längsachse 158 angeordnet, während Magneten mit der selben Polarität parallel der Längsachse 158 angeordnet sind.
Der Ankerabschnitt 168 ist mit einem ersten ringförmigen Glied am Ankerabschnitt 160 befestigt, während ein zweites ringförmiges Glied 172 sich in Richtung einer Endkappe 174 erstreckt. Die ringförmigen Glieder 170 und 172 können feste Rohre sein oder können aus Ankerschichten 30 mit geeigneten Füllstoffen anstelle der Magneten 22 bestehen. Die Ausdehnung des Ankers 152 aus der Statorbaugruppe 164 heraus ist durch die Endkappe 174 begrenzt, die mit einem geeigneten Lagerelement 175 im Eingriff ist, das auf dem Anker 152 montiert ist. Das Lagerelement 175 ermöglicht die Drehung des Ankers 152 um die Achse 158, wenn dies gewünscht wird. Fachleute wissen zu schätzen, dass das Lagerelement 175 auch an die Endkappe 176 montiert werden kann, wenn dies gewünscht wird. Ein Schutzrohr 180 erstreckt sich von der Endkappe 176 weg. Das Schutzrohr 180 besitzt eine Endkappe, die an seinem entfernten Ende 184 sitzt. Das Zurückziehen des Ankers 152 innerhalb des Schutzrohres 180 ist durch den Kontakt mit der Endkappe 174 durch einen Puffer 189, der an der Innenfläche der Endkappe 182 befestigt ist, begrenzt.
Die Statorbaugruppe 166 ist an eine geeignete Elektromotor-Steuerung 190 über die Leitungen 192A, 192B, 192C angeschlossen. Die Elektromotor-Steuerung 190 ähnelt der Stellgliedsteuerung 100, die oben beschrieben wird, dementsprechend wurden gleiche Komponenten gleich beziffert. Ein Auflöser-Digital-Wandler 200 empfängt analoge Signale von einem Auflöser 202 und wandelt die Signale in ein binäres Format um, das für den Invertertreiber 118 der Elektromotor-Steuerung 190 geeignet ist. Das binäre Format liefert einen Index in eine Nachsehtabelle 191, um zu bestimmen, welche Transistoren 114A-114F bedient werden sollten, um die Statorwicklungen 166 als eine Funktion der Winkelposition des Ankers 12 richtig zu kommutieren. Es sollte verstanden werden, dass der Auflöser 202 nur eine Ausführungsform zum Erfassen der Winkelposition des Ankers 152 ist. Jeder geeignete Sensor wie zum Beispiel eine Codiereinrichtung oder Hall-Effekt-Sensoren könnte auch verwendet werden.
Rückbezüglich auf Fig. 8 versetzt das Stellglied 150 den Anker 152 enlang der Achse 158 und dreht zudem den Anker 152 um die Achse 158. In der dargestellten Ausführungsform ist der Ankerabschnitt 168 mit der Statorbaugruppe 166 ausgerichtet, wenn der Anker 152 ganz ausgedehnt ist, und ermöglicht damit den Betrieb des Elektromotors, um den Anker 152 zu drehen. Es sollte verstanden werden, dass der Ankerabschnitt 168 verlängert oder positioniert werden kann, oder zusätzliche Ankerabschnitte 168 hinzugefügt werden können, um zu ermöglichen, dass der Anker 152 bei jedem ausgedehnten Zustand gedreht werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass Veränderungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne vom Gegenstand und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Elektromagnetisches Stellglied (10), welches folgendes aufweist:

einen Betätigungsstab (14), welcher eine Vielzahl von magnetischen Baugruppen (20A-20F) aufweist, die um eine Längsachse (18) des Betätigungsstabs (14) zur Bildung einer äußeren Auflagefläche (26) angeordnet sind, wobei jede magnetische Baugruppe (20A-20F) Magneten (22) und Ankerschichten (30) aufweist und wechselnden Magnetfluß entlang der Längsachse (18) erzeugt;

ein Stützgefüge (46A bis 46F);

eine Vielzahl von Statorwicklungs-Baugruppen (16A bis 16F), welche an dem Stützgefüge (46A bis 46F) befestigt sind und entlang der Längsachse (18) angeordnet sind, wobei jede Statorwicklungs-Baugruppe (16A bis 16F) einen Pol (64A bis 64F) aufweist, der einem Abschnitt einer aus der Vielzahl von magnetischen Baugruppen (20A bis 20F) und der Längsachse (18) zugewandt ist; und

dadurch gekennzeichnet ist, daß die Magneten (22) in den Ankerschichten (30) innerhalb des Betätigungsstabs (14) unter der äußeren Auflagefläche (26) angeordnet sind.

2. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Auflagefläche (26) aus Nickel gebildet ist.

3. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Auflagefläche (26) aus einem äußeren Ringabschnitt (34) einer jeden der Ankerschichten (30) gebildet ist.

4. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Auflagefläche (26) mit Nickel plattiert ist.

5. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Statorwicklungs-Baugruppe (16A bis 16F) folgendes aufweist:

ein Kerngefüge (56A bis 56F);

jede Statorwicklungs-Baugruppe (16A bis 16F), die vom Kerngefüge (56A bis 56F) gestützt wird; und

jede Statorpol-Stirnseite (64A bis 64F), die an jedem Kerngefüge (56A bis 56F) zwischen jeder Statorwicklungs- Baugruppe (16A bis 16F) und dem Betätigungsstab (14) befestigt ist, wobei jede Statorpol-Stirnseite (64A bis 64F) eine Innenfläche aufweist, die von der äußeren Auflagefläche (26) beabstandet ist und sich der äußeren Auflagefläche (26) zumindest an einem Abschnitt einer jeden Magnetbaugruppe (20A bis 20F) unmittelbar anpaßt.

6. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsstab (14) eine Vielzahl von Unterabschnitten (28) aufweist, welche entlang der Längsachse (18) aneinander befestigbar sind.

7. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt von mindestens einem Magneten (22) innerhalb eines jeden Unterabschnitts (28) angeordnet ist.

8. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Unterabschnitt (28) eine Vielzahl von Schichten (30) aufweist.

9. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Statorwicklung (16A bis 16F) einen Stützkern (32) aufweist, welcher beabstandete Nutendrähte einer entsprechenden Wicklung aufweist.

10. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stützkern (32) eine Vielzahl von Kernschichten aufweist, wobei jede Schicht beabstandete Nuten aufweist.

11. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stützkern (32) ein mit dem Stützkern verbundenes Polgefüge aufweist, das eine Oberfläche hat, welche den Magnetbaugruppen zugewandt ist.

12. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polgefüge eine Vielzahl von Polschichten aufweist.

13. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsstab (14) eine Vielzahl von Stabschichten aufweist, und daß jede Statorwicklungs-Baugruppe (16A bis 16F) ein Polgefüge aufweist, das dem Betätigungsstab (14) zugewandt ist, wobei das Polgefüge eine Vielzahl von Polschichten aufweist, die von den Stabschichten trennbar sind.

14. Elektromagnetisches Stellglied (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Statorwicklungs-Baugruppen (16A bis 16F) mit der ersten Vielzahl von Magnetbaugruppen zur Bewegung des Betätigungsstabs in Längsrichtung entlang der Längsachse von einer ersten Position in eine zweite Position betriebsbereit ist,

wobei das Stellglied ferner folgendes aufweist:

eine zweite Vielzahl von Magnetbaugruppen, welche entlang der Längsachse eines zweiten Abschnitts des Stabs angeordnet sind, wobei die Magnetbaugruppen wechselnden Magnetfluß entlang der Längsachse erzeugen, und

eine zweite Vielzahl von Statorwicklungs-Baugruppen, welche an dem Stützgefüge befestigt sind und um die Längsachse angeordnet sind, wobei die zweite Vielzahl der Statorwicklungs-Haugruppen zusammen mit der zweiten Vielzahl von Magnetbaugruppen zur Drehung des Betätigungsstabs um die Längsachse betriebsbereit ist, wenn der Betätigungsstab in der zweiten Position ist.

15. Ein Verfahren zur Konstruktion eines elektromagnetischen Stellglieds (10), welches einen relativ zur Statorwicklungs-Baugruppe (16A bis 16F) beweglichen Betätigungsstab (14) aufweist, der eine Magnetbaugruppe (2oA bis 20F) umfaßt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

das Vorsehen einer Vielzahl von Schichten (72);

die Bildung einer Vielzahl von Polschichten (70) und einer Vielzahl von Stabschichten (30) aus der Vielzahl der Schichten (72);

die Befestigung der Stabschichten (30) aneinander zur Bildung des Betätigungsstabs (14); und dadurch gekennzeichnet, daß

die Vielzahl der Polschichten (70) zur Bildung einer Polstirnseite (64A bis 64F) auf einer Statorwicklung (16A bis 16F) aneinander befestigt werden, wobei jede Polstirnseite (64A bis 64F) eine Oberfläche aufweist, die dem Betätigungsstab (14) zugewandt ist, und die Polschichten (70) einen Innenabschnitt mit einer Innenform aufweisen, welche identisch der Form eines äußeren Ringabschnitts (34) der Stabschichten (30) ist, wobei die identischen Formen (73) durch Stanzen oder Laserbearbeitung voneinander getrennt sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsschritt der Stabschichten aneinander die Bildung einer Vielzahl von Unterabschnitten von aneinanderbefestigten Stabschichten umfaßt, und dann die Befestigung der Vielzahl von Unterabschnitten aneinander zur Bildung des Betätigungsstabs.