-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf Linearschrittmotoren. Insbesondere betrifft
die Erfindung ein System zum Bilden von Komponenten des Linearschrittmotors
und zum Verbessern der Betriebsleistung solcher Motoren.
-
Linearschrittmotoren
werden zum Positionieren in Anwendungen verwendet, die Bewegungen mit
schneller Beschleunigung und hoher Geschwindigkeit bei niedrigen
Massenutzlasten erfordern. Die mechanische Einfachheit und der präzise Betrieb
mit offener Schleife sind weitere Merkmale von Schritt-Linearmotorsystemen.
-
Ein
Linearschrittmotor arbeitet gemäß den gleichen
elektromagnetischen Prinzipien wie ein Drehschrittmotor. Der stationäre Teil
oder die Platte ist ein passiver gezahnter Stahlstab, der sich über die gewünschte Bewegungslänge erstreckt.
In die sich bewegenden Elemente oder den Treiber sind Permanentmagneten,
Elektromagneten mit Zähnen
und Lager eingebaut. Der Treiber bewegt sich längs der Platte in zwei Richtungen
und stellt in Reaktion auf den Zustand der Ströme in den Feldwicklungen diskrete
Orte sicher. Im Allgemeinen ist der Motor zweiphasig, eine größere Anzahl
von Phasen kann jedoch verwendet werden.
-
Ein
Linearschrittmotor unterliegt nicht denselben Beschränkungen
hinsichtlich der Lineargeschwindigkeit und der Linearbeschleunigung,
die Systemen eigentümlich
sind, die eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzen.
Bei Linearmotoren wird die von dem Motor erzeugte Kraft effizient
direkt auf die Last ausgeübt,
wobei die Länge
keine Auswirkung auf die Systemträgheit hat. Weitere Vorteile
von Linearschrittmotoren umfassen:
- 1. Die Motoren
erreichen Geschwindigkeiten von 2,54 m/s (100 Zoll pro Sekunde)
und der Treiber mit niedriger Masse ermöglicht eine hohe Beschleunigung.
- 2. Der Bedarf an Verstellschraubenspindeln oder Riemen und Riemenschei ben
ist beseitigt.
- 3. Die Bewegungslänge
ist durch die Länge
der Platte begrenzt, wobei eine Verlängerung der Platte keine Leistungsverschlechterung
zur Folge hat.
- 4. Ein präziser
Betrieb mit offener Schleife ist möglich, ferner ist die unidirektionale
Wiederholbarkeit bis auf 2,5 Mikrometer ohne zusätzlichen Aufwand an Rückkopplungsvorrichtungen
möglich.
- 5. Ein Linearmotor ist gewöhnlich
in allen drei Dimensionen kleiner als vergleichbare Systeme, in denen
eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umgesetzt wird.
- 6. Es können
mehr als ein Treiber an derselben Platte arbeiten, wobei ihre Trajektorien überlappen
können.
-
Ein
Beispiel eines Linearmotors ist in dem Patent
US 4.860.183 offenbart, das einen
Linearmotor beschreibt, der eine erste Baueinheit (die Platte) und
eine zweite Baueinheit (den Treiber) umfasst. Die Platte umfasst
eine Gruppe von Zähnen,
die mit einer bestimmten Schrittweite in einer Reihe längs einer
Linie parallel zur axialen Bewegungslinie angeordnet sind. Der Treiber
enthält
ebenfalls Gruppen von Zähnen
mit derselben bestimmten Schrittweite. Die Gruppen von Zähnen des
Treibers befinden sich jeweils gegenüber der Gruppe von Zähnen der
parallelen Platten und sind von jenen Zähnen der Platte durch einen
schmalen Spalt getrennt.
-
Eine
kritische Forderung zur Sicherstellung der Genauigkeit der Schrittmotoren
besteht darin, dass die Positionen der Zähne in der Platte und der Zähne im Treiber
genau sein müssen.
Herkömmlicherweise
ist es möglich,
die Zähne
in einer Platte durch einen Ätzprozess
auszubilden, wobei die Ätzung
derart ist, dass diese Zähne
genau positioniert werden können.
Es ist jedoch nicht möglich
gewesen, die Zähne
in den Polflächen
in den Elektromagneten, die einen Teil des Treibers bilden, genau
auszubilden. Daher besteht hinsichtlich der Genauigkeit von Linearschrittmotoren
aufgrund dieser Eigenschaft eine Beschränkung.
-
Es
besteht folglich ein Bedarf an der Schaffung eines Schrittmotors,
bei dem es eher möglich
ist, die Zähne
im Treiber genau zu positionieren. Darüber hinaus ist es wünschenswert,
Systeme zu schaffen, um die Dichte des magnetischen Flusses sowohl
in der Platte als auch in den Zähnen
im Treiber zu erhöhen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Erfindungsgemäß wird ein
Linearmotor geschaffen, der einen Treiber umfasst, der über eine Platte
bewegbar ist. Zwischen der Platte und dem Treiber sind Lagermittel
vorgesehen, außerdem weist
die Platte Zähne
auf, die quer zur Bewegungsrichtung des Treibers über die
Platte ausgerichtet sind. Der Treiber besitzt eine Reihe von Zähnen, die zu
der Platte gerichtet sind und für
eine im Wesentlichen parallele Anordnung mit den Zähnen in
der Platte vorgesehen sind. Die Zähne in dem Treiber sind durch
eine Platte gebildet, die geschlitzt und an dem Treiber befestigt
ist.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung besitzt das Material der Platte eine wesentlich höhere magnetische
Dichte als die Polflächen, die
die Elektromagneten bilden. Die Zähne der Platte können ebenfalls
eine magnetische Dichte besitzen, die wesentlich höher als
die magnetische Dichte des Materials ist, das als Basis für die Platte
dient. Die Zähne
der Platte könnten
aus einer Platte ausgebildet sein, die über der Basis liegt.
-
Die
Erfindung betrifft Schrittmotoren, die in der x-Achse und auch in
der x- und der y-Achse
orientiert sind. Ein Verfahren zum Herstellen eines Treibers gemäß der Erfindung
ist in Anspruch 14 offenbart.
-
Die
Erfindung wird weiterhin mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine perspektivische
Ansicht, in der Teile eines Treibers, der sich auf einer Platte
eines Schrittmotors befinden, der in x-Richtung betreibbar ist,
gestrichelt gezeigt sind.
-
2a–2d sind
diagrammartige Darstellungen des Treibers eines Schrittmotors in
seiner Beziehung zu den Zähnen
auf einer Platte.
-
3 ist eine perspektivische
Ansicht einer Platte und eines Gehäuses für vier Treiber eines Schrittmotors,
der in x- und y-Richtung arbeitet.
-
4a ist eine Teilexplosionsunteransicht eines
Gehäuses,
wobei ein Teil der Basisplatte weggebrochen ist und vier Treiber
gezeigt sind, die den Schrittmotor bilden, der in x- und in y-Richtung
arbeitet.
-
4b ist eine Unteransicht
der Basisplatte für
das Gehäuse
der vier Treiber, die den Schrittmotor bilden, der in x- und in
y-Richtung arbeitet. Für
jeden Treiber sind zwischen Schlitzen und Zähnen Materialstreifen vorhanden.
-
5 ist eine Explosionsansicht
eines Treibers, in der der Körper,
Permanentmagneten, Polstücke
und die geschlitzte Platte für
die Bildung der Zähne
auf dem Treiber gezeigt sind.
-
6a–6c sind
diagrammartige Querschnittsansichten von Treibern, die unterschiedliche
Beziehungen zwischen der geschlitzten Platte und dem Körper des
Treibers zeigen.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Wie
in 1 gezeigt ist, ist
eine Platte 10 durch einen Stahlstab gegeben, der auf einer
ebenen Oberfläche
Zähne 11 aufweist.
Die Zähne 11 sind
im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung eines Treibers 12 orientiert,
der sich in x-Richtung
bewegt, wie durch den Pfeil 13 angegeben ist. Die Zähne 11 auf
der Oberfläche
sind zueinander und zu Zähnen 14,
die auf der Unterseite von Polflächen 15 ausgebildet
sind, die einen Teil des Treibers 12 bilden, parallel.
-
Die
Zähne 14 des
Treibers 12 sind zu den Zähnen 11 der Platte 10 gerichtet
und stehen zu den Zähnen 11 der
Platte 10 in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung.
Die Zähne 14 sind
in der Fläche der
Polflächen 15 in
einer Weise ausgebildet, die im Folgenden weiter beschrieben wird.
Der Treiber 12 umfasst ein Körperelement 16 für den Treiber 12,
in dem sich Feldwicklungen 17 und Permanentmagneten 18 befinden.
-
Der
Schrittmotor, der in 1 gezeigt
ist, umfasst außerdem
Lager 19, die an dem Gehäuse angebracht sind, durch
das der Treiber 12 befestigt ist. Diese Lager 19 können entweder
mechanische Wälzlager
oder aber Luftlager sein. Mechanische Lager sind einfach, außerdem reduziert
die Steifheit des Lagers das Stampfen und Rollen des Treibers 12. Luftlager
sind ohne mechanische Reibung und arbeiten, indem der Treiber 12 auf
hohem Druck schwebt, der durch Öffnungen
in der Nähe
der Polflächen 15 des
Treibers 12 eingeleitet wird. Die gezeigte Darstellung
stellt mechanische Lager 19 dar.
-
Der
Betrieb des Linearschrittmotors wird nun mit Bezug auf den Betrieb
des Motors beschrieben, bei dem es sich um zwei Elektromagneten
in einem Zweiphasenmotor handelt. Die 2a–2d veranschaulichen nicht
die Erfindung. Der Linearschrittmotor wird in Mikroschritten angetrieben,
indem der Strom in die zwei Phasen des Treibers 12 in einer Weise ähnlich jener
von Drehschrittmotoren unterteilt wird. Der Treiber 12 besteht
aus zwei oder vier Elektromagneten (A und B) und aus einem starken
Seltenerd-Permanentmagneten 18. In einem Zweiphasenmotor
sind zwei Elektromagneten vorhanden; in einem Vierphasenmotor sind
vier Magneten vorhanden; in einem Sechsphasenmotor sind sechs Magneten
vorhanden, usw. Die 2a–2b veranschaulichen zwei
der Elektromagneten 18, um die Darstellung zu vereinfachen.
Die zwei Polflächen 15 jedes Elektromagneten
sind gezahnt, um den magnetischen Fluss zu konzentrieren. Vier Gruppen
von Zähnen 14 am
Treiber 12 sind um 90° versetzt,
so dass zu einem Zeitpunkt nur eine Gruppe auf die Plattenzähne 11 ausgerichtet
sein kann.
-
Der
magnetische Fluss, der zwischen dem Treiber 12 und der
Platte 10 verläuft,
verursacht zwischen den beiden Teilen eine starke Anziehungsnormalkraft.
Diese Anziehungskraft kann bis zu der zehnfachen Spitzenhaltekraft
des Motors betragen. Dies erfordert eine Lageranordnung, die einen
präzisen
Zwischenraum zwischen den Polflächen 15 und den
Plattenzähnen 11 aufrechterhält.
-
Wenn
der Strom in einer Feldwicklung 17 fließt, ist das resultierende Magnetfeld
bestrebt, den Permanentmagnetfluss an einer Polfläche 15 zu
verstärken
und ihn bei der anderen aufzuheben. Durch Umkehrung des Stroms werden
Verstärkung
und Aufhebung vertauscht. Die Wegnahme des Stroms teilt den Permanentmagnetfluss
gleichmäßig zwischen
den Polflächen 15 auf.
Durch wahlweises Anlegen des Stroms an die Phase A und an die Phase B
ist es mög lich,
den Fluss an irgendeiner der vier Polflächen 15 des Treibers
zu konzentrieren. Die Fläche 15,
die die höchste
Flusskonzentration aufnimmt, ist bestrebt, ihre Zähne auf
die Platte 10 auszurichten. Die 2a–2d zeigen unterschiedliche
Flusspfade und stellen vier Zustände
oder vollständige Schritte
des Treibers 12 dar. Die vier Schritte haben eine Bewegung
um ein Zahnintervall nach rechts zur Folge. Die Umkehrung der Folge
bewegt den Treiber 12 nach links.
-
Das
Wiederholen der Folge bewirkt, dass der Treiber 12 seine
Bewegung fortsetzt. Wenn die Folge angehalten wird, hält der Treiber 12 an,
wobei eine entsprechende Zahngruppe ausgerichtet ist. In Ruhe entwickelt
der Treiber 12 eine Wiederherstellungs- oder Haltekraft,
die sich jedem Versuch widersetzt, ihn aus dem Gleichgewicht zu
verlagern. Die Wiederherstellungskraft nimmt zu, bis die Verlagerung
ein Viertel eines Zahnintervalls erreicht.
-
In 3 ist ein Motorgehäuse 20 veranschaulicht,
das sowohl in x-Richtung 21 als auch in y-Richtung 22 arbeitet.
Das Gehäuse 20 besitzt
vier Motoren 23, 24, 25 und 26,
um sich über
eine Platte 27 zu bewegen, die aus magnetischem Werkstoff
wie etwa Eisen gebildet ist. Es sind zwei Gruppen paralleler Nuten 28 und 29 vorhanden.
Die Nuten 28 sind in x-Achsenrichtung orientiert, während die
Nuten 29 in y-Achsenrichtung orientiert sind. Die beiden
Gruppen von Nuten 28 und 29 schaffen daher magnetische
Zähne 30,
die einen quadratischen Querschnitt haben. Die außenstehenden
Zähne 30 und
die Nuten 28 und 29 schaffen eine Konfiguration
der magnetischen Energie, die in Zusammenwirkung mit den elektromagnetischen
Mitteln im Gehäuse 30,
wie es durch die vier Treiber 23, 24, 25 und 26 gebildet
ist, genutzt wird. Dadurch schaffen sie eine Bewegung des Kopfes
oder Gehäuses 20 in
Richtung der x-Achse 21 bzw. der y-Achse 22.
-
4a veranschaulicht die Unterseite
des Kopfes oder Gehäuses 20.
Es sind mehrere Treiber 23, 24, 25 und 26 zu
sehen, die in einer Grundfläche 70 angebracht
sind. Jeder Treiber ist wie der Treiber 12 beschaffen.
Die Treiber 23, 24, 25 und 26 sind
gemeinsam in Bezug auf eine einzige Platte 71 angebracht,
so dass sie mit der Platte 27 zusammenwirken. Die elektromagnetischen
Mittel sind hier so unterteilt, dass sie die vier Polflächen A,
B, C und D besitzen, die die A-, B-, C- und D-Magnetphasen repräsentieren,
die in jedem der vier Paare von Elektromagneten, die in 1 gezeigt sind, genauer
gezeigt sind. Durch diese Anordnung kann sich das Gehäuse oder
der Kopf 20 über
die Platte 27 entsprechend dem Betrieb der jeweiligen Treiber 23, 24, 25 und 26 in ähnlicher
Weise wie mit Bezug auf die 2a–2d beschrieben bewegen.
-
In 4b ist eine einzelne Platte 71 gezeigt, die
auf der Grundfläche 70 anzuordnen
ist. Es kann ein geeignetes Befestigungsmittel vorgesehen sein, um
die Platte 71 an der Grundfläche 70 zu befestigen.
Da alle Zähne 14 durch
Materialschlitze 51 gebildet sind, die in die einzige Platte 71 geschnitten sind,
anstatt dass die Zähne
einzeln für
jeden der vier Treiber aufgebaut sind, ist es einfacher, die relative Ausrichtung
der vier Treiber zueinander zu erhalten. In einigen anderen Fällen können für jeden
der Treiber einzelne Platten vorgesehen sein. Jeder Treiber 23, 24, 25 und 26 besitzt
eine Anordnung von Zähnen 14,
die zwischen Schlitzen 51 und zwischen Material 52 in
einer Weise ausgebildet sind, die jener, die in den 5, 6a, 6b oder 6c gezeigt ist, ähnlich ist.
-
5 veranschaulicht einen
Aspekt des erfindungsgemäßen Konzepts
der Herstellung des Treibers 12. Damit entweder ein Linearschrittmotor
in der x-Richtung 21 arbeitet
oder mehrere Treiber einen Linearschrittmotor in x-Richtung 21 und
in y-Richtung 22 betreiben, besitzt der Treiber 12 ein Körperelement 16 mit
vier Fächern 40, 41, 42 bzw. 43.
In jedem dieser Fächer
ist eine elektromagnetische Konfiguration vorhanden, die vier Polstücke 44 besitzt,
die vom Fach 40 nach außen gerichtet sind, so dass
Polflächen 45 im
Wesentlichen bündig
mit der oberen Phase 46 des Körpers 16 sind. In
dem Raum 47 ist eine geeignete Feldwicklung 17 vorhanden,
die sich zwischen den zwei Gruppen von Polstücken 44 befindet.
In jedem der Fächer
ist ein Permanentmagnet 18 vorhanden. Vier dieser Konstruktionen
sind im Körperelement 16 ausgebildet,
um den Treiber 12 zu erzeugen.
-
Die
herkömmliche
Praxis hat darin bestanden, in den Polflächen 45 Zähne auszubilden,
die zu den Zähnen
in einer Platte im Wesentlichen parallel sind. Durch die Erfindung
wird jedoch eine getrennte Platte 50 geschaffen, in der
beabstandete Schlitze vorgesehen sind, die in Vierergruppen angeordnet sind,
die den Flächen 45 jedes
der Polstücke 44 entsprechen.
Die Polstücke 44 selbst
sind eben und nicht mit Zähnen
versehen. Die Zähne 14 sind
tatsächlich
durch Materialstreifen 52 zwischen jedem der Schlitze 51 gebildet.
Um die Schlitze 51 ist ein Materialumfang 53 vorhanden,
wobei dieses Material an der Fläche 46 auf
der Oberseite des Körpers 16 verankert
ist.
-
Durch
diese Anordnung wird die Platte 50 durch einen Photoätzprozess
geeignet geätzt,
so dass die Schlitze 51 in der Fläche 46 der Platte 50 äußerst genau ausgebildet werden können. Auf diese Weise wird
ein System zum Bilden genau beabstandeter Zähne geschaffen, um die Polflächen 44 des Treibers 12 zu
bilden. Statt durch Ätzen
kann dies auch durch maschinelles Bearbeiten, nämlich durch Schneiden oder
Stanzen erfolgen.
-
Um
die Konstruktion der Fläche,
die an die Zähne
der Platte angrenzt, abzuschließen,
werden die Schlitze 51 mit Epoxid gefüllt. Die freiliegende Fläche der
Platte 50 wird einem Schleifvorgang unterworfen, um eine
glatte Oberfläche
zu schaffen. Danach kann ein Polieren mittels Diamant vorgesehen sein,
um dem Produkt eine endgültige
Gestalt hoher Qualität
zu verleihen.
-
Das
Material, aus dem die Platte 50 gebildet ist, kann Vanadium
PermidorTM mit hoher Flussdichte sein, das
eine maximale Flussdichte von etwa 21000 Gauß besitzt. Dies wäre mit dem
herkömmlichen Stahl
zu vergleichen, der eine Flussdichte von etwa 14000 Gauß hat und
der den üblichen
Werkstoff darstellt, aus dem ein Polstück hergestellt ist. Die Zahnflussdichte
ist doppelt so groß wie
jene der Pole und von Bandstahl. Da Vanadium PermidorTM erheblich teurer
als Stahl ist, ist es nun möglich,
Zähne mit
höherer
Flussdichte zu schaffen und dabei einen effektiven Treiber mit einer
effektiven hohen Flussdichtekonzentration zu schaffen, wo dies notwendig
ist, nämlich
in den Zonen der Zähne,
nicht jedoch in den Polstücken
selbst. Obwohl Vanadium PermidorTM ein erheblich
teurerer Werkstoff ist, ist dennoch das Nettoergebnis ein Kombinationsprodukt,
das eine hohe Qualität,
eine hohe Leistung und erheblich geringere Kosten besitzt als wenn
das gesamte Produkt aus einem Werkstoff mit höherer magnetischer Dichte hergestellt
würde.
Die Motorkraft ist zu dem Quadrat der Zahnflussdichte proportional.
-
Damit
der Motor in der Betriebsart mit hoher Kraft arbeitet, sind sowohl
die Platte als auch die Treiberzähne
aus einem Werkstoff mit hoher Flussdichte wie etwa Vanadium PermidorTM hergestellt. Da in einem Motor mit einer
Schrittweite von 0,1016 cm (0,040 Zoll) die geätzten Platten sowohl des Treibers als
auch der Platte eine Dicke von weniger als 0,0508 cm (0,020 Zoll)
besitzen, sind die Kosten bei der Verwendung von Vanadium PermidorTM verhältnismäßig gering.
-
Ebenso
können
die Zähne 30 der
Platte 27 oder die Zähne 11 der
Platte 10 aus einem Werkstoff mit hoher magnetischer Flussdichte
hergestellt sein, während
die entsprechenden Basen aus einem Werkstoff mit einer geringeren
Flussdichte hergestellt sein können.
Insgesamt wird daher ein System geschaffen, das eine Wechselwirkung
zwischen einem Treiber und einer Platte bewirkt und das Komponenten
mit einer hohen Flussdichtecharakteristik in einer Weise besitzt,
die bisher nicht in Betracht gezogen worden ist. Die Zähne für die Platte
können
in einer Platte ausgebildet werden, die dann an das Basiselement
geklebt wird.
-
Die 6a, 6b und 6c veranschaulichen
drei der verschiedenen Ausführungsformen,
durch die die Platte 50 relativ zu der Fläche 46 am
Treiber 12 ausgebildet werden kann.
-
In 6a sind Streifen 52 mit
dem Epoxidätzmaterial
gezeigt, wo andernfalls Schlitze 51 gewesen wären. Die
in 6b gezeigte Ausführungsform
zeigt eine teilweise geätzte
Platte mit Epoxid 60, das die Zwischenräume zwischen den Zähnen 52 füllt. Unter
jedem der Schlitze 51, der mit Epoxid 60 gefüllt ist,
ist eine dünne
Materialscheibe 61 befestigt. Der Vorteil dieser Anordnung
besteht darin, dass eine Faltenbildung der dünnen Streifen 52 in
der Platte verhindert wird, insbesondere dann, wenn die Platte in
die Nähe
von Elementen in dem Treiberkörper 12, die
ein hohes Magnetfeld aufbauen, gebracht wird. In 6c ist eine Anordnung gezeigt, bei der
eine Materialscheibe befestigt ist. Die Materialscheibe 62 befindet
sich auf der Oberseite der Zähne.
Alle Materialstreifen 52 weisen nach unten. Die Scheibe 62 wird anschließend abgeschliffen,
wodurch die Materialstreifen 52 und das Epoxid 60 zurückbleiben.
-
Es
gibt viele Formen der Erfindung, die sich voneinander unterscheiden.
Die Erfindung soll nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt sein.