EP1133822A1 - Wicklungskern für linearmotoren - Google Patents

Wicklungskern für linearmotoren

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Publication number
EP1133822A1
EP1133822A1 EP99963294A EP99963294A EP1133822A1 EP 1133822 A1 EP1133822 A1 EP 1133822A1 EP 99963294 A EP99963294 A EP 99963294A EP 99963294 A EP99963294 A EP 99963294A EP 1133822 A1 EP1133822 A1 EP 1133822A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
yoke
section
winding core
core according
tooth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99963294A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Stoiber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Linear Motor Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Linear Motor Systems GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Linear Motor Systems GmbH and Co KG filed Critical Siemens Linear Motor Systems GmbH and Co KG
Publication of EP1133822A1 publication Critical patent/EP1133822A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots

Definitions

  • the invention relates to a winding core for linear motors with a yoke and projecting teeth, through which grooves for receiving a winding are formed.
  • Such winding cores are used for the active and / or the reaction parts of linear motors (also referred to as primary or secondary parts).
  • the flux density of the magnetic field induced by the winding can become very large in the teeth of such winding cores.
  • the magnetic flux density can be so great that the saturation magnetization for the material of the winding core is achieved, whereby the efficiency of the linear motor is reduced.
  • the tooth cross section can be enlarged. If the tooth cross-section is increased in the direction of movement of the linear motor, the groove widths are reduced. On the one hand, this means that the groove spread is increased due to the smaller distance between two teeth. In addition, there is less space for the winding in the slots. In addition, the hysteresis losses in the tooth increase due to the larger tooth mass.
  • Another way of reducing the magnetic flux density in the tooth is to enlarge its lateral cross section perpendicular to the direction of movement of the motor. However, this also leads to increased cross-groove distribution. In addition, the tooth mass is also increased with this procedure, which leads to a higher power loss. It is an object of the present invention, while avoiding the disadvantages mentioned above, to reduce the magnetic flux density in the tooth.
  • the solution is based on the knowledge that the flux density in the tooth is greatest in the section adjacent to the yoke and decreases with increasing distance from the yoke due to the increasing cross-groove distribution.
  • the teeth therefore each have a section on the yoke side and a section remote from the yoke.
  • the section on the yoke side is widened laterally in the direction perpendicular to the direction of movement of the larmar motor with respect to the section remote from the yoke. It is thereby achieved that the cross-sectional area of the tooth is increased where the magnetic flux density is highest.
  • the tooth cross-section is not enlarged where the groove cross-section is at its highest, namely in the section of the tooth remote from the yoke.
  • the widening of the yoke ends of the tooth is preferably about 10%.
  • the widening can be formed symmetrically on both sides of the tooth.
  • the widening of the teeth can be implemented in the form of at least one step.
  • the at least one step from the yoke is no further than half the tooth length.
  • the widening of the teeth can also take place via an inclined step.
  • Fig. 1 shows the distribution of the flux density m a winding core according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the winding core according to the invention in a side view, perpendicular to the direction of movement of the motor.
  • Fig. 3 shows the first exemplary embodiment in a vertical section transverse to the direction of movement of the motor through the yoke and a tooth of the winding core.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the winding core according to the invention in a vertical section transverse to the direction of movement of the motor through the yoke and a tooth of the winding core.
  • Reference number 1 shows the distribution of the flux density in a conventional winding core 1 (here the primary or active part), the windings (not shown) being under current.
  • Reference number 2 denotes the reaction part (or secondary part) of the linear motor. The reaction part and the active part interact with each other in a known manner.
  • the winding core consists of a yoke 3 and teeth 4, between which slots 5 are formed.
  • the magnetic flux density n is greatest in the area of the tooth 4 which adjoins the yoke 3.
  • the flux density then decreases with increasing distance from the yoke due to the transverse groove distribution, which increases between the teeth 4 with increasing distance from the yoke 3.
  • the winding core 1 shown consists of a return yoke 3 with teeth 4 protruding therefrom.
  • the teeth 4 form the boundaries for slots 5, which not shown) record, ie the winding (or windings) are thus guided around the tooth.
  • the teeth 4 are wider in their yoke-side section 7 than in their yoke-away section 6 (FIG. 3).
  • the transition between these two sections 6 and 7 is designed as a step 8, the distance from the yoke 3 is less than their distance from the end surface 9 of the tooth 4 remote from the yoke.
  • the windings (not shown) are designed so that they are both widened Route section 7 as well as section 6, which is not widened.
  • the magnetic flux density in section 7 can be reduced without increasing the groove spread in the area of section 6.
  • the increase in tooth mass due to the widening of section 7 compared to section 6 is relatively small compared to the total mass of tooth 4, so that the power loss due to hysteresis losses is only slightly increased.
  • the second exemplary embodiment differs from the first only in that the transition from the section 6 ′ remote from the yoke to the section 7 ′ of the tooth 4 ′ on the yoke side takes place via an inclined step 10. - 5 -
  • transition from the section remote from the yoke to the wider section of the tooth on the yoke side shown in the two exemplary embodiments are not the only possible ones. For example, Multiple steps or transitions with continuous or curved courses possible. In the case of continuous transitions from the section remote from the yoke to the wider section on the yoke side, the continuous widening can begin at the end surface of the tooth remote from the yoke.
  • the tooth shape need not be symmetrical either. It is e.g. it is possible that the transition to the broad section of the tooth is different on both sides of the tooth or is even present only on one side of the tooth.
  • the winding cores are each made from individual, laminated metal sheets.
  • the tooth enlargements are realized in such a way that the last side plates (4 in the illustration) each have different tooth lengths than all the others; Multiple increments can also be achieved in that these sheets each have different tooth lengths that decrease from one another.
  • FIGS. 3 and 4 To illustrate the tooth lengths, the bottom of the groove is shown in FIGS. 3 and 4 as a solid line.
  • the yoke is additionally widened over the entire length of the winding core, so that the flux density is also reduced here.
  • this can also be used to reduce the height or thickness of the yoke 3 (perpendicular in the figures), since the increase in flux density associated therewith can be compensated for by the yoke broadening. In this way, flat motors of linear design can be realized.
  • the widening of the yoke 3 between the teeth 4 could be dispensed with, so that the yoke does not have a uniform width over the length of the linear motor and material (and thus mass) can be saved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wicklungskern für Linearmotoren mit einem Joch (3) mit vorspringenden Zähnen (4), durch die Nuten (5) zur Aufnahme der Wicklungen gebildet werden, wobei die Zähne jeweils einen jochseitigen (7) und einen jochfernen (6) Abschnitt aufweisen. Zur Verminderung der Flußdichte im jochseitigen Abschnitt ist dieser seitlich, d.h. senkrecht zur Bewegungsrichtung des Linearmotors gegenüber dem jochfernen Abschnitt verbreitert.

Description

Wicklungskern für Linearmotoren
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wicklungskern für Linearmotoren mit einem Joch und vorspringenden Zahnen, durch die Nuten zur Aufnahme einer Wicklung gebildet werden. Derartige Wicklungskerne werden f r die Aktiv- und/oder die Reaktionsteile von Linearmotoren verwendet (auch als Primär- bzw. Sekundarteile bezeichnet) .
In den Zähnen solcher Wicklungskerne kann die Flußdichte des von der Wicklung induzierten Magnetfeldes sehr groß werden. Die magnetische Flußdichte kann dabei so groß werden, daß die Sattigungsmagnetisierung für das Material des Wicklungskerns erreicht wird, wodurch der Wirkungsgrad des Linearmotors vermindert wird.
Um die magnetische Flußdichte im Zahn zu reduzieren, kann der Zahnquerschnitt vergrößert werden. Wird der Zahnquerschnitt in Bewegungsrichtung des Linearmotores vergrößert, so werden dadurch die Nutbreiten verringert. Dies fuhrt einerseits dazu, daß aufgrund des geringeren Abstands zwischen zwei Zahnen die Nutquerstreuung erhöht wird. Außerdem bleibt in den Nuten weniger Raum f r die Wicklung. Zudem erhohen sich wegen der größeren Zahnmasse die Hystereseverluste im Zahn.
Eine weitere Möglichkeit, die magnetische Flußdichte im Zahn zu verringern, besteht im Vergrößern seines seitlichen Querschnittes senkrecht zur Bewegungsrichtung des Motors. Auch dies fuhrt jedoch zu einer erhöhten Nutquerstreuung. Außerdem wird auch bei diesem Vorgehen die Zahnmasse vergrößert, was zu einer höheren Verlustleistung führt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter weitergehender Vermeidung der oben genannten Nachteile, die magnetische Flußdichte im Zahn zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch einen Wicklungskern gemäß Anspruch 1 gelost.
Die Losung beruht auf der Erkenntnis, daß die Flußdichte im Zahn in dem an das Joch angrenzenden Abschnitt am größten ist und mit zunehmender Entfernung vom Joch aufgrund der zunehmenden Nutquerstreuung geringer wird.
Die Zahne weisen daher jeweils einen jochseitigen Abschnitt und einen jochfernen Abschnitt auf. Der jochseitige Abschnitt ist seitlich in der zur Bewegungsrichtung des Lme- armotores senkrechten Richtung gegenüber dem jochfernen Abschnitt verbreitert. Dadurch wird erreicht, daß die Querschnittsflache des Zahnes dort vergrößert wird, wo die magnetische Flußdichte am höchsten ist. Andererseits wird der Zahnquerschnitt dort nicht vergrößert, wo die Nutquerstreuung am höchsten ist, nämlich im jochfernen Abschnitt der Zahne .
Die Verbreiterung der jochseitigen Enden der Zahne betragt vorzugsweise etwa 10%.
Insbesondere kann die Verbreiterung symmetrisch zu beiden Seiten der Zahne ausgebildet sein.
Die Verbreiterung der Zahne kann in Form von mindestens einer Stufe verwirklicht sein. Insbesondere ist die mindestens eine Stufe vom Joch nicht weiter entfernt als die halbe Zahnlange. Alternativ kann die Verbreiterung der Zahne jedoch auch über eine schräge Stufe erfolgen.
Ausfuhrungsformen werden im Folgenden anhand der Figuren im Einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Verteilung der Flußdichte m einem Wicklungskern nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel des erfin- dungsgemaßen Wicklungskerns in einer Seitenansicht, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Motors.
Fig. 3 zeigt das erste Ausfuhrungsbeispiel in einem senkrechten Schnitt quer zur Bewegungsrichtung des Motors durch das Joch und einen Zahn des Wicklungskerns.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausfuhrungsbeispiel des erfin- dungsgemaßen Wicklungskerns in einem senkrechten Schnitt quer zur Bewegungsrichtung des Motors durch das Joch und einen Zahn des Wicklungskerns.
In Fig. 1 ist die Verteilung der Flußdichte in einem konventionellen Wicklungskern 1 (hier des Primär- oder Aktivteils) dargestellt, wobei die Wicklungen (nicht dargestellt) unter Strom stehen. Mit der Bezugsziffer 2 ist der Reaktionsteil (oder Sekundarteil) des Linearmotors bezeichnet. Der Reaktionsteil und der Aktivteil wechselwirken m bekannter Weise miteinander.
Der Wicklungskern besteht aus einem Joch 3 und Zahnen 4, zwischen denen Nuten 5 ausgebildet sind. Im in der Figur mittleren Zahn ist zu erkennen, daß die magnetische Flußdichte n dem Bereich des Zahnes 4, der an das Joch 3 angrenzt, am größten ist. Die Flußdichte verringert sich dann mit zunehmenden Abstand vom Joch aufgrund der Nutquerstreuung, die zwischen den Zahnen 4 mit zunehmenden Abstand vom Joch 3 zunimmt .
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht, senkrecht zur Bewegungsrichtung gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel des erfin- dungsgemaßen Wicklungskerns 1. Der dargestellte Wicklungskern 1 besteht aus einem Ruckflußjoch 3 mit davon vorstehenden Zahnen 4. Die Zahne 4 bilden die Begrenzungen f r Nuten 5, die die Wicklung (nicht gezeigt) aufnehmen, d.h. die Wicklung (bzw. Wicklungen) sind somit um die Zahne herumgeführt .
Die Zahne 4 sind in ihrem jochseitigen Abschnitt 7 breiter ausgebildet als in ihrem jochfernen Abschnitt 6 (Fig. 3) . Der Übergang zwischen diesen beiden Abschnitten 6 und 7 ist als Stufe 8 ausgebildet, deren Abstand vom Joch 3 geringer ist als ihr Abstand von der jochfernen Endflache 9 des Zahnes 4. Die Wicklungen (nicht dargestellt) sind so ausgebildet, daß sie sowohl um den verbreiterten Abschnitt 7 als auch um den nicht verbreiterten Abschnitt 6 herumfuhren.
Durch die oben beschriebene Form des Zahnes kann die magnetische Flußdichte im Abschnitt 7 verringert werden ohne die Nutquerstreuung im Bereich des Abschnittes 6 zu vergrößern. Der Zuwachs an Zahnmasse durch die Verbreiterung des Abschnittes 7 gegenüber dem Abschnitt 6 ist gegenüber der Gesamtmasse des Zahnes 4 relativ gering, so daß die Verlustleistung aufgrund von Hystereverlusten nur geringfügig erhöht wird.
Das zweite Ausfuhrungsbeispiel (Fig. 4) unterscheidet sich vom ersten lediglich dadurch, daß der Übergang vom jochfernen Abschnitt 6' zum jochseitigen Abschnitt 7' des Zahnes 4' über eine schräge Stufe 10 erfolgt. - 5 -
Die in den beiden Ausfuhrungsbeispielen gezeigten Formen des Übergangs vom jochfernen Abschnitt in den breiteren jochseitigen Abschnitt des Zahnes sind nicht die einzig möglichen. So sind z.B. Mehrfachstufen oder Übergänge mit kontinuierlichen oder gekrümmten Verlaufen möglich. Bei kontinuierlichen Übergängen vom jochfernen Abschnitt zum jochseitigen, breiteren Abschnitt kann die kontinuierliche Verbreiterung schon an der jochfernen Endflache des Zahnes beginnen. Auch muß die Zahnform nicht symmetrisch sein. Es ist z.B. möglich, daß der Übergang zum breiten Abschnitt des Zahnes an beiden Zahnseiten unterschiedlich ist oder sogar nur an einer Seite des Zahns vorhanden ist.
Wie aus den Schnitten der Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, sind die Wicklungskerne jeweils aus einzelnen, aufeinander- geschichteten Blechen gefertigt. Die Zahnvergroßerungen sind dabei so realisiert, daß die jeweils letzten seitlichen Bleche (in der Darstellung jeweils 4) andere Zahnlangen als alle übrigen aufweisen; Mehrfachstufungen können auch dadurch realisiert werden, daß diese Bleche jeweils untereinander unterschiedliche (nach außen abnehmende) Zahnlangen aufweisen.
Zur Verdeutlichung der Zahnlängen ist in den Fig. 3 und 4 jeweils der Nutengrund als durchgezogene Linie dargestellt.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Flußdichte im jochseitigen Abschnitt des Zahns, direkt angrenzend an die Nut 5 und das Joch 3 am größten ist; dies wurde durch Berechnung mit der Methode der finiten Elemente bestätigt, und Fig. 1 beruht auf einer solchen Berechnung. Es wäre somit grundsatzlich ausreichend, nur den entsprechenden Teil des Zahns seitlich zu vergrößern, um die Flußdichte unter die Sattigungsmagnetisierung zu vermindern. - 6 -
In den dargestellten Ausfuhrungsbeispielen ist aber zusatzlich über die Gesamtlange des Wicklungskerns das Joch verbreitert, so daß auch hier die Flußdichte vermindert ist. Dies kann man umgekehrt auch dazu ausnutzen, die Hohe oder Dicke des Jochs 3 (senkrecht in den Figuren) zu vermindern, da die damit verbundene Flußdichteerhohung durch die Jochverbreiterung kompensiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich Linearmotoren flacherer Bauart realisieren.
Desweiteren konnte beispielsweise auf die Verbreiterung des Jochs 3 zwischen den Zahnen 4 verzichtet werden, so daß über die Lange des Linearmotors das Joch keine einheitliche Breite aufweist und Material (und damit Masse) eingespart werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Wicklungskern für Primär- oder Sekundarteile von Linearmotoren mit einem Joch (3; 3') mit vorspringenden Zahnen (4; 4') , durch die Nuten (5) zur Aufnahme mindestens einer
Wik-klung gebildet werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zahne (4; 4') jeweils einen jochseitigen Abschnitt (7; 7') und einen jochfernen Abschnitt (6; 6') aufweisen, wobei der ochseitige Abschnitt (7; 71) m der zur Bewegungsrichtung des Linearmotors senkrechten Richtung seitlich eine größere Abmessung als der jochferne Abschnitt (6; 6') aufweist .
2. Wicklungskern nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abmessung des jochseitigen Abschnitts (7; 7') auf einer Seite etwa 5% großer ist als die Abmessung der jochfernen Abschnitts (6; 6') .
3. Wicklungskern nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abmessung des jochseitigen Abschnitts (7, 7') auf jeder Seite bis zu 5% großer ist als die Abmessung des jochfernen Abschnitts (6,6') .
4. Wicklungskern nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zahne (4; ' ) in der zur Bewegungsrichtung des Linearmotors senkrechten Richtung symmetrisch sind.
5. Wicklungskern nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Vergrößerung der Abmessung mindestens eine Stufe (8; 10) n den Zahnen (4; 4') ausgebildet ist.
6. Wicklungskern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t durch einen abgeschrägten Übergang (10) zwischen dem jochnahen und dem jochfernen Abschnitt .
7. Wicklungskern nach einem der Anspr che 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Anfang des jochfernen Abschnitts (6, 6') vom Joch (3; 3') nicht weiter entfernt ist als die halbe Zahnlange.
8. Wicklungskern nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der jochferne Abschnitt (6; 6') über eine kontinuierliche Vergrößerung der Abmessung in den jochseitigen Abschnitt (7; 7') übergeht .
9. Wicklungskern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest im Bereich der Zahne (4) das Joch (3) die gleichen seitlichen Abmessungen aufweist wie der jochnahe Abschnitt.
10. Wicklungskern nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Joch (3) über die Gesamtlange die gleichen seitlichen Abmessungen aufweist wie der jochnahe Abschnitt.
11. Linearmotor mit einem Primarteil und einem Sekundarteil (2) , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Primarteil und/oder der Sekundarteil einen Wicklungskern nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
EP99963294A 1998-11-18 1999-11-12 Wicklungskern für linearmotoren Withdrawn EP1133822A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1998153237 DE19853237A1 (de) 1998-11-18 1998-11-18 Wicklungskern für Linearmotoren
DE19853237 1998-11-18
PCT/EP1999/008713 WO2000030237A1 (de) 1998-11-18 1999-11-12 Wicklungskern für linearmotoren

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WO (1) WO2000030237A1 (de)

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