EP4018538A1 - Translationsmotor und verfahren zur herstellung eines stators eines solchen translationsmotors - Google Patents

Translationsmotor und verfahren zur herstellung eines stators eines solchen translationsmotors

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EP4018538A1
EP4018538A1 EP20774868.2A EP20774868A EP4018538A1 EP 4018538 A1 EP4018538 A1 EP 4018538A1 EP 20774868 A EP20774868 A EP 20774868A EP 4018538 A1 EP4018538 A1 EP 4018538A1
Authority
EP
European Patent Office
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stator
die
flat
translation motor
roller
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.)
Pending
Application number
EP20774868.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hugo Isert
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.)
Isel Automation & Co KG GmbH
Original Assignee
Isel Automation & Co Kg GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102019005951.4A external-priority patent/DE102019005951A1/de
Priority claimed from DE202019003493.5U external-priority patent/DE202019003493U1/de
Application filed by Isel Automation & Co Kg GmbH filed Critical Isel Automation & Co Kg GmbH
Publication of EP4018538A1 publication Critical patent/EP4018538A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/022—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with salient poles or claw-shaped poles
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    • H02K15/024—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with slots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D13/00—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form
    • B21D13/02—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form by pressing
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    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
    • H02K1/165—Shape, form or location of the slots
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    • 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
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom

Definitions

  • the invention relates to a translation motor and a method for manufacturing a stator of such a translation motor.
  • Linear motors and planar motors are known as such from the prior art. Solutions with passive stators are known in particular. Furthermore, such stators of linear and planar motors are known in which the tooth structure is obtained by milling out the spaces.
  • a tooth structure with preferably small distances and exact geometry between the individual stator teeth is sought.
  • a disadvantage is that such a production requires a lot of effort and material input, the effort and the precision required in the manufacture increasing with increasing fineness of the tooth structure. This leads to long production times and, in addition to high material consumption, also to high tool costs.
  • the object of the invention is to show a translation motor that can be manufactured inexpensively and designed for a large spatial working area.
  • the object of the invention is also to show an efficient method for producing a stator for this purpose, which is cost-effective and low-wear and enables a low use of material and low tool wear.
  • the translation motor has an active translational rotor and a flat stator.
  • a translation motor in the context of the present application is understood to mean an electric motor in which a rotor moves translationally relative to a stator in a plane.
  • the translation motor is thus understood as a generic term for a linear motor with a drive movement in one translational degree of freedom and for a planar motor with a drive movement in two translational degrees of freedom.
  • the active translational rotor is movable in relation to an X-axis in a stator plane.
  • the active translational runner also referred to below for short as a translatory runner, is designed in a manner that is named per se. It has coils for generating a movable magnetic field and, through interaction with the stator, generates a driving force through which the translatory rotor moves.
  • the translatory rotor can be moved translationally to an X-axis.
  • the translation motor is a linear motor here.
  • the X-axis runs parallel to the stator plane.
  • the translational movement of the active translational runner is guided along the X-axis, preferably by means of at least one guide element, also referred to below as a linear guide.
  • the planar stator has an upper side and an underside.
  • the top and the bottom can have the same texture. They can also optionally differ, for example in terms of quality, coating or treatment.
  • the top side it is possible for the top side to have a different chemical composition than the bottom side in order to allow a filling material to adhere to the optional filling of the tooth gaps To support the tooth structure or, conversely, to counteract the adhesion of dirt.
  • the upper side has a tooth structure which is arranged linearly in the X-axis and is formed by stator teeth and stator tooth gaps.
  • This tooth structure is arranged along the X-axis of the flat, embossed stator material.
  • the geometric shape of the stator teeth can be designed almost as desired. However, it preferably corresponds to uniform simple shapes such as circles, ovals, squares or other polygons, each in a regularly repeated sequence.
  • the space between the individual stator teeth is referred to as the tooth gap, which is preferably also arranged in a regularly repeated sequence.
  • the stator teeth and the stator tooth gaps each form magnetic pole pairs.
  • the flat stator is formed from a stamped, flat stator material, the stator having a die side and a male side.
  • the die side is the raised side and the male side is the recessed side of the stamped stator material.
  • the die side is formed by the die and the male side by the male die.
  • the die is also referred to as the upper punch and the patrix as the lower punch.
  • the flat stator is made from a stampable, sheet-like stator material by means of a stamping process.
  • Soft magnetic materials are used as the starting material, which can be shaped by cold forming due to their ductility.
  • the starting material is in the form of a sheet metal, which is stamped in blanks or as an endless roll material.
  • the impressed structures form the tooth structure with stator teeth and stator tooth gaps.
  • the process includes cold forming using a stamping process.
  • the embossing process can be carried out as a press embossing or a roller embossing process.
  • the press embossing process is a discontinuous process in which blanks of the flat stator material are embossed by pressing between the die and the male die.
  • the die has depressions which the flat stator material receives.
  • the male mold has elevations which press the flat stator material into the recesses of the female mold.
  • the roll embossing process can be carried out continuously or not continuously.
  • the flat stator material is fed to the process as an endless roll material, embossed in the process and then rolled up again.
  • the embossing is done by means of a roller embossing machine using appropriately structured die and male rollers. Similar to the press embossing, the die roller has depressions into which the flat stator material is pressed by the elevations of the male roller.
  • blanks of the flat stator material are passed through the embossing rollers and thus embossed.
  • the upper side is formed from the die side, which has elevations which in turn form the stator teeth.
  • the underside is formed by the male side.
  • the dies are usually arranged above and the male dies below the flat stator material. After the stamping, the side of the die forms the top side, which has the raised stator teeth. At the same time, the male side forms the underside. Regardless of the spatial orientation, the upper side always designates the side that faces the translative runner.
  • the embossed tooth structure produced on the flat stator can, due to the process, have a lower precision than b ner subtractive shaping, for example by milling. This can lead to a lower precision of the movement of the translative runner.
  • the cost advantage results from the almost material loss-free production, which is offset by the cutting removal of the stator tooth gaps in manufacturing processes that have hitherto been customary according to the state of the art.
  • the metal removal generates not only the material removed but also a high level of wear and tear on the cutting tools, which sometimes have to be serviced several times within one processing.
  • the flat stator material becomes more stable through the stamping, since the stamped structures and the stiffening of the material caused by the cold forming lead to increased buckling stability.
  • Another advantage is the possibility of additionally deforming or structuring the underside in the same work step by means of the male mold design.
  • the geometry obtained in this way also makes it possible, as a particular advantage, to optimize the magnetic flux of the stator.
  • a larger surface can be generated by structuring the underside, which, for example, when the stator is glued to an underground, causes the adhesive connection to be more rigid.
  • the flat stator has a planar tooth structure in the X-axis and additionally in a Y-axis, which is formed by stator teeth and stator tooth gaps.
  • the basic pattern which is generated by the distribution of stator teeth and stator tooth gaps, is symmetrical and repeatable both in the X-axis and in the Y-axis.
  • the active translational rotor can be moved linearly to the X-axis and the Y-axis in the stator plane.
  • the translation motor is designed as a planar motor. There are two linear degrees of freedom of the rotor movement, so that the rotor can assume any position in the area above the stator.
  • the stamped, flat stator material is formed by roll stamping 3 by means of a pair of rollers. The advantage of roll embossing lies in the possibility of implementing a continuous embossing process.
  • the pair of rollers has a die roller which forms the die side and a male die roller which forms the male side.
  • the die roller is arranged over the top of the flat stator material and has depressions which receive the flat stator material through the flow of material as a result of the embossing.
  • the male roller is assigned to the underside of the flat stator material and has elevations which displace the flat stator material at this point and press it into the depressions of the female roller.
  • the method for producing a stator of a translation motor by means of an embossing tool has a die and a male die.
  • the method for manufacturing a stator has the following method steps: a) Providing a flat ductile stator starting material b) Generating the tooth structure by means of stamping the stator starting material and obtaining the stamped flat stator material, the tooth structure being produced by means of the die on the upper side
  • the flat stator starting material is preferably a metal sheet, which is either cut into sections or wound on a supply roll.
  • the Metal is preferably an iron-containing alloy, for example steel, which has an appropriate ductility for the stamping process.
  • the inlay i the embossing machine which has the die and male die and is used for embossing, is also understood as providing.
  • the flat stator starting material When it is placed in the embossing machine, the flat stator starting material is placed between the die and the male die.
  • the upper side points to the female part and the lower side to the male part.
  • the embossing machine carries out embossing deformation of the stator starting material and produces the embossed flat stator material.
  • the tooth structure is created by means of the indentations in the matrix on the upper side.
  • the pressing force acts as a counterforce on the underside of the flat stator starting material.
  • recesses are introduced by means of the cartridge. Reference is also made to the description of the flat stator of the translation motor, which applies here in the same way.
  • the stamping deforming of the stator starting material is carried out by means of press stamping.
  • Press embossing is a very cost-effective process, which is used particularly advantageously in the production of large quantities.
  • the stator starting material is inserted into an embossing tool, which consists of a die and a male die.
  • the die has depressions and the patrix has elevations which are brought together when the tool is closed. With its elevations, the male part presses part of the stator starting material into the recesses of the female part, as a result of which the stator teeth are formed at this point.
  • the indentations that are pressed in by de rize are on the underside.
  • the stamping of the stator starting material takes place by roll stamping by means of a pair of rolls.
  • the pair of rollers has a die roller and a male roller, the tooth structure being produced by the die roller.
  • the die roller has depressions into which the flat stator starting material is pressed by the elevations of the male roller.
  • the non-concave structured surface parts of the die create the stator tooth gaps.
  • the size of the stator tooth gaps can be adjusted by the circumferential spacing of the depressions in the die roll.
  • ⁇ Roller embossing is particularly advantageous for continuous processing, especially as continuous production from the roll.
  • a process step c) takes place after process step b), wherein in process step c) the stator teeth of the stamped, flat stator material are flattened by pressing on a stator tooth top.
  • stator teeth can have process-related unevenness on their upper side, which could adversely affect the precision of the translation motor.
  • the upper side of the stator teeth is understood to be the section of the surface contour of the stator teeth which faces the translative rotor. This is referred to below as the stator tooth top.
  • the upper side of the stator tooth is firstly designed to be planar in itself. Second, the stator tooth tops of all stator teeth are preferably in the same plane.
  • Such reworking of the stator teeth is advantageously carried out according to this development in a simple manner by renewed pressing or rolling with a flat pressing tool in order to level the surface of the stator teeth.
  • the embossed, flat stator material is passed between two rollers, with at least the roller facing the top of the tooth of the stator having a smooth, non-structured surface.
  • the two rollers have a fixed distance between them, which is determined by the desired arrangement and shape of the upper side of the stator tooth.
  • Process steps b) and c) then preferably take place in one operation. This means that the embossing rollers and the smoothing rollers are arranged one after the other and the stator starting material first passes through the embossing rollers and subsequently, as the embossed stator material obtained in this way, the smoothing rollers.
  • leveling or additional leveling can be carried out by surface grinding or similar machining processes.
  • Fig. 2 translation motor top view
  • FIG. 4 production of the flat stator by means of an embossing tool
  • FIG. 5 production of the flat stator by means of a double roller
  • FIG. 6 post-processing of the tooth structure explained in more detail.
  • a finished planar stator 2 is shown in a plan view.
  • the flat stator 2 is composed of four pieces of the stamped stator material 18, which are arranged side by side in the stator plane 3 is.
  • the stamped stator material 18 has a tooth structure 8 which is formed from the stator teeth 9 and the stator tooth gaps 10.
  • the tooth structure 8 has round stator teeth 9 which are arranged in staggered rows along the X axis.
  • the translation motor is shown in a plan view.
  • the translation motor is designed here as a planar motor.
  • the translatory rotor 1 can move in the X and Y axes over the stator plane 3, which in this embodiment is limited by a simple frame structure 3a.
  • the active translational rotor has two guide elements 1 a, which enable the non-contact movement of the active translational rotor 1 over the flat stator 2.
  • the two guide elements 1a are arranged at right angles to one another and are along the frame structure 3a.
  • the flat stator 2 is designed analogously to the embodiment shown in FIG. 1.
  • Fig. 3 different versions of the embossed sheet-like stator material 18 are shown. These are subordinate to the shape and arrangement of the stator teeth 9. So in a) is already in i-ig. 1 described arrangement of the round stator teeth 9 in staggered rows shown again. Furthermore, the execution of round stator teeth 9 in non-offset rows b), square stator teeth in non-offset rows c) and rectangles in offset rows d) are shown.
  • the tooth structure 8 is formed in all exemplary embodiments by the stator teeth 9 and stator tooth gaps 10.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the method for positioning the flat stator 2 by means of an embossing tool 14 in a side view.
  • the embossing tool consists of a die 15 and a male mold 16. The depressions of the female mold 15 and the elevations of the male mold 16 interlock in the closed state of the embossing tool 14.
  • the flat stator starting material 17 is inserted into the opened embossing tool in such a way that the upper side 4 faces the die 15 and the lower face 5 faces the male mold 16.
  • the top 4 is formed by the die side 6 and the bottom 5 by the male side 7.
  • the flat stator starting material 17 is provided discontinuously in this embodiment as a blank of sheet steel.
  • step b) the embossing tool 14 is closed and the flat stator starting material 17 is pressed into the embossed flat stator material 18.
  • the stator tooth 9 of the tooth structure 8 is embossed into the recesses of the die 15.
  • the stator tooth gap 10 lies in the non-recessed section of the die 15. The tooth structure 8 is thereby produced.
  • the top side 4 in the area of the stator teeth 9 forms the top side 19 of the stator teeth.
  • Fig. 5 the production of the flat stator 2 by means of a pair of rollers 11 is shown in side view.
  • the pair of rollers 11 is formed by the die roller 12 and the male roller 13.
  • the die roller 12 has depressions and the male roller 13 has elevations.
  • the pair of rollers 11 is arranged in such a way that the depressions of the die roller 12 and the elevations of the male roller 13 interlock, the distance between the depressions corresponding to the desired stator tooth gap size and distributed over the roller circumference is.
  • the die roller 12 and the male roller 13 rotate in opposite directions, as a result of which the flat stator starting material 17 is transported further.
  • the flat stator starting material 17 is placed in the rolling device.
  • the flat stator starting material 17 is fed to the pair of rollers 11 as an endless material, for example from a roll.
  • FIG. 8 A post-processing of the tooth structure 8 is shown in FIG.
  • the stator teeth 9 are reworked.
  • unevenness on the stator tooth surface 19 is eliminated by smoothing using a smoothing tool 20.
  • the smoothing tool is formed by two rollers arranged at a fixed distance. The stamped, flat stator material 18 is guided in the direction of the arrow on the right through the smoothing rollers, which smooth any unevenness, for example rounded areas, and produce a flat top 19 of the stator teeth.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Translationsmotor, aufweisend einen aktiven translatorischen Läufer (1) und einen ebenen Stator (2), wobei der aktive translatorische Läufer (1) linear zu einer X-Achse in einer Statorebene (3) beweglich ist, wobei der ebene Stator (2) eine Oberseite (4) und eine Unterseite (5) aufweist, wobei die Oberseite (4) eine zu der X-Achse linear angeordnete Zahnstruktur (8) aufweist, welche durch Statorzähne (9) und Statorzahnlücken (10) ausgebildet ist, wobei der ebene Stator (2) aus einem prägeumgeformten flächigen Statormaterial ausgebildet ist, aufweisend eine Matrizenseite (6), welche eine erhabene Seite ist, und eine Patrizenseite (7), welche eine vertiefte Seite ist, wobei die Matrizenseite (6) Erhebungen aufweist, welche die Statorzähne (9) bilden, wobei die Matrizenseite (6) die Oberseite (4) und die Patrizenseite (7) die Unterseite (5) ausbildet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verfahren zur Herstellung eines Stator eines solchen Translationsmotors mittels Prägeumformung eines Statorausgangsmaterials zu einem prägegeformten Statormaterial

Description

Translationsmotor und Verfahren zur Herstellung eines Stators eines solchen T ranslationsmotors
Die Erfindung betrifft einen Translationsmotor und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators eines solchen Translationsmotors.
Aus dem Stand der Technik sind Linearmotoren und Planarmotoren als solche bekannt. Hierbei sind insbesondere Lösungen mit passiven Statoren bekannt. Ferner sind solche Statoren von Linear und Planarmotoren bekannt, bei denen die Zahnstruktur durch ein Ausfräsen der Zwischenräume gewonnen wird.
Für einen möglichst leistungsstarken und präzisen Motor wird nach dem Stand der Technik eine Zahnstruktur mit vorzugsweise geringen Abständen und exakter Geometrie zwischen den einzelnen Statorzähnen angestrebt. Ein Nachteil liegt darin, dass eine solche Fertigung einen hohen Aufwand und Materialeinsatz bedingt, wobei der Aufwand und die benötigte Präzision bei der Herstellung mit steigender Feinheit der Zahnstruktur zunehmen. Dies führt zu langen Fertigungs zeiten und neben einem hohen Materialeinsatz auch zu hohen Werkzeugkosten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Translationsmotor aufzuzeigen, der kosten günstig herstellbar ist und für einen großen räumlichen Arbeitsbereich ausgebildet werden kann. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein effizientes Verfahren zur Herstellung eines Stators hierfür aufzuzeigen, welches kostengünstig und verschleißarm ist sowie einen geringen Materialeinsatz sowie einen geringen Werk zeugverschleiß ermöglicht.
Die Aufgabe wird in Bezug auf den Translationsmotor durch die in Patentan spruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. In Bezug auf das Herstellungsverfahren wird die Aufgabe durch die in Patentanspruch 4 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bestätigungskopie Erfindungsgemäß weist der Translationsmotor einen aktiven translatorischen Läufer und einen ebenen Stator auf.
Als Translationsmotor im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird ein Elektromotor verstanden, bei dem sich ein Läufer relativ zu einem Stator in einer Ebene transla torisch bewegt. Der Translationsmotor wird damit als Oberbegriff für einen Linearmotor mit einer Antriebsbewegung in einem translatorischen Freiheitsgrad und für einen Planarmotor mit einer Antriebsbewegung in zwei translatorischen Freiheits graden verstanden.
Der aktive translatorische Läufer ist erfindungsgemäß zu einer X-Achse in einer Statorebene beweglich.
Der aktive translatorische Läufer, nachfolgend auch verkürzt als translatorischer Läufer bezeichnet, ist in an sich benannter Weise ausgebildet. Er weist Spulen zur Erzeugung eines beweglichen magnetischen Feldes auf und erzeugt durch Wechselwirkung mit dem Stator eine Antriebskraft, durch die sich der translato rische Läufer bewegt.
Der translatorische Läufer ist dabei zu einer X-Achse translatorisch beweglich. Der Translationsmotor liegt hier als Linearmotor vor. Die X-Achse verläuft hierbei parallel zur Statorebene. Die translatorische Bewegung des aktiven translatori schen Läufers wird entlang der X-Achse vorzugsweise mittels mindestens eines Führungselements, nachfolgend auch als Linearführung bezeichnet, geführt.
Der ebene Stator weist erfindungsgemäß eine Oberseite und eine Unterseite auf. Die Oberseite und die Unterseite können die gleiche Beschaffenheit aufweisen. Sie können sich auch optional beispielsweise in Güte, Beschichtung oder Behandlung unterscheiden. So ist es beispielsweise möglich, dass die Oberseite eine andere chemische Beschaffenheit als die Unterseite aufweist um auf diese Weise eine Haftung eines Füllmaterials zur optionalen Ausfüllung der Zahnlücken der Zahnstruktur zu unterstützen oder um umgekehrt einer Anhaftung von Schmutz entgegen zu wirken.
Die Oberseite weist erfindungsgemäß eine in der X-Achse linear angeordnete Zahnstruktur auf, welche durch Statorzähne und Statorzahnlücken ausgebildet ist.
Diese Zahnstruktur ist entlang der X-Achse des flächigen prägegeformten Stator materials angeordnet. Hierbei kann die geometrische Form der Statorzähne nahezu beliebig ausgebildet werden. Sie entspricht vorzugsweise aber einheitlichen ein fachen Formen wie Kreisen, Ovalen, Quadraten oder anderen Polygonen jeweils in regelmäßiger wiederholter Abfolge. Der Zwischenraum zwischen den einzelnen Statorzähnen wird als Zahnlücke bezeichnet, welche vorzugsweise ebenfalls in regelmäßig wiederholter Abfolge angeordnet sind. Die Statorzähne und die Statorzahnlücken bilden jeweils magnetische Polpaare aus.
Erfindungsgemäß ist der ebene Stator aus einem prägeumgeformten flächigen Statormaterial ausgebildet, wobei der Stator eine Matrizenseite und eine Patrizen- seite aufweist. Bei der Matrizenseite handelt es sich erfindungsgemäß dabei um die die erhabene Seite und bei der Patrizenseite um die vertiefte Seite des prägeumgeformten Statormaterials.
Die Matrizenseite wird bei der Prägeumformung durch die Matrize und die Patrizenseite durch die Patrize geformt. Die Matrize wird auch als Oberstempel und die Patrize als Unterstempel bezeichnet.
Der ebene Stator wird aus einem prägeumformbaren und flächigen Statormaterial mittels eines Prägeverfahrens hergestellt. Als Ausgangsmaterial werden weichmag netische Werkstoffe eingesetzt, welche sich aufgrund ihrer Duktilität durch eine Kaltumformung prägen lassen. Das Ausgangsmaterial liegt dabei als ein Blech vor, welches in Zuschnitten oder als endloses Rollenmaterial der Prägung unterzogen wird. Die aufgeprägten Strukturen bilden die Zahnstruktur mit Statorzähnen und Statorzahnlücken.
Das Verfahren umfasst eine Kaltumformung über ein Prägeverfahren. Das Präge verfahren kann hierbei als ein Pressprägungs- oder ein Walzprägungsverfahren ausgeführt werden.
Bei dem Pressprägungsverfahren handelt es sich um ein nicht kontinuierliches Verfahren, bei dem Zuschnitte des flächigen Statormaterials mittels Pressens zwischen der Matrize und der Patrize prägegeformt werden.
Bei der Pressprägung weist die Matrize Vertiefungen auf, welche das flächige Statormaterial in sich aufnimmt. Die Patrize weist Erhöhungen auf, welche das flächige Statormaterial in die Vertiefungen der Matrize pressen.
Das Walzprägungsverfahren ist kontinuierlich oder nicht kontiniuerlich durchführbar. Für eine kontinuierliche Verfahrensführung wird das flächige Statormaterial als Endlosrollenmaterial dem Verfahren zugeführt, im Verfahren prägeumgeformt und wieder aufgerollt. Die Prägeumformung erfolgt mittels einer Walzprägemaschine mittels entsprechend strukturierter Matrizen- und Patrizenwalzen. Ähnlich der Pressprägung weist die Matrizenwalze Vertiefungen auf, in welche das flächige Statormaterial von den Erhöhungen der Patrizenwalze eingepresst wird.
Im nicht kontinuierlichen Verfahren werden Zuschnitte des flächigen Statormaterials durch die Prägewalzen geführt und somit prägeumgeformt.
Die Oberseite wird erfindungsgemäß von der Matrizenseite ausgebildet, welche Erhebungen aufweist, welche wiederum die Statorzähne bilden.
Die Unterseite wird erfindungsgemäß durch die Patrizenseite ausgebildet.
In Press- und Walzprägevorrichtungen sind in der Regel die Matrizen über und die Patrizen unter dem flächigen Statormaterial angeordnet. So bildet nach dem Prägen die Matrizenseite die Oberseite aus, welche die erhabenen Statorzähne aufweist. Zugleich bildet die Patrizenseite die Unterseite. Die Oberseite bezeichnet unabhängig von der räumlichen Orientierung immer die Seite, die dem translativen Läufer zugewandt ist. Die auf dem ebenen Stator erzeugte prägegeformte Zahnstruktur kann verfahrens bedingt eine geringere Präzision als b ner subtraktiven Formgebung, beispiels weise durch Fräsen, aufweisen. Dies Kann zu einer geringeren Präzision der Bewegung des translativen Läufers führen.
Der deutliche Kostenvorteil bei der Fertigung von großflächigen ebenen Statoren ist dafür erheblich und kompensiert diese Nachteile bei vielen Anwendungen, in denen die erzielbare Präzision ausreichend ist.
Im Detail ergibt sich der Kostenvorteil durch die nahezu materialverlustfreie Ferti gung, welche der spanende Abtrag der Statorzahnlücken in bisher nach dem Stand der Technik üblichen Herstellungsverfahren gegenübersteht.
Der spanende Abtrag erzeugt vor allem bei der Herstellung von großflächigen Statoren neben dem abgetragenen Material auch einen hohen Verschleiß an den Spanwerkzeugen, welche mitunter mehrfach innerhalb einer Bearbeitung gewartet werden müssen. Als besonderer Vorteil entfällt bei dem erfindungsgemäßen Trans lationsmotor ein solcher Verschleiß an Spanwerkzeugen. Vielmehr können Prägewerkzeuge erheblich höhere Standzeiten erreichen.
Weiterhin ergibt sich insbesondere bei der Herstellung (insbesondere bei einer kontinuierlich geführten Walzprägung) von besonders langen oder großflächigen Statoren eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber dem spanenden Verfahren.
Entgegen den subtraktiven Verfahren wird das flächige Statormaterial durch die Prägeumformung stabiler, da die eingeprägten Strukturen und die durch die Kaltumformung hervorgerufene Versteifung des Materials zu einer erhöhten Knickstabilität führen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass in einfacher Weise eine freie Wahl der Form der Zahnstruktur möglich ist, während nach dem Stand der Technik bei einem Aus- fräsen lediglich Statorzähne mit geradlinigen Begrenzungen ohne erheblichen Aufwand gefertigt werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Mögiicnkeit, durch die Patrizenausgestaltung die Unterseite im gleichen Arbeitsschritt zusätzlich zu verformen oder zu strukturieren.
Durch die Formung der Unterseite ist es durch eine so gewonnene Geometrie als besonderer Vorteil zudem möglich, eine Optimierung des magnetischen Flusses des Stators zu erreichen.
Ferner ist durch eine Strukturierung der Unterseite eine größere Oberfläche gene rierbar, welche zum Beispiel bei einem Verkleben des Stators mit einem Unter grund eine höhere Festigkeit der Klebeverbindung bewirkt.
Zudem wurde überraschend gefunden, dass die durch das Fließen des Stator materials bei der Prägeumformung bewirkte Gefügeänderung sich vorteilhaft auf die Ausbildung des von dem aktiven Läufer erzeugten und durch die Polpaare des Stators führenden magnetischen Flusses auswirkt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der ebene Stator in der X-Achse und zusätzlich in einer Y-Achse eine planar angeordnete Zahnstruktur auf, welche durch Statorzähne und Statorzahnlücken ausgebildet ist.
Hierzu ist das Grundmuster, welches durch die Verteilung von Statorzähnen und Statorzahnlücken erzeugt wird, sowohl in der X-Achse als auch in der Y- Achse symmetrisch und wiederholbar.
Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung ist der aktive translatorische Läufer linear zu der X-Achse und der Y-Achse in der Statorebene beweglich.
Gemäß dieser Weiterbildung ist der Translationsmotor als ein Planarmotor ausge bildet. Es liegen zwei lineare Freiheitsgrade der Läuferbewegung vor, so dass der Läufer jede Position in der Fläche über dem Stator einnehmen kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das prägeumgeformte flächige Statormaterial durch Walzprä 3 mittels eines Walzenpaares ausgebildet. Der Vorteil einer Walzprägung besteht insbesondere in der Möglichkeit, ein kontinu ierliches Prägeverfahren zu realisieren.
Das Walzenpaar weist gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung eine Matrizen walze, welche die Matrizenseite formt, und einer Patrizenwalze, welche die Patrizenseite formt, auf.
Die Matrizenwalze ist über der Oberseite des flächigen Statormaterials angeordnet und weist Vertiefungen auf, welche das flächige Statormaterial durch Materialfluss infolge der Prägung aufnehmen.
Die Patrizenwalze ist der Unterseite des flächigen Statormaterials zugeordnet und weist Erhöhungen auf, welche das flächige Statormaterial an dieser Stelle verdrängen und in die Vertiefungen der Matrizenwalze pressen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Stators eines Translationsmotors mittels Prägewerkzeug weist erfindungsgemäß eine Matrize und eine Patrize auf.
Das Verfahren zur Herstellung eines Stators weist erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte auf: a) Bereitstellen eines flächigen duktilen Statorausgangsmaterials b) Erzeugen der Zahnstruktur mittels Prägeumformen des Statorausgangs materials und Erhalten des prägeumgeformten flächigen Statormaterials, wobei die Zahnstuktur mittels der Matrize an der Oberseite erzeugt wird
Im Folgenden werden die Verfahrensschritte näher beschrieben: a) Bereitstellen eines flächigen duktilen Statorausgangsmaterials
Das flächige Statorausgangsmaterial ist vorzugsweise ein Metallblech, welches entweder in Teilstücke geschnitten oder auf einer Vorratsrolle gewickelt ist. Das Metall ist vorzugsweise eine eisenhaltige Legierung, beispielsweise Stahl, welches eine entsprechende Duktilität für den Prägeprozess aufweist.
Als Bereitstellen wird auch das Einleg i die Prägemaschine verstanden, welche die Matrize und Patrize aufweist und zur Prägeumformung genutzt wird.
Beim Einlegen in die Prägemaschine wird das flächige Statorausgangsmaterial zwischen Matrize und Patrize gelegt. Dabei zeigt die Oberseite zur Matrize und die Unterseite zur Patrize. b) Erzeugen der Zahnstruktur mittels Prägeumformen des Statorausgangsmaterials und Erhalten des prägeumgeformten flächigen Statormaterials, wobei die Zahnstruktur mittels der Matrize an der Oberseite erzeugt wird
In diesen Verfahrensschritt führt die Prägemaschine eine Prägeumformung des Statorausgangsmaterials durch und erzeugt das prägegeformte flächige Stator material.
Dabei wird die Zahnstruktur mittels der Vertiefungen in der Matrize an der Oberseite erzeugt. Zugleich wirkt die pressende Kraft als Gegenkraft auf die Unterseite des flächigen Statorausgangsmaterials. Dort werden mittels der Patritze Vertie fungen eingebracht. Es wird ferner auf die Beschreibungsinhalte zu dem ebenen Stator des Translationsmotors Bezug genommen, welche hier in gleicher Weise gelten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird im Verfahrensschritt b) das Präge umformen des Statorausgangsmaterials mittels Pressprägung durchgeführt.
Die Pressprägung ist ein sehr kostengünstiges Verfahren, welches besonders vorteilhaft bei der Herstellung hoher Stückzahlen eingesetzt wird.
Das Statorausgangsmaterial wird hierbei in ein Prägewerkzeug eingelegt, welches aus einer Matrize und einer Patrize besteht. Die Matrize weist Vertiefungen und die Patrize Erhöhungen auf, welche beim Schließen des Werkzeugs aufeinanderzuge- führt werden. Die Patrize drückt mit seinen Erhebungen einen Teil des Statorausgangsmaterials in die Vertiefungen der Matrize, wodurch an dieser Stelle die Statorzähne geformt werden. Die Vertiefungen, die von de rize eingedrückt werden, befinden sich auf der Unterseite.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt im Verfahrensschritt b) das Prägeumformen des Statorausgangsmaterials durch Walzprägung mittels eines Walzenpaares. 0 Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung weist das Walzenpaar eine Matrizen walze und eine Patrizenwalze auf, wobei die Zahnstruktur durch die Matrizenwalze erzeugt wird. Hierzu weist die Matrizenwalze Vertiefungen auf, in welche das flächige Statorausgangsmaterial von den Erhöhungen der Patrizenwalze gepresst wird. Durch die Festlegung der Geometrie der Vertiefungen wird die Form und die5 Größe der Statorzähne bestimmt. Die nicht konkav strukturierten Oberflächenteile der Matrize erzeugen die Statorzahnlücken. Somit kann die Größe der Statorzahnlücken durch den auf den Umfang bezogenen Abstand der Vertiefungen in der Matrizenwalze eingestellt werden. Ό Das Walzenprägen ist besonders vorteilhaft bei einer kontinuierlichen Bearbeitung, insbesondere als Endlosfertigung von der Rolle.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung erfolgt nach Verfahrensschritt b) ein Ver fahrensschritt c), wobei im Verfahrensschritt c) ein Ebnen der Statorzähne des5 prägeumgeformten flächigen Statormaterials durch Pressen an einer Statorzahnoberseite erfolgt.
Nach der Prägeumformung können die Statorzähne an ihrer Oberseite prozessbedingte Unebenheiten aufweisen, welche die Präzision des Translationsmotors0 nachteilig beeinflussen könnten. Als Oberseite der Statorzähne wird der Abschnitt der Oberflächenkontur der Statorzähne verstanden, der dem translativen Läufer zugewandt ist. Diese wird nachfolgend als Statorzahnoberseite bezeichnet. Vorzugsweise ist die Statorzahnoberseite zum Ersten in sich planeben ausgebildet. Zum Zweiten befinden sich die Statorzahnoberseiten aller Statorzähne vorzugs weise in der gleichen Planebene.
Durch eine Nachbearbeitung der Oberseite der Statorzähne können diese exakter geebnet und die Präzision des Translationsmotors nochmals verbessert werden.
Eine solche Nachbearbeitung der Statorzähne erfolgt gemäß dieser Weiterbildung vorteilhaft in einfacher Weise durch ein erneutes Pressen oder Walzen mit einem ebenen Presswerkzeug, um die Oberfläche der Statorzähne zu ebnen.
Bei diesem erneuten Pressen wird eine glatte Oberfläche auf die Statorzahnober fläche aufgepresst. Insofern erfolgt ein Formen mittels einer unstrukturierten ebenen Matrize. Dies kann durch Pressen oder durch Walzen erfolgen.
Bei der Nachbearbeitung durch Walzen wird das prägegeformte flächige Stator material zwischen zwei Walzen hindurchgeführt, wobei zumindest die der Stator zahnoberseite zugwandte Walze eine glatte, nichtstrukturierte Oberfläche aufweist. Die beiden Walzen weisen hierbei einen festen Abstand auf, der durch die gewünschte Anordnung und Formung der Statorzahnoberseite bestimmt wird. Vorzugsweise erfolgen die Verfahrensschritte b) und c) dann in einem Arbeitsgang. Dies bedeutet, dass die Prägewalzen und die Glättwalzen nacheinander angeordnet sind und das Statorausgangsmaterial zuerst die Prägewalzen und nachfolgend als so erhaltenes prägegeformtes Statormaterial die Glättwalzen durchläuft.
In einer weiteren Weiterbildung kann alternativ oder kumulativ eine Ebnung oder zusätzliche Ebnung durch Planschleifen oder ähnliche spanende Verfahren erfolgen.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
Fig. 1 ebener Stator (Draufsicht) Fig. 2 Translationsmotor (Draufsicht)
Fig. 3 prägegeformtes flächiges Statormaterial in verschiedenen Ausführungen Fig. 4 Herstellung des ebenen Stators mittels eines Prägewerkzeugs Fig. 5 Herstellung des ebenen Stators mittels einer Doppelwalze Fig. 6 Nachbearbeitung der Zahnstruktur näher erläutert.
In Fig. 1 ist ein fertiger ebener Stator 2 in einer Draufsicht dargestellt. In dieser Dar stellung ist der ebene Stator 2 aus vier Stücken des prägeumgeformten Statormaterials 18 zusammengesetzt, welche nebeneinander in der Statorebene 3 ange ordnet sind.
Das prägeumgeformte Statormaterial 18 weist eine Zahnstruktur 8 auf, welche aus den Statorzähnen 9 und den Statorzahnlücken 10 gebildet wird.
Die Zahnstruktur 8 weist in dieser Ausführung runde Statorzähne 9 auf, welche in versetzten Reihen entlang der X- Achse angeordnet sind.
In Fig. 2 ist der Translationsmotor in einer Draufsicht dargestellt. Der Translations motor ist hier als Planarmotor ausgeführt. Bei dem Planarmotor kann sich der translatorische Läufer 1 in X- und Y-Achse über die Statorebene 3 bewegen, welche in dieser Ausführung durch eine einfache Rahmenkonstruktion 3a begrenzt wird. Der aktive translatorische Läufer weist zwei Führungselemente 1a auf, welche die berührungskontaktlose Bewegung des aktiven-translatorischen Läufers 1 über dem ebenen Stator 2 ermöglichen. Die beiden Führungselemente 1a sind in einem rechten Winkel zueinander angeordnet und sind entlang der Rahmenkonstruktion 3a.
Der ebene Stator 2 ist analog zur in Fig. 1 gezeigten Ausführung ausgebildet. In Fig. 3 werden verschiedene Ausführungen des prägegeformten flächigen Statormaterials 18 aufgezeigt. Diese unters len sich in Form und Anordnung der Statorzähne 9. So ist in a) die bereits in i-ig. 1 beschriebene Anordnung der runden Statorzähne 9 in versetzen Reihen noch einmal dargestellt. Weiterhin sind die Ausführung runder Statorzähne 9 in nicht versetzten Reihen b), quadratischer Statorzähn in nicht versetzen Reihen c) und Rechtecke in versetzten Reihen d) dargestellt.
Die Zahnstruktur 8 wird in allen Ausführungsbeispielen durch die Statorzähne 9 und Statorzahnlücken 10 gebildet.
Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Fierstellung des ebenen Stators 2 mittels eines Prägewerkzeugs 14 in einer Seitenansicht dargestellt. Das Prägewerkzeug besteht aus einer Matrize 15 und einer Patrize 16. Die Vertiefungen der Matrize 15 und die Erhebungen der Patrize 16 greifen im geschlossenen Zustand des Prägewerkzeugs 14 ineinander.
Im ersten Verfahrensschritt a) wird das flächige Statorausgangsmaterial 17 in das geöffnete Prägewerkzeug so eingelegt, dass die Oberseite 4 zu der Matrize 15 und die Unterseite 5 zur Patrize 16 zeigt. Somit wird die Oberseite 4 durch die Matrizen seite 6 und die Unterseite 5 durch die Patrizenseite 7 ausgebildet. Das flächige Statorausgangmaterial 17 wird in dieser Ausführung als ein Zuschnitt eines Stahl bleches diskontinuierlich bereitgestellt.
Im zweiten Verfahrensschritt b) wird das Prägewerkzeug 14 geschlossen und das flächige Statorausgangsmaterial 17 zum prägegeformten flächigen Statormaterial 18 gepresst.
Der Statorzahn 9 der Zahnstruktur 8 wird in die Vertiefungen der Matrize 15 einge prägt. Die Statorzahnlücke 10 liegt in dem nichtvertieften Abschnitt der Matrize 15. Hierdurch wird die Zahnstruktur 8 erzeugt.
Die Oberseite 4 im Bereich der Statorzähne 9 bildet die Statorzahnoberseite 19 aus. In Fig. 5 wird die Herstellung des ebenen Stators 2 mittels eines Walzenpaares 11 in Seitenansicht dargestellt. Das Walzenpaar 11 wird durch die Matrizenwalze 12 und die Patrizenwalze 13 gebildet. Di' itrizenwalze 12 weist Vertiefungen und die Patrizenwalze 13 Erhöhungen aut. Das Walzenpaar 11 ist so angeordnet, dass die Vertiefungen der Matrizenwalze 12 und die Erhöhungen der Patrizenwalze 13 ineinander greifen, wobei der Abstand der Vertiefungen der gewünschten Stator zahnlückengröße entspricht und auf den Walzenumfang verteilt ist. Die Matrizenwalze 12 und die Patrizenwalze 13 drehen sich in gegenläufiger Richtung, wodurch das flächige Statorausgangsmaterial 17 weiter transportiert wird. Im ersten Verfahrensschritt a) wird das flächige Statorausgangsmaterial 17 in die Walzvorrichtung eingelegt.
Erfasst das Walzenpaar 11 das flächige Statorausgangmaterial 17, wird dieses im Verfahrensschritt b) durch die Rotation der Walzen durch das Walzenpaar 11 gezo gen und dabei gleichzeitig geprägt. Hierbei entsteht hinter den Rollen das prägeum- geformte flächige Statorausgangsmaterial.
Das flächige Statorausgangsmaterial 17 wird in dieser Ausführung als Endlos material, beispielsweise von einer Rolle, dem Walzenpaar 11 zugeführt.
In Figur 6 wird eine Nachbearbeitung der Zahnstruktur 8 dargestellt. Um die Präzision des Translationsmotors zu erhöhen, erfolgt eine Nachbearbeitung der Statorzähne 9. So werden im Verfahrensschritt c) Unebenheiten auf der Stator zahnoberfläche 19 durch ein Glätten mittels eines Glättwerkzeugs 20 beseitigt. In dieser Ausführung ist das Glättwerkzeug durch zwei im festen Abstand angeordnete Walzen ausgebildet. Das prägeumgeformte flächige Statormaterial 18 wird in Pfeilrichtung rechts durch die Glättwalzen geführt, welche eventuelle Unebenheiten, beispielsweise Ausrundungen, glätten und eine ebene Statorzahnoberseite 19 erzeugen. Verwendete Bezugszeichen
1 translatorischer Läufer 1a Führungselemente
2 ebener Stator
3 Statorebene
3a Rahmenkonstruktion
4 Oberseite 5 Unterseite
6 Matrizenseite
7 Patrizenseite
8 Zahnstruktur
9 Statorzähne 10 Statorzahnlücken
11 Walzenpaar
12 Matrizenwalze
13 Patrizenwalze
14 Prägewerkzeug 15 Matrize
16 Patrize
17 Statorausgangsmaterial
18 prägegeformtes flächiges Statormaterial
19 Statorzahnoberseite 20 Glättwerkzeug

Claims

Patentansprüche
1. Translationsmotor, aufweisend einen aktiven translatorischen Läufer (1) und einen ebenen Stator (2), wobei der aktive translatorische Läufer (1) linear zu einer X-Achse in einer Statorebene (3) beweglich ist, wobei der ebene Stator (2) eine Oberseite (4) und eine Unterseite (5) auf weist, wobei die Oberseite (4) eine zu der X-Achse linear angeordnete Zahnstruktur (8) aufweist, welche durch Statorzähne (9) und Statorzahnlücken (10) ausge bildet ist, wobei der ebene Stator (2) aus einem prägeumgeformten flächigen Statormaterial ausgebildet ist, aufweisend eine Matrizenseite (6), welche eine erhabene Seite ist, und eine Patrizenseite (7), welche eine vertiefte Seite ist, wobei die Matrizenseite (6) Erhebungen aufweist, welche die Statorzähne (9) bilden, wobei die Matrizenseite (6) die Oberseite (4) und die Patrizenseite (7) die Unterseite (5) ausbildet.
2. Translationsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der ebene Stator (2) eine zu der X-Achse und zu einer Y-Achse planar angeordnete Zahnstruktur (8) aufweist, welche durch Statorzähne (9) und Statorzahnlücken (10) ausgebildet ist und wobei der aktive translatorische (1) Läufer linear zu der X-Achse und der Y-Achse in der Statorebene (3) be weglich ist.
3. Translationsmotor nach Ansprucn i oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das prägeumgeformte flächige Statormaterial als Walzprägung mittels eines Walzenpaares (11) ausgebildet ist, wobei das Walzenpaar (11) eine Matrizenwalze (12), welche die Matrizenseite formt, und einer Patrizenwalze (13), welche die Patrizenseite formt, aufweist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Stators eines Translationsmotors, mittels eines Prägewerkzeugs (14), welches eine Matrize (15) und eine Patrize (16) aufweist, wobei der Translationsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Bereitstellen eines flächigen duktilen Statorausgangsmaterials (17) b) Erzeugen der Zahnstruktur (8) mittels Prägeumformen des Statorausgangsmaterials (17) und Erhalten des prägeumgeformten flächigen Statormaterials (18), wobei die Zahnstuktur mittels der Matrize (15) an der Oberseite (4) erzeugt wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines Stators eines Translationsmotors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) das Prägeumformen des Statorausgangsmaterials (17) mittels Pressprägung durchgeführt wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines Stators eines Translationsmotors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) das Prägeumformen des Statorausgangsmaterials (17) durch Walzprägung mittels eines Walzenpaares (11) erfolgt, wobei das Walzenpaar (11) ein atrizenwalze (12) und eine Patrizenwalze (13) aufweist, wobei die ZahnstruKtur (8) durch die Matrizenwalze (12) erzeugt wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Stators eines Translationsmotors nach einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt b) ein Verfahrensschritt c) erfolgt, wobei im Verfahrensschritt c) ein Ebnen der Statorzähne (9) des prägeum- geformten flächigen Statormaterials (18) durch ein Pressen an einer Stator zahnoberseite (19) erfolgt.
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