WO1998018193A1

WO1998018193A1 - Linearantrieb in modulbauweise und verfahren zur herstellung einer aktiveinheit eines solchen linearantriebs

Info

Publication number: WO1998018193A1
Application number: PCT/DE1997/002435
Authority: WO
Inventors: Günter DREIFKE; Lars Dreifke; Nils Dreifke; Sören DREIFKE; Sixten Dreifke
Original assignee: Dreifke Guenter; Lars Dreifke; Nils Dreifke; Dreifke Soeren; Sixten Dreifke
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1998-04-30
Also published as: EP0903004A1; DE19643521A1; WO1998018194A1

Abstract

Beschrieben wird ein Linearantrieb in Modulbauweise mit einer Passiveinheit (2) mit magnetisierbaren oder magnetischen Bereichen (5); einer Führungseinheit (3); einer Ansteuereinheit, die einen elektrischen Speisestrom bereitstellt; und einer Aktiveinheit (4), bestehend aus wenigstens zwei gleichartigen Antriebsmodulen (10). Die Antriebsmodule sind in Durchbrüchen in einer Grundplatte (11), deren Öffnungsmaße geringfügig größer als die äußeren Abmaße der Antriebsmodule sind, eingesetzt. Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer Aktiveinheit eines derartigen Linearantriebs angegeben.

Description

Linearantrieb in Modulbauweise und Verfahren zur Herstellung einer Aktiveinheit eines solchen

Linearantriebs

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb in Modulbauweise mit einer Passiveinheit mit agnetisierbaren oder magnetischen Bereichen, einer Führungseinheit, einer Ansteuereinheit, die einen elektrischen Speisestrom bereitstellt, und einer Aktiveinheit.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Aktiveinheit eines derartigen Linearantriebs.

In letzter Zeit kommen insbesondere in der Feinmechanik und Gerätetechnik immer häufiger Linearantriebe zum Einsatz, deren wesentlicher Vorteil in der Integration mehrerer für Antriebe erforderlicher Funktionen in wenigen Baueinheiten besteht. Derartige Linearantriebe besitzen, so wie andere Motoren, die nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeiten, eine Aktiveinheit und eine Passiveinheit. Die Krafterzeugung wird durch das Zusammenwirken dieser beiden Einheiten erreicht, wobei sowohl die Aktiveinheit als auch die Passiveinheit das sich gegenüber der jeweils anderen Einheit bewegende Motorteil sein kann. Bei geeigneter konstruktiver Ge- staltung, wie sie häufig bei Linearantrieben anzutreffen ist, übernehmen die Krafterzeugungselemente gleichzeitig die Funktion der Führung der sich bewegenden Teile und stellen zudem das Gestellsystem für beliebige Anwendungen dar.

Ein derartiger Linearantrieb ist in der deutschen Offenle- gungsschrift DE 32 08 380 AI beschrieben. Hier handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstromlinearmotor, bei welchem in der Aktiveinheit Permanentmagneten und Elektromagneten zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetflusses kombi- niert sind, während die Passiveinheit aus einem mit Polzähnen versehenen Weicheisenstreifen besteht.

In der amerikanischen Patentschrift US 4 563 602 ist ein Linearmotor beschrieben, der unter anderem eine sehr einfach aufgebaute Passiveinheit angibt und sowohl als Einphasensynchronmaschine als auch als Mehrphasensynchronmaschine ausgestaltet sein kann. Ebenso ist aus diesem Dokument die Möglichkeit einer Luftlagerung zwischen Aktiv- und Passiveinheit vorbekannt.

Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, daß Linearmotoren nicht nur zur Erzeugung geradliniger Bewegungen in einer Richtung eingesetzt werden können. Beispielhaft wird hier die europäische Patentanmeldung EP 0 237 639 AI angeführt, die eine Verwendung des Direktantriebs in einem zylmderförmig aufgebauten Motor angibt. Damit lassen sich beispielsweise Bewegungen in Richtung der z-Achse realisieren.

In der Zeitschrift „Antriebstechnik" 33 (1994) Nr. 7, S. 68 ist bereits ein Prazisionsdirektantrieb des Anmelders beschrieben. Dort ist das Funktionsprinzip eines permanentmagneterregten Zweiphasen-Reluktanzschrittmotors in Hybridtechnik gezeigt. Der Inhalt dieses Dokuments wird bezuglich der Funktionsweise von Direktantrieben in die Offenbarung einbezogen, um Wiederholungen zu vermeiden.

In einer vorangegangenen Patentanmeldung des Anmelders, die veröffentlicht ist als DE 44 36 865 AI, wird ein modularer Planarläufer angegeben, der aus mehreren Modulbausteinen aufgebaut ist. Der Inhalt dieser Schrift wird ebenfalls m die Offenbarung einbezogen, soweit der Aufbau und die Funktionsweise der hier nicht naher beschriebenen Antriebsmodule betroffen ist. Der gezeigte Planarläufer ermöglicht zwar eine Bewegung in x- und in y-Richtung, jedoch sind nur relativ geringe Kräfte erzielbar, da der verwendete Stator eine kreuzweise Strukturierung besitzt, wodurch die aufbaubaren Magnetfelder zwangsläufig eine geringere Magnetflußdichte besitzen. Es hat sich gezeigt, daß die beschriebene Befestigung der Antriebsmodule in einer Trageplatte mit einem Epoxidharz insbesondere bei größeren Einheiten erhebliche Nachteile mit sich bringt, die aus der Steifigkeit des Klebers resultieren.

In einer Patentanmeldung des Anmelders vom 22.10.1996 mit dem Titel „Linearantrieb und Verfahren zur Herstellung einer Passiveinheit eines Linearantriebs, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" ist ein Direktantrieb mit einem besonders ausgestalteten Leichtbaustator beschrieben, wobei auf das Prinzip des Direktantriebs eingegangen wird. Soweit der Antrieb als solches betroffen ist, wird dieses Dokument in. die Offenbarung einbezogen, um detaillierte Ausführungen über den Aufbau eines Direktantriebs an dieser Stelle nicht wiederholen zu müssen.

Bekannte Linearantriebe können nur relativ geringe Antriebskräfte erzeugen. Sofern höhere Antriebskräfte erwünscht sind, muß die verwendete Aktiveinheit größer ausgelegt werden. Dies führt zu erhöhten Fertigungstoleranzen, was Fehler bei der Erstellung der erforderlichen feinen Strukturierungen in der Aktiveinheit zur Folge hat. Damit kann der Antrieb aber keine hochgenauen und gleichförmigen Bewegungen mehr ausführen. Mit wachsender Größe der Aktiveinheiten steigt somit auch das Risiko von Fehlern und Ausfällen. Die Kosten zur Herstellung leistungsstarker Linearantriebe sind immens hoch, da nur mit erhöhtem technologischen und maschinellen Aufwand größere Aktiveinheiten herstellbar sind. Bei Winkelanordnungen von mehreren Antriebsmodulen an einem Linearantrieb ist es oftmals konstruktionsbedingt nicht möglich, nach dem Zusammensetzen des Antriebs die einzelnen Antriebsmodule nachzuarbeiten oder die erforderliche Strukturierung erst nach diesem Zusammenbau einzuarbeiten. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Linearantrieb zur Verfügung zu stellen, der die genannten Nachteile vermeidet, die Erzeugung hoher Kräfte er ög- licht und dabei nicht die Gefahr erhöhter Fehlerhäufigkeit besitzt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft die Verfügbar- machung eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Linearantriebs, wobei die erforderlichen Produktionskosten niedrig gehalten werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch einen Linearantrieb gelöst, bei dem_, die Aktiveinheit aus wenigstens zwei gleichartigen Antriebs- modulen mit Elementen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses durch Einspeisung des Speisestroms, mit Eisenkernen zur Leitung eines Magnetflusses, die an ihrer der Passiveinheit zugewandten Seite strukturiert sind, und mit einem Einsetzbereich; und aus Durchbrüchen in einer Grundplatte, deren Anzahl der Zahl der Antriebsmodule entspricht, in welchen die Antriebsmodule mit ihren Einsetzbereichen unter Belassung eines umlaufenden Spalts eingefügt sind, wobei der Spalt wenigstens teilweise mit einer Klebemasse verfüllt ist, und deren Öffnungsmaße geringfügig größer als die äußeren Abmaße der Einsetzbereiche der Antriebsmodule sind, besteht.

Ein derart aufgebauter Linearantrieb bietet den Vorteil, daß eine Vielzahl von Aktiveinheiten zu einer einzigen Aktiveinheit zusammengesetzt werden können, ohne daß eine Nachbear- beitung der Strukturierung erforderlich wird. Es können somit beliebig große Aktiveinheiten aus einer Vielzahl gleichartiger Antriebsmodule zusammengesetzt werden, was technologische und Kostenvorteile mit sich bringt. Die Antriebsmodule lassen sich einzeln fertigen und einer präzisen Endbearbeitung unterziehen. Erst -danach werden sie in die Durchbrüche in der Grundplatte der Aktiveinheit eingeklebt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß ein Auflagerand an den Antriebsmodulen vorgesehen ist, der eine besonders einfache Montage ermöglicht. Der Auflagerand kann vollständig umlaufend an den Antriebsmodulen ausgebildet sein oder sich nur über, bestimmte Bereiche entlang der Kanten des Einsetzbereichs erstrecken.

Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Antriebsmodule als im wesentlichen allseitig ebene Quader ausgebildet sind, also keinen Auflagerand aufweisen. Dadurch wird es möglich, besonders flache Aktiveinheiten aufzubauen, wie sie insbesondere in der Mikromechanik erwünscht sind.

Beim Aufbau großer Aktiveinheiten ist es besonders zweckmäßig, wenn eine elastische Klebemasse zur Befestigung der Antriebsmodule in der Grundplatte verwendet wird. Diese Ausgestaltung gewährleistet auch nach der Befestigung der Antriebsmodule eine gewisse Beweglichkeit in der Grundplatte, wodurch einerseits auftretende Materialausdehnungen aufgrund von Temperaturveränderungen gut ausgeglichen werden können, andererseits sich die einzelnen Antriebsmodule gegenüber der Passiveinheit aufgrund der magnetischen Kräfte während des Betriebs selbsttätig ausrichten können, wodurch Unebenheiten an der Passiveinheit ausgeglichen werden können. Diese Ausführung wird vor allem in Verbindung mit einem als Führungseinheit verwendeten Luftlager eingesetzt.

Besonders zu bevorzugende Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, daß der die Klebemasse aufnehmende Spalt derart optimiert ist, daß einerseits die Federwirkung der Klebemasse in der Ebene der Bewegungsrichtung möglichst klein gehalten wird, um unerwünschte Schwingungen bei hohen Beschleunigungen zu vermeiden, andererseits aber die Federwirkung der Klebema- sse senkrecht zur Ebene der Bewegung möglichst groß ist, um Unebenheiten der Passiveinheit über den gesamten Bewegungsbereich ausgleichen zu können.

Eine Spaltbreite von ca. 0,5 mm in x- und y-Richtung, kombiniert mit einer Spaltbreite von ca. 1,0 mm zwischen Grund- platte und Auflagerand hat sich als sehr geeignet erwiesen. Bei diesen Abmaßen kommen zweckmäßigerweise Silikonkleber zum Einsatz, die eine hohe mechanische und thermische Langzeitstabilität aufweisen.

Für schwingungssensible Aufbauten eignet sich demgegenüber eine Ausführungsform, bei der eine Klebemasse mit möglichst hoher Steifigkeit eingesetzt wird, um die Federwirkung der Klebemasse gering zu halten. Diese Variante ist auch immer dann vorteilhaft, wenn die Aktiveinheit nicht nur dem Antrieb anderweitig geführter Teile dient, sondern selbst als Führung arbeitet und auch Drehmomente aufnehmen muß.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Linearantrieb vier Antriebsmodule. Die Durchbrüche sind auf der Grundplatte so aufgeteilt, daß jeweils zwei in Bewegungsrichtung hintereinander und zwei nebeneinander plaziert sind. Mit dem gezeigten Beispiel lassen sich Haltekräfte bis zu 440 N erzielen.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich durch die U-för- mige Gestaltung der Aktiveinheit aus, die eine Passiveinheit mit beispielsweise quadratischem Querschnitt an drei Seiten umgreift. Die Aktiveinheit besitzt dabei wenigstens drei Antriebsmodule. Die beiden an den gegenüberliegenden Schen- kein angeordneten Antriebsmodule müssen in diesem Fall notwendig elastisch eingeklebt sein, da es ansonsten zu einer Überbestimmung der Führung kommt und Verkantungen nicht auszuschließen wären.

Bei einer nochmals weitergebildeten Variante besitzt die Aktiveinheit einen rechteckigen bzw. quadratischen Quer- schnitt, wobei die Passiveinheit vollständig umschlossen ist. An jeder Seite der Aktiveinheit ist wenigstens ein Antriebsmodul plaziert. Eine elastische Klebung ist hier wegen der statischen Überbestimmtheit zweckmäßig.

Unter Abwandlung dieser Ausführungsformen ist ein Linearantriebssystem, das eine Bewegung in x- und y-Richtung ermöglicht, ausgebildet. An einer sich in x-Richtung erstreckenden Passiveinheit ist eine erste Aktiveinheit angeordnet, die ihrerseits eine sich in y-Richtung erstreckende Passiveinheit trägt, an der eine zweite Aktiveinheit angeordnet ist. Die beiden Aktiveinheiten sind so ausgebildet, daß wenigstens zwei Antriebsmodule senkrecht zueinander befestigt sind, die an senkrecht zueinander stehenden Seiten der zugeordneten Passiveinheit angreifen.

Eine andere Gestaltung zeichnet sich durch eine Aktiveinheit aus, die eine rechteckige Grundplatte besitzt, wobei an jeder Seite wenigstens eine Aktiveinheit angeordnet ist. Die zuge- hörige Passiveinheit besitzt eine Strukturierung, die im Unterschied zu bekannten Planarantrieben keine Kreuzstrukturierung sondern einzelne linear strukturierte Bereiche besitzt. Damit sind wesentlich höhere Antriebskräfte erzielbar, da die an der Passiveinheit zur Verfügung stehende Eisenmenge wesentlich höher ist als bei Kreuzstrukturierung. Es können bei geeigneter Ansteuerung der Aktiveinheit mit dieser Ausgestaltung auch Drehbewegungen bis zu einem Winkel von ca. 3° ausgeführt werden.

Durch die Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der Aktiveinheiten von derartigen Linearantrieben bereitgestellt, welches gekennzeichnet ist durch folgende Verfahrensschritte : a) die Antriebsmodule werden in die Durchbrüche in der Grundplatte lose eingesetzt, b) der Spalt zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wird zumindest teilweise mit einer Klebemasse aufgefüllt, c) die derart bestückte Aktiveinheit wird auf die Passiveinheit aufgesetzt, so daß sich die Strukturierungen von Aktiv- und Passiveinheit gleichsinnig ausgerichtet gegenüberliegen, d) mit Hilfe der Führungseinheit wird ein Abstand zwischen Aktiv- und Passiveinheit hergestellt, e) jedem Antriebsmodul der Aktiveinheit wird dieselbe Phase des Speisestroms zugeführt, so daß sich jedes Antriebsmodul selbsttätig gegenüber der Passiveinheit ausrichtet, f) durch Abwarten des Abbindens der Klebemasse werden die Antriebsmodule in dieser Stellung fixiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Linearantriebs, bei der als Führungseinheit ein Luftlager verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn im Verfahrensschritt d) das Luftlager durch Zufuhr von Druckluft aufgebaut wird, so daß sich die Antriebsmodule frei innerhalb der Durchbrüche bewegen können. Nach Verfahrensschritt e) kann die Luftzufuhr abgestellt werden, so daß das Luftlager zusammenfällt und die Aktiveinheit mit den ausgerichteten Antriebsmodulen auf der Passiveinheit unmittelbar aufliegt, wodurch eine höhere Stabilität gegen Lageveränderungen während der Abbindezeit der Klebemasse erzielt wird. Soweit keine äußeren Kräfte einwirken und das Schrumpfungsverhalten der Klebemasse vernachlässigbar ist, kann auch der Speisestrom während der Abbindezeit abgeschaltet werden. Bei anderen Ausführungsformen kommen z.B. -Rollenlager als Führungseinheit zum Einsatz.

Weitere Vorteile, Weiterbildungen und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 in einer geschnittenen Ansicht von vorn einen Bereich eines Linearantriebs mit einer Aktiveinheit und einer Passiveinheit; Fig. 2 in einer geschnittenen Seitenansicht ein Antriebsmodul der Aktiveinheit, gesehen entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 als geschnittene Einzelheitendarstellung einen Abschnitt eines Antriebsmoduls, der in eine Grund- platte eingesetzt ist;

Fig. 4 eine Ausführungsform des Antriebsmoduls mit einem umlaufenden Auflagerand;

Fig. 5 als Einzelheitendarstellung eine Ansicht von oben auf das in die Grundplatte eingeklebte Antriebsmodul mit Abschnitten von Klebemasse;

Fig. 6 eine Ausführungsform des Linearantriebs mit zwei hintereinander angeordneten Antriebsmodulen in einer Ansicht von oben;

Fig. 7 eine Vorderansicht des in Fig. 6 gezeigten Linear- antriebs;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des Linearantriebs mit vier Antriebsmodulen in einer Ansicht von oben;

Fig. 9 eine Vorderansicht des in Fig. 8 gezeigten Linearantriebs; Fig. 10 eine Ausführungsform des Linearantriebs mit einer Aktiveinheit mit U-förmigem Querschnitt in einer Ansicht von oben;

Fig. 11 eine Seitenansicht des in Fig. 10 gezeigten Linearantriebs; Fig. 12 eine Ausführungsform des Linearantriebs mit einer Aktiveinheit mit quadratischem Querschnitt in einer Ansicht von oben;

Fig. 13 eine geschnittene Seitenansicht des in Fig. 12 gezeigten Linearantriebs; Fig. 14 ein Linearantriebssystem mit einer sich in x-Richtung erstreckenden Passiveinheit und einer sich in y-Richtung erstreckenden Passiveinheit;

Fig. 15 eine Ansicht von vorn des in Fig. 14 gezeigten Linearantriebssystems;

Fig. 16 eine Seitenansicht des in den Fig.n 14 und 15 gezeigten Linearantriebssystems;

Fig. 17 eine Ausführungsform des Linearantriebs, welche über kurze Strecken in x- und y-Richtung verfahrbar ist; Fig. 18 eine seitliche Schnittansicht des in Fig. 17 gezeigten Linearantriebs.

Fig. 1 zeigt in einer geschnittenen Ansicht von vorn den prinzipiellen Aufbau eines Linearantriebs 1. Der Linearantrieb besteht aus einer Passiveinheit 2, einer Führungseinheit 3, einer hier nicht dargestellten Ansteuereinheit und einer Aktiveinheit 4. Aktiv- und Passiveinheit führen während des Betriebs eine Relativbewegung zueinander aus, wobei je nach Einsatzzweck entweder Aktiv- oder Passiveinheit gestellfest angeordnet sind. Dabei wird die Führung von der Führungseinheit 3 übernommen, die in allen gezeigten Beispielen als Luftlager ausgebildet ist, welches durch die Zufuhr von Druckluft aufgebaut wird. Die Passiveinheit 2 umfaßt magneti- sehe oder magnetisierbare Bereiche 5, die eine unten näher bezeichnete Struktur aufweisen. Beispielsweise eignen sich strukturierte Weicheisenbleche, die auf einem aus Verbundmaterial hergestellten Leichtbaugrundkörper aufgeklebt sind.

Die Aktiveinheit 4 besteht aus wenigstens zwei gleichartigen Antriebsmodulen 10 und einer Grundplatte 11. Die Grundplatte 11 weist Durchbrüche auf, in welche die einzelnen Antriebsmodule 10 eingesetzt sind. Der grundlegende Aufbau der Antriebsmodule ergibt sich unter Berücksichtigung von Fig. die eine seitliche Schnittansicht zeigt. Ergänzend wird auf die in der Einleitung genannten Dokumente verwiesen, in denen derartige Antriebsmodule detailliert beschrieben sind.

Das Antriebsmodul 10 umfaßt mit elektrischen Wicklungen 13 bestückte Eisenkerne 14 und Permanentmagnete 15, die in einem Gehäuse 16 untergebracht sind. Damit wird ein permanenter Magnetfluß in den Eisenkernen 14 erzeugt, der durch die Speisung der elektrischen Wicklungen 13 mit dem Speisestrom gezielt verändert werden kann, woraus im Ergebnis zwischen Aktiv- und Passiveinheit magnetische Antriebskräfte resultie- ren. Diese Kräfte wirken unmittelbar zwischen den strukturierten magnetisierbaren Bereichen der Passiveinheit und der gleichfalls strukturierten Unterseite der Antriebsmodule. Die Strukturierung wird durch quer zur Bewegungsrichtung verlaufende Polzähne und Polzahnlücken gebildet, wobei die Tei- lungsperiode p, die einen Polzahn und eine Polzahnlücke umfaßt, an Aktiv- und Passiveinheit gleich ist. Das Gehäuse 16 umfaßt einen Einsetzbereich- 17, der in den Durchbrüchen der Grundplatte aufgenommen wird. Bei den in den Fig.n 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist weiterhin am Gehäuse ein umlaufender Auflagerand 18 vorgesehen, der nach dem Einstecken des Antriebsmoduls in die Durchbrüche im wesentlichen an der Grundplatte zu liegen kommt. Damit läßt sich auf einfache Weise gewährleisten, daß die Grundplatte relativ nah an der strukturierten Unterseite der Antriebsmodule plaziert ist. Dies ist erforderlich, um die dort entstehenden Kräfte unmittelbar auf die Grundplatte zu übertragen, unter Vermeidung großer Kippmomente, die zu einer unerwünschten Lageveränderung der Antriebseinheiten in der Aktiveinheit während der Bewegung führen würden. Bei einer abgewandelten Ausführungsform fehlt der Auflagerand. Die Grundplatte kann in diesem Fall noch näher an der strukturierten Unterseite der Antriebsmodule angeordnet werden, wodurch die entstehenden Momente kleiner sind. Allerdings ist die Montage der Antriebsmodule etwas schwieriger. Die Einzelheitendarstellung von Fig. 3 zeigt einen Abschnitt eines in einen Durchbruch eingeführten Antriebsmoduls. Zwischen den mit Polzähnen und Polzahnlücken strukturierten magnetisierbaren Bereichen 5 der Passiveinheit 2 und dem an seiner Unterseite gleichfalls strukturierten Eisenkern 14 ist das Luftlager 3 ausgebildet. Der Einsetzbereich 17 des Antriebsmoduls erstreckt sich durch den Durchbruch in der Grundplatte 11. Zwischen dem Einsetzbereich 17 und der Wandung des Durchbruchs verbleibt ein senkrechter Spalt 20. Zwischen dem Auflagerand 18 und der Unterseite der Grundplatte 11 verbleibt ein waagerechter Spalt 21. Die beiden Spalte 20, 21 sind mit einer Klebemasse 23 ausgefüllt, die einerseits das Antriebsmodul in der Grundplatte befestigt und bei geeigneter Ausgestaltung auch als Federelement und/oder Gelenk zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wirkt.

Bedingt durch den sehr kleinen Abstand, der durch das Luftlager zwischen Aktiv- und Passiveinheit bei der Bewegung aufrechterhalten wird (ca. 10 um) können bereits kleinste Unebenheiten der Passiveinheit zu Funktionsstörungen führen, wenn großflächige Aktiveinheiten mit einer Vielzahl von Antriebsmodulen zum Einsatz kommen. Dies läßt sich vermeiden, wenn die Antriebsmodule elastisch in der Grundplatte befestigt werden, wodurch eine geringfügige Beweglichkeit in z- Richtung erhalten bleibt. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine elastische Klebemasse eingesetzt werden. Insbesondere wird angestrebt, daß das Antriebsmodul um einen kleinen Winkelbereich zur x- und zur y-Achse kippbar gelagert ist. Damit kann das Antriebsmodul aufgrund des Luftlagers eine exakt parallel zur Oberfläche der Passiveinheit liegende Stellung einnehmen, wodurch einerseits Berührungen während der Bewegung vermieden werden und andererseits die Stabilität des Luftlagers gewährleistet ist. Eine erhöhte Elastizität der Klebemasse führt aber auch zu einer Beweglichkeit der Antriebsmodule in x- und y-Richtung. Es hat sich gezeigt, daß bei vielen Anwendungen diese Beweg- lichkeit nicht erwünscht ist, da die Klebemasse wie eine Feder zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wirkt. Ein derartiges Federverhalten kann bei höheren Beschleunigungen Schwingungen hervorrufen, die ein schnelles und exaktes Posi- tionieren nicht möglich machen.

Eine optimale Befestigung des Antriebsmoduls wird erzielt, wenn durch geeignete Abstimmung zwischen der Breite des waagerechten Spalts 21 und des senkrechten Spalts 20 unter Berücksichtigung der zu verwendenden Klebemasse 23 ein bestimmtes Verhältnis eingestellt wird. Das Verhältnis soll so ausgewählt werden, daß die erzielte Steifigkeit der Anordnung in x-Richtung etwa sieben mal höher ist als die Steifigkeit in z-Richtung. Dies gelingt z.B. bei der Verwendung eines Silikonklebstoffs, wenn der senkrechte Spalt 20 eine Breite von etwa 0,5 mm und der waagerechte Spalt 21 eine Breite von etwa 1,0 mm besitzen. Die Wandungshöhe im Durch- bruchbereich der Grundplatte soll in dieser Gestaltung etwa 3 mm betragen. Die verbleibenden Klebemassen wirken aufgrund ihrer Elastizi- tat nicht nur federnd, sondern auch dämpfend. Dies kann vorteilhaft zur Dämpfung insbesondere von Resonanzfrequenzen verwendet werden.

Die Spaltbreite des waagerechten Spalts 21 sollte nicht zu groß gewählt werden, da sonst während der Bewegung Schwingun- gen im hörbaren Bereich entstehen können, die zu einem erhöhten Geräuschpegel führen.

Die Gesamtdicke der Grundplatte kann, wie im gezeigten Beispiel, größer sein. In diesem Fall wird die Grundplatte im Bereich des Durchbruchs entsprechend ausgearbeitet, so daß die gewünschte Wandungshöhe erlangt wird.

Um mehrere Antriebsmodule in der Grundplatte exakt auszurichten, eignet sich ^"besonders folgendes Verfahren. Eine genaue Ausrichtung ist erforderlich, damit alle Antriebsmodule gegenüber der Strukturierung der Passiveinheit identische Positionen einnehmen, d.h. daß gleichartige Polzähne der Antriebsmodule immer die gleiche Position gegenüber den Polzähnen der Passiveinheit haben. Andernfalls käme es zu erheblichen Funktionsstörungen am Linearantrieb.

In einem ersten Verfahrensschritt werden die Antriebsmodule in die Durchbrüche in der Grundplatte lose eingesetzt. Der Spalt zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wird zumindest teilweise mit einer Klebemasse aufgefüllt, die vor oder nach dem Einsetzen des Antriebsmoduls aufgetragen werden kann. Die derart bestückte Aktiveinheit wird auf die zugeordnete oder eine gleichartige Passiveinheit aufgesetzt, so daß sich die Strukturierungen von Aktiv- und Passiveinheit gleichsinnig ausgerichtet gegenüberliegen. Sofern die Führungseinheit durch ein Luftlager gebildet wird, wird dieses jetzt durch Zufuhr von Druckluft aufgebaut. Andernfalls wird durch ein beliebiges anderes Lager ein Abstand zwischen Aktiv- und Passiveinheit erzeugt, der eine freie Bewegung zwischen diesen beiden Einheiten ermöglicht. Im nachfolgenden Verfahrens- schritt wird jedem Antriebsmodul der Aktiveinheit dieselbe Phase des Speisestroms zugeführt, so daß sich jedes Antriebsmodul selbsttätig gegenüber der Passiveinheit ausrichtet. Besitzt ein Antriebsmodul mehrere elektrische Wicklungen, wie z.B. bei mehrphasigen Linearantrieben, so ist es ausreichend, wenn diejenigen Wicklungen mit dem Speisestrom versorgt werden, die zu einer gemeinsamen Phase zugeordnet sind. Im Fall der Verwendung eines Luftlagers kann dieses nach der Ausrichtung der Antriebsmodule abgeschaltet werden. Damit liegen die Antriebseinheiten auf der Passiveinheit auf, wodurch eine höhere Stabilität erreicht wird. Soweit keine Veränderungen durch Ausdehnungen oder Einwirkung äußerer Kräfte zu befürchten sind, kann auch der Speisestrom abgeschaltet werden. Anschließend werden durch Abwarten des Abbindens der Klebemasse die Antriebsmodule in dieser Stellung fixiert. Es ist vorteilhaft, wenn zur Gewährleistung gleichmäßiger Spaltbreiten und damit gleichmäßiger Dicken der Klebemasse, Abstandshalter, z.B. dünne Drähte, an einzelnen Stellen in die Spalte 20, 21 eingelegt werden. Bei zu unterschiedlichen Spaltdicken können sich die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien störend bemerkbar machen.

Das Übermaß der Durchbrüche in der Grundplatte wird dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt. Für Anwendungen, bei denen eine besondere Steifigkeit in Fahrtrichtung erforderlich ist, kommt ein geringes Übermaß zum Einsatz. Die Anfor- derungen an die Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung der Grundplatte nehmen in dem Maße zu, wie das verbleibende Spiel zwischen Antriebsmodul und Durchbruchswandung abnimmt. In jedem Fall muß gewährleistet bleiben, daß die einzelnen Antriebsmodule mit der exakt gleichen Lage in Bezug auf die Teilungsperiode p in der Grundplatte befestigt werden können. Der Abstand zwischen identischen Antriebsmodulen in Bewegungsrichtung muß damit immer n»p betragen, wobei n eine positive ganze Zahl und p die Teilungsperiode sind.

In Fig. 4 ist in einer Ansicht von vorn ein Antriebsmodul 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist angrenzend an den Einsetzbereich 17 ein umlaufender Auflagerand 18 ausgebildet. Es sind aber auch Ausführungen denkbar, bei denen der Auflagerand nur abschnittsweise ausgebildet ist oder gänzlich fehlt. Sollen Antriebsmodule ohne Auflagerand in die Grundplatte eingesetzt werden, kann dies beispielsweise durch Anbringen von Klebemasse in Form einer Kehlnaht zwischen Antriebsmodul und Grundplatte geschehen. Dies kommt insbesondere bei Ausführungen in Betracht, bei denen eine Klebemasse verwendet wird, die nach dem Abbinden nur noch eine sehr geringe Elastizität besitzt, z.B. Epoxidharz. Derartige Verbindungen mit harten Klebstoffen führen zu minimalem Nach^¬ schwingverhalten und werden daher besonders bei Linearantrieben mit kleinerer Fläche, die aber für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind, eingesetzt. Werden harte Klebstoffe verwendet, ist das oben beschriebene Verhältnis zwischen senkrechtem Spalt 20 und waagerechtem Spalt 21 nicht von so erheblicher Bedeutung. Jedoch sollte darauf geachtet werden, die Spalte generell so klein wie mög- lieh zu halten, um die Auswirkungen der Ausdehnungskoeffizienten bei Temperaturschwankungen zu minimieren.

Fig. 5 zeigt als Einzelheitendarstellung eine Ansicht von oben auf das in die Grundplatte eingeklebte Antriebsmodul. Durch unterschiedliches Ausdehnungsverhalten kann es zu unerwünschten Spannungen im Gesamtaufbau kommen. Es hat sich daher eine Ausführungsform als besonders geeignet erwiesen, bei der die Klebemasse nur abschnittsweise in den Spalten 20, 21 eingebracht ist. Gemäß der Abbildung werden vorzugsweise die kurzen Seiten des Antriebsmoduls, die quer zur Bewegungsrichtung liegen, über die gesamte Länge mit Klebemasse 23 an der Grundplatte 11 befestigt. An den langen Seiten wird nur in den Endbereichen Klebemasse aufgebracht, wobei an jedem Ende etwa ein Viertel der Länge angeklebt wird.

Der in den Fig.n 6 und 7 gezeigte Linearantrieb besitzt zwei in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Antriebsmodule 10, deren aktive Elemente mit jeweils zwei Gehäusedeckeln 25 abgedeckt sind. Dieser Linearantrieb vollführt in x-Richtung eine Bewegung und ist durch ein Luftlager auf der Passiveinheit gelagert. Seine seitliche Führung erfährt der Linearantrieb durch ein Federblech 26. Das Federblech 26 weist in Bewegungsrichtung eine hohe Steifigkeit auf, gestattet aber in z-Richtung ein geringes Spiel, wodurch unvermeid- bare Divergenzen zwischen externer Führung und der Ebene der Passiveinheit ausgeglichen werden.

Es können bei derartigen Linearantrieben auch mehrere Antriebsmodule aneinandergereiht werden, womit sich höhere Antriebskräfte erzielen lassen. Bei dem in den Fig.n 8 und 9 gezeigten Linearantrieb sind zwei Reihen von Antriebsmodulen nebeneinander angeordnet, so daß in der Summe vier Antriebsmodule zum Einsatz kommen. Die zur Verfügung gestellte Antriebskraft verdoppelt sich gegen- über der Variante nach den Fig. 6 und 7, wenn gleiche Antriebsmodule verwendet werden. Im übrigen entspricht der Aufbau dem vorher beschriebenen Linearantrieb.

Fig.n 10 und 11 zeigen eine Ausführungsform des Linearan- triebs, bei welcher die Aktiveinheit 4 einen U-förmigen Querschnitt besitzt. Die Aktiveinheit 4 umgreift die Passiveinheit 2 mit quadratischem Querschnitt an drei Seiten und bedeckt diese im gezeigten Beispiel auf ihrer ganzen Breite. An jedem der drei Schenkel der Aktiveinheit ist ein Antriebs- modul 10 angeordnet. Bei abgewandelten Ausführungsformen können aber auch mehrere Antriebsmodule an einem Schenkel angeordnet sein. Alle Antriebsmodule sind über Luftlager 3 an der Passiveinheit angekoppelt. Diese Lagerung ist als Führung besonders geeignet, da Verkantungen der sich gegenüberliegen- den Schenkel vermieden werden.

Eine weitere Ausführungsform des Linearantriebs ist in den Fig.n 12 und 13 wiedergegeben. Die Aktiveinheit hat hier einen quadratischen Querschnitt. Derartige Ausgestaltungen lassen sich mit herkömmlichen Verfahren, die nicht von der Modulbauweise Gebrauch machen, nicht herstellen, da eine Nachbearbeitung der strukturierten, nach innen gewandten Flächen der Antriebsmodule nicht möglich ist. Die hier eingesetzten Antriebsmodule unterscheiden sich von den oben beschriebenen Varianten dahingehend, daß Auflagerand 18 nicht an dem der strukturierten Seite des Antriebsmoduls zugewandten Ende der Seitenflächen des Gehäuses sondern am gegenüber^¬ liegenden Ende angeordnet sind. Dies ist zweckmäßig zum Ein^¬ setzen der Antriebsmodule mit ihren Einsetzbereichen 17 von außen in die Grundplatte 11. Mit derart ausgebildeten Linearantrieben lassen sich z.B. Hubsysteme aufbauen.

In den Fig.n 14, 15 und 16 ist eine Linearantriebssystem gezeigt, welches aus zwei Linearantrieben zusammengesetzt ist. Das System umfaßt die erste sich in x-Richtung erstrek- kende Passiveinheit 2 mit der daran angeordneten ersten Aktiveinheit 4. An der ersten Aktiveinheit 4 ist über ein Gestellsystem 30 eine zweite sich in y-Richtung erstreckende Passiveinheit 31 befestigt, an der eine zweite Aktiveinheit 32 angeordnet ist. Die zweite Passiveinheit 31 ist an ihrem der ersten Aktiveinheit abgewandten Ende zusätzlich auf einer zweiten Führungseinheit 33 geführt, welche z.B. als Rollenschiene oder als Luftlager ausgebildet sein kann. Die erste Aktiveinheit 4 greift an zwei Seiten der ersten Passiveinheit 2 an dieser an. Dazu sind auf der oberen Seite zwei Antriebsmodule 10 vorgesehen. Senkrecht zu diesen sind an der vorderen Längsseite vier weitere Antriebsmodule 10 in der ersten Aktiveinheit aufgenommen. Insbesondere die äußeren dieser vier Module dürfen nicht mit Klebemassen mit hoher Elastizität in der zugehörigen Grundplatte befestigt werden, da ansonsten die durch die zweite Passiveinheit vermittelten Kippmomente zu erheblichen Lageveränderungen der Module führen könnten, was in einer gestörten Funktionsweise resultie- ren würde.

Eine weiterhin abgewandelte Ausführungsform des Linearantriebs ist in den Fig.n 17 und 18 gezeigt. Diese Bauform ermöglicht über kurze Strecken Bewegungen in x- und in y- Richtung, wobei auf der Passiveinheit 2 keine Kreuzstrukturierung aufgebracht ist. Dadurch sind höhere Antriebskräfte erzielbar als bei Lösungen, die eine Kreuzstrukturierung aufweisen. Bei geeigneter Ansteuerung der vier auf der Grundplatte 11 angeordneten Antriebsmodule 10, das heißt die jeweils gegenüberliegenden Module werden im entgegengesetzten Richtungs- sinn bewegt, kann die Aktiveinheit auch um einen Winkel φ_Z/ der bis zu ±3 ° betragen kann, verdreht werden .

Durch den modularen Aufbau ist es auch möglich, daß in einer Aktiveinheit unterschiedliche Aniiriebsmodule eingesetzt werden, von denen wenigstens ein Modul mit Sensoren ausgerüstet ist, wie dies in der o . g. Patentanmeldung des Anmelders ausführlich beschrieben ist .

Somit lassen sich unter Verwendung von Modulen gesteuerte und geregelte Antriebe aufbauen .

Verschiedenste Anforderungen und Anwendungslösungen können in kürzester Zeit durch das gezeigte modulare System realisiert werden . Die gleichartigen Antriebsmodule lassen sich im end- gültigen Zustand vorrätig halten und brauchen ggf . nur noch in leicht herzustellende Grundplatten eingeklebt zu werden .

Claims

Patentansprüche :

1. Linearantrieb (1) in Modulbauweise für Mehrphasenbetrieb mit - einer Passiveinheit (2) mit magnetisierbaren bzw. e^κön ^ Magnetfluß leitenden Bereichen (5) ;

-^■■—Qk efc≡EafeESftgsfe.bnh.eit rβrfcy-

- einer Ansteuereinheit, die wenigstens zwei phasenversetzte elektrische Speisestrome bereitstellt; und - einer Aktiveinheit (4), bestehend aus

* wenigstens zwei gleichartigen Antriebsmodulen (10) mit

+ wenigstens zwei elektrischen Wicklungen (13) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses (14) durch Einspeisung der phasenversetzten Speisestrome, + Eisenkernen (-ϊ-3-) zur Leitung des Magnetflusses, die an ihrer der Passiveinheit (2) zugewandten Seite strukturiert sind,

+ oinom Emsetzbereicn (17)vT

* Durchbruchen in einer Grundplatte (11), m welche^ die Antriebsmodule (10) mit ihren Einsetzbereichen (17) unter Belassung eines umlaufenden Spalts (20, 21) eingefugt sind, wobei der Spalt wenigstens teilweise mit einer Klebemasse (23) verfullt ist.

2 .Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmodule einen Auflagerand (18) besitzen, der sich zumindest an Teilen der Umfangskanten erstreckt und derart über die Umfangskanten hinausragt, daß er auf den an die Durchbruche angrenzenden Randbereichen der Grund- platte zu liegen kommt.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elastische Klebemasse in den Spalt (20, 21) zwischen Grundplatte (11) und Antriebsmodulen (10) eingefüllt ist.

4. Linearantrieb nach ^• einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrechte Spalt (20) zwischen Grundplatte (11) und Antriebsmodul (10) im wesentlichen 0, 5 mm breit ist.

5. Linearantrieb nach Anspruch 2 oder den auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der waagerechte Spalt (21) zwischen Grundplatte (11) und Antriebsmodul (10) im wesentlichen 1 mm breit ist. a. 6b - &

6dt. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis Ja, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Antriebsmodule jeweils in einer ersten Gruppe hintereinander 'ist Bewegungsrichtung z) und in einer zweiten Gruppe 'parallel nebeneinander ange- ordnet sind, wobei der Winkel zwischen erster und zweiter

Gruppe vorzugsweise 0° oder 90° beträgt.

7. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis Jϊ , dadurch gekennzeichnet, daß eine U-förmige Aktiveinheit wenigstens drei Antriebsmodule umfaßt, die jeweils an einer der drei Seiten des Querschnitts angeordnet sind. ζb

8. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis &, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aktiveinheit mit rechteckigem Querschnitt wenigstens vier vAntriebsmodule umfaßt, die

5} jeweils an einer der vier'Seiten des Querschnitts angeordnet sind.

9 .Linearantriebssystem mit (>')Lineareinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einer sich in ^»Richtung erstreckenden Passiveinheit eine erste

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Aktiveinheit angeordnet ist, die ihrerseits eine sich m *) an der eine

zweite Aktiveinheit angeordnet ist. . de. 3d. 10. Lmearantriebssystom mi —Linaaremh ei t^pn nach einem der

Ansprüche 1 bis JS_r dadurch gekennzeichnet, daß an ^-odor- 3/

Seite oinor rechteckigen Grundplatte wenigsten ein

Antriebsmodul angeordnet ist, und daß die Passiveinheit J vier den Magnetfluß leitende Bereiche mit Strukturierung besitzt, wobei die Strukturen der unmittelbar aneinander s) angrenzenden Bereiche eweils 'um 90 versetzt ausgebildet sind.

11. Verfahren zur Herstellung einer Aktiveinheit (4) eines Linearantriebs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) die Antriebsmodule (10) werden in die Durchbruche in der Grundplatte (11) lose eingesetzt, b) der Spalt (20, 21) zwischen Antriebsmodul (10) und Grundplatte (11) wirα zumindest teilweise mit einer

Klebemasse (23) aufgefüllt, c) die derart best ckte Aktiveinheit (4) wird auf die Passiveinheit (2) aufgesetzt, so daß die Strukturierungen von Aktiv- unα Passiveinheit gleichsinnig ausgerichtet gegenüberliegen, d) mit Hilfe der Fuhrungseinheit (3) wird ein Abstand zwischen Aktiv- und Passiveinheit hergestellt, der die 6) Bewegung zwischen diesen beiden Einheiten ermöglicht, e) jeweils mindestens einer elektrischen Wicklung (13) jedes Antriebsmoduls (10) wird eine Phase des Speise^¬ stroms zugeführt, so daß sich jeαes Antriebsmodul (10) selbsttätig gegenüber der Passiveinheit (2) ausrich^¬ tet, f) durch Abwarten des Aobindens der Klebemasse (23) werden die Antriebsmodule (10) in dieser Stellung fixiert .

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2. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt d) der Abstand zwischen Aktiv- und Passiveinheit durch Aufbau eines Luftlagers erzeugt wird, daß nach dem Ausrichten der Antriebsmodule im Verfahrensschritt e) das Luftlager abgeschaltet wird, wodurch Aktiv- und Passiveinheit in der ausgerichteten Lage aufeinander zu liegen kommen, und daß man erst dann die Klebemasse abbinden läßt.