WO2008009556A2

WO2008009556A2 - Elektrischer linearantrieb

Info

Publication number: WO2008009556A2
Application number: PCT/EP2007/056722
Authority: WO
Inventors: Holger Schunk; Rolf Vollmer; Erich Bott
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2008-01-24
Also published as: DE102006032989A1; WO2008009556A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Linearantrieb mit einem Ständer (1) und einem Läufer (2), wobei zumindest der Ständer (1) Zähne (6,16) mit je einem Zahnkopf aufweist, wobei zumindest jeder zweite Zahn (16) von einer Zahnspule (3) umgeben ist und wobei der Läufer (2) Permanentmagnete aufweist.

Description

Beschreibung

Elektrischer Linearantrieb

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Linearantrieb mit einem Ständer und einem Läufer, wobei zumindest der Ständer Zähne mit je einem Zahnkopf aufweist, wobei zumindest jeder zweite Zahn von einer Zahnspule umgeben ist und wobei der Läufer Permanentmagnete aufweist.

Linearmotoren sind üblicherweise aus Aktivteilen und Inaktivteile aufgebaut, wobei sich sowohl das aktive Teil als auch das inaktive Teil bei den unterschiedlichsten Motorentypen, wie z.B. Synchronlinearmotor, Asynchronlinearmotor bewegt. Neben den konventionellen Wicklungssystemen, die bei diesen Linearmotoren eingesetzt werden, werden zunehmend auch Zahnspulen eingesetzt.

Problematisch bei den Linearmotoren ist insbesondere, dass bei typischen Anwendungen der Linearmotoren die Geber genau so lange ausgeführt sein müssen wie sich der Arbeitsbereich des Linearmotors erstreckt. Dies stellt bei elektrischen Li^¬ nearantrieben mit genauen Lineargebern einen überproportionalen Kostenfaktor dar.

Ebenso nachteilig ist, dass bei Anordnung dieser Geber, diese dem Staub und dem Schmutz der jeweiligen Einsatzumgebung ausgesetzt sind. Dies erfordert aufwändige Maßnahmen, z.B. Kap^¬ selungsmaßnahmen um den Geber funktionsfähig zu gestalten und zu erhalten.

Prinzipiell einsetzbar bei elektrischen Linearantrieben sind dabei optische Geber (Glasmaßstäbe) oder magnetische Geber, wie z.B. Zahngeber oder Geber, die mittels eines magnetisier- ten Bandes die Position bestimmen. Beide Arten von Gebern sind prinzipiell gegenüber Verschmutzung und mechanischen äußeren Einwirkungen lediglich ungenügend geschützt. Außerdem verursachen derartige Geber erhebliche Kosten bei den vorge^¬ gebenen Applikationen dieser Linearmotoren.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die Position eines Linearmotors in einfacher Art und Weise zu bestimmen .

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen elektrischen Linearantrieb mit einem Ständer und einem Läufer, wo- bei zumindest der Ständer Zähne mit je einem Zahnkopf auf^¬ weist, wobei zumindest jeder zweite Zahn von einer Zahnspule umgeben ist, wobei der Läufer Permanentmagnete aufweist, wo^¬ bei in Bewegungsrichtung des Linearantriebs je eine Pollücke zwischen zwei magnetischen Polen vorgesehen ist, wobei die Differenz der Längenausdehnung von bewickeltem Zahn und Polteilungsbreite größer oder gleich 15% ist.

Entscheidend dabei ist, dass sich die Zahnbreite BZ des Stän^¬ ders und die Polteilung τp des Läufers um mindestens 15% un- terscheiden, um eine geberlose Regelbarkeit des Linearan^¬ triebs zu gewährleisten.

Dabei ist die Längenausdehnung des Ständerzahns am Luftspalt ausschlaggebend, d.h. falls die Ständerzähne Zahnköpfe aus- weisen, die breiter als der Schaft des Ständerzahnes sind, ist diese Breite für die Auslegung zu berücksichtigen.

Des Weiteren sind von dieser Auslegung nur die mit Zahnspulen versehenen Ständerzähne betroffen.

Jeder magnetische Pol kann dabei aus einem oder mehreren Permanentmagneten gebildet sein. Von Pol zu Pol wechselt dabei die Magnetisierungsrichtung.

Vorteilhaft ist außerdem, wenn die Pollücken des Läufers, die etwa 20% einer Polteilung ausmachen sollten, mit magnetisch leitfähigen Material geschlossen sind. Damit ergeben sich die relevanten Unterschiede der Induktivitäten in d- und q-Rich- tung von dem Verhältnis Zahn zu Polbreite. Aufgrund dieser Unterschiede der Induktivitäten in d- und q-Richtung kann eine geberlose Regelbarkeit des Linearantriebs gewährleistet werden. Aufgrund dieser geberlosen Regelbarkeit bei Linearan- trieb kann auf die teueren linearen Geber verzichtet werden ebenso wie auf die Montage und Justage dieser Geber auf die jeweiligen Anwendungen.

Dem Linearmotor, der vorteilhafterweise als Synchronlinearmo- tor ausgeführt ist, ist ein Stromrichter zugeordnet, der den Linearmotor mit Strom versorgt. Dem Linearmotor ist darüber hinaus eine Regelungseinrichtung zugeordnet, die die gemesse^¬ ne Induktivität auswertet und den Stromrichter ansteuert.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß der Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

FIG 1 Teilausschnitt eines Linearantriebs mit parallelflan- kigen Zähnen,

FIG 2 Teilausschnitt eines Linearantriebs, FIG 3 Teilausschnitt eines Linearantriebs mit verschieden ausgeführten Pollücken, FIG 4 Teilausschnitt eines Linearantriebs mit prinzipieller Darstellung einer Regelungseinrichtung und eines Stromrichters .

FIG 1 zeigt einen Teilausschnitt eines Linearantriebs 10, der einen Aktivteil, der als Ständer 1 ausgebildet ist, aufweist. Dieser Ständer 1 ist geblecht aufgebaut und weist an jedem zweiten Zahn 16 eine Zahnspule 3 auf, so dass pro Nut 7 je^¬ weils eine Spulenseite der Zahnspule 3 vorhanden ist. Der Ständer 1 weist somit abwechselnd unbewickelte Zähne 6 und bewickelte Zähne 16 auf. Dem Ständer 1 gegenüber durch einen Luftspalt beabstandet befindet sich der Läufer 2, an dessen Oberfläche dem Luftspalt des Linearantriebs 10 zugewandt sich senkrecht zum Luftspalt magnetisierte Pole 4 befinden, die durch Einzelmagnete oder auch aus mehreren einzelnen Permanentmagneten 41, 42 zusammensetzt einen Pol 4 ergeben. Entscheidend ist, dass es die senkrechte Magnetisierungsrichtung nach jeder Pollücke wechselt.

Um nunmehr einen geberlosen Betrieb des Linearmotors reali^¬ sieren zu können, ist es erforderlich, dass die Differenz der Längenausdehnung von bewickeltem Zahn 16 und Polteilungsbreite τp größer oder gleich 15% ist. Damit wird vorteilhafter- weise erreicht, dass ein variierender Induktivitätsverlauf im Linearantrieb 10 erzeugt wird, wenn sich der Läufer 2 bezüg^¬ lich seines Ständers 1 bewegt. Weiterhin wird aber gerade durch die Wahl des beschriebenen Verhältnisses von Position des Zahnes 16 des Ständers 1 zur Polteilung τp des Läufers 2 der Unterschied zwischen der maximalen Induktivität und der minimalen Induktivität maximiert bzw. erhöht, so dass die La^¬ ge des Linearantriebs 10 sehr genau bestimmt werden kann.

Die Breite des unbewickelten Zahns 6 ist dabei auch ungleich der breite des bewickelten Zahns 16 wählbar. D.h. bei gleich oder ungleich BZ.

Wegen auftretender Messungenauigkeiten und Störungen wird dadurch die Messbarkeit des Induktivitätsunterschieds erheblich erleichtert. Jeder magnetische Pol 4 kann aus einem Perma^¬ nentmagneten oder aus mehreren Permanentmagneten 41, 42 gebildet sein. Durch das magnetisch leitfähige Material 5 in den Pollücken werden die Übergangsstellen zwischen den magnetischen Polen 4 stufenlos ausgebildet. Damit wird unter ande- rem gewährleistet, dass die magnetischen Pole 4 und damit die Permanentmagnete optimal am Läufer 2 fixiert sind.

Des Weiteren sind dadurch die Permanentmagnete vergleichswei^¬ se gut vor mechanischen Einflüssen vor dem Einbau des Läufers in den Linearantrieb geschützt. Alternativ dazu oder auch zu^¬ sätzlich dazu können die Permanentmagnete 4 durch mit dem Läufer 2 verbundenen mechanischen Elementen am Läufer 2 fixiert werden. Diese mechanischen nicht näher dargestellten Elemente können dabei einzelne Stege, Nasen oder auch eine komplette Abdeckung der Permanentmagnete beinhalten. So dass sich die Permanentmagnete in Hohlräumen und bzw. Taschen des Läufers 2 befinden.

In einer weiteren Ausführungsform sind zumindest die bewickelten Zähne 16 des Ständers 1 mit einem Zahnkopf 12 verse^¬ hen. Damit ist die entscheidende Längenausdehnung nicht mehr die Breite des Zahnes sondern die dem Luftspalt zugewandte Breite des Zahnkopfes 12. Um aber damit auch die vorab gefer^¬ tigten Zahnspulen 3 auf die Zähne 16 positionieren zu können, ist es erforderlich den Ständer 1 mehrteilig aufzubauen. D.h. zumindest die bewickelten Zähne sind durch geeignete Vorrich^¬ tungen 11 am Blechpaket des Ständers 1 zu fixieren. Die unbe- wickelten Zähne 6 können weiterhin mit dem Ständer 1 einteilig ausgebildet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Läufers 2 nach FIG 3 sind die Pollücken bereits durch die Bildung der Bleche des Läufers 2 gebildet, so dass die magnetischen Pole 4 und damit ihre Permanentmagnete lediglich nunmehr in die verbleibenden Lücken eingesetzt und gegebenenfalls vergossen werden müssen. Die Ausgestaltung der Pollücken durch die Bleche kann dabei wie prinzipiell dargestellt durch redu- zierte Stege 51 und/oder volle Stege 52 und/oder rampenförmig ausgeführte Stege 53,54 gebildet sein. Ebenso sind andere Formen der Stege, wie z.B. stufenförmig oder rundlich denkbar .

Dem Linearantrieb 10 ist nach FIG 4 eine Messeinrichtung 30 zur Messung der lageabhängigen Induktivität zugeordnet. Damit wird vorteilhafterweise ein der Lage äquivalentes Signal er^¬ zeugt. Alternativ dazu kann die Messeinrichtung auch die Lage aus der Induktivität bestimmen. Dem Linearantrieb 10 ist zu- mindest ein Stromrichter 32 zugeordnet, der den Linearantrieb 10 mit Strom versorgt. Dem Linearantrieb 10 ist darüber hin^¬ aus eine Regelungseinrichtung 31 zugeordnet, welche die ge- messene Induktivität und/oder Lage auswertet und den Strom^¬ richter darüber ansteuert.

Die Breite BZ des bewickelten Zahnes 16 des Ständers 1 soll in der Breite mindestens um 15% vom Polteilungswinkel τp ab^¬ weichen um eine präzise Messung der Lage zu gewährleisten.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Linearantriebs 10 kann nun^¬ mehr der Lagegeber eingespart werden, da die aktuelle Lage aus der lageabhängigen Induktivität des Linearantriebs 10 be^¬ stimmt werden kann. Mit Hilfe des Lagesignals kann nun ein Stromrichter 32 mittels einer Regelungseinrichtung 31 angesteuert werden, um den Linearantrieb 10 optimal mit Strom zu versorgen. Die lageabhängige Induktivität des Linearantriebs wird dabei durch eine geeignete Messrichtung 30 gemessen und von der Regelungseinrichtung 31 zur Ansteuerung des Stromrichters 32 verwendet.

Derartige Linearantriebe werden u.a. bei allen Arten von Pro- duktionsmaschinen, wie z.B. Werkzeugmaschinen und Antriebe in der Logistik eingesetzt.

Claims

Patentansprüche

1. Elektrischer Linearantrieb (10) mit einem Ständer (1) und einem Läufer (2), wobei zumindest der Ständer (1) Zähne (6,16) mit je einem Zahnkopf (12) aufweist, wobei zumindest jeder zweite Zahn (16) von einer Zahnspule (3) umgeben ist, wobei der Läufer (2) Permanentmagnete aufweist, wobei in Be^¬ wegungsrichtung des Linearantriebs (10) je eine Pollücke zwi^¬ schen zwei magnetischen Polen (4) vorgesehen ist, wobei die Differenz der Längenausdehnung von bewickeltem Zahn (16) und Polteilungsbreite größer oder gleich 15% ist.

2. Elektrischer Linearantrieb (10) nach Anspruch 1, d a ^¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Pollücke mit magnetisch leitfähigen Material (5) ausgefüllt ist.

3. Elektrischer Linearantrieb (10) nach Anspruch 2, d a ^¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Pollü^¬ cken zumindest teilweise durch Stege (51,52,53,54) der Bleche des Läufers (2) gebildet werden.

4. Elektrischer Linearantrieb (10) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Übergangsstellen zwischen den magnetischen Polen (4) und der Pollücke stetig verläuft.

5. Elektrischer Linearantrieb (10) nach einem der vorherge^¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ^¬ n e t , dass die magnetischen Pole (4) aus zumindest einem Permanentmagneten aufgebaut sind.

6. Elektrischer Linearantrieb (10) nach einem der vorherge^¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ^¬ n e t , dass die am Läufer (2) positionierten Permanentmag- nete, senkrecht zum Luftspalt magnetisiert sind.

7. Elektrischer Linearantrieb (10) nach einem der vorherge^¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t , dass benachbarte magnetische Pole unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen .

8. Elektrischer Linearantrieb (10) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ^¬ n e t , dass der Linearantrieb (10) eine Messeinrichtung (30) zur Messung der lageabhängigen Induktivität des Läufers (2) zugeordnet ist.

9. Elektrischer Linearantrieb (10) nach einem der vorherge^¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ^¬ n e t , dass der Linearantrieb (10) durch zumindest einen Stromrichter (32) speisbar ist.

10. Elektrischer Linearantrieb (10) nach Anspruch 9, d a ^¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Linear^¬ antrieb (10) eine Regelungseinrichtung (31) zugeordnet ist, welche die gemessene Induktivität erfasst und den Stromrich^¬ ter (32) dementsprechend ansteuert.