DE102019210392A1

DE102019210392A1 - Elektromagnetischer Linearaktuator

Info

Publication number: DE102019210392A1
Application number: DE102019210392.8A
Authority: DE
Inventors: Connel Brett Williams
Original assignee: TRW Ltd
Current assignee: TRW Ltd
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2020-02-06
Also published as: GB201812485D0; US20200044549A1; GB2576004A; US10910935B2; GB2576004B

Abstract

Ein Linearaktuator, der einen ersten feststehenden Abschnitt, der eine lineare Anordnung von Statorzähnen umfasst, wobei jeder von einer oder mehreren Windungen eines elektrischen Drahts umgeben ist, eine Steuerung, die einen Satz von Strömen erzeugt, die an die Phasenwicklungen des ersten feststehenden Abschnitts angelegt werden, um ein Muster von magnetischen Polen entlang der Anordnung von Zähnen zu erzeugen, wobei der Abstand zwischen den Polen größer als der Abstand zwischen benachbarten Zähnen des ersten feststehenden Abschnitts ist, einen zweiten feststehenden Abschnitt, der einen abwechselnden Satz von magnetischen Polen umfasst, wobei der Abstand zwischen benachbarten Polen kleiner als der Abstand der durch die Steuerung erzeugten magnetischen Pole der ersten Anordnung ist, und einen beweglichen Ausgangsabschnitt, der eine lineare Anordnung von Polstücken umfasst, die sich entlang einer Länge des Ausgangsteils erstrecken, die größer als die Hublänge des Aktuators und länger als die Länge der feststehenden Abschnitte ist, umfasst, wobei sich im Gebrauch eine Länge des beweglichen Ausgangsabschnitts zu jedem Zeitpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten feststehenden Abschnitt befindet, wobei die Polstücke, die sich zwischen den feststehenden Abschnitten befinden, den zwischen den Polen des ersten feststehenden Abschnitts und den Polen des zweiten feststehenden Abschnitts wirkenden magnetischen Fluss formen, und wobei die Steuerung dazu angeordnet ist, im Gebrauch eine lineare Bewegung des Ausgangsabschnitts durch Bewegen der magnetischen Pole des ersten feststehenden Abschnitts entlang der Anordnung zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Linearaktuatoren und insbesondere einen elektromagnetischen Linearaktuator, der für Anwendungen, die eine große Hublänge entlang einer Linie erfordern, geeignet ist.
Ein Linearaktuator ist eine Vorrichtung, die eine Bewegung eines Ausgangsglieds, typischerweise einer länglichen Stange, entlang einer geraden oder gekrümmten Linie erzeugt. Es sind verschiedenste Arten von Linearaktuatoren bekannt. Eine der frühesten Arten von Linearaktuator ist der Gewindetrieb, bei dem eine Gewindestange mit einem Gewindekörper in Eingriff steht, der gedreht werden kann, um zu bewirken, dass sich die Gewindestange entlang einem linearen Weg bewegt. Diese Arten von Linearaktuator enthaltende Vorrichtungen sind bei Autowagenhebern weit verbreitet, da die Drehung des feststehenden Teils durch menschliche Kraft bereitgestellt werden kann. In einer anderen Kategorie von Linearaktuator kann Hydraulikdruck in einem Zylinder zum Antrieb eines Kolbens entlang einem linearen Weg verwendet werden.
Eine andere Art von Linearaktuator ist der Linearmotor. Diese funktionieren auf ähnliche Weise wie ein herkömmlicher Elektromotor, jedoch ist bei ihnen der Stator und ein Teil, der dem Rotor funktional entspricht, in einer Linie angeordnet anstatt um eine Achse gewickelt. Die Ausgabe ist deshalb eher eine Translations- als eine Drehbewegung. Ein einfacher Linearmotor weist einen Satz von Wicklungen auf einem feststehenden Teil auf, die einen Fluss erzeugen, der mit einem durch einen an einem länglichen sich bewegenden Teil montierten Satz von Magneten erzeugten Flussmuster interagiert. Durch Bewegen des Flussmusters entlang dem Stator bewirken Lorentzkräfte, dass sich das lineare Glied entlang einem linearen Weg bewegt, während die Flussmuster von den Permanentmagneten versuchen, sich selbst auf das durch den Stator erzeugte Flussmuster auszurichten.
Die Anmelderin hat erkannt, dass bekannte Linearmotoren, die Permanentmagneten an dem sich bewegenden Teil verwenden, zwar in der Lage sind, eine hochgenaue lineare Bewegung zu erzeugen, aber übermäßig teuer sein können, wenn der Wunsch besteht, einen Linearaktuator mit einer großen Hublänge herzustellen, der hohe lineare Kräfte erzeugen kann. Zum Erzeugen einer hohen Kraft müssen die entlang dem sich bewegenden Glied angeordneten Magneten in der Lage sein, eine hohe Flussstärke zu erzeugen. Magneten, die in der Lage sind, hohe Flussstärken zu erzeugen, sind relativ teuer, da sie in ihrer Zusammensetzung Seltenerdelemente enthalten. Da die Magneten über die gesamte Länge des Glieds beabstandet sein müssen, würde dies bei einer großen Hublänge die Verwendung einer großen Anzahl von Magneten an dem sich bewegenden Glied erfordern. Dies ist etwas verschwenderisch, da nur die Magneten, die auf den Stator ausgerichtet sind, zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt tatsächlich irgendeine Arbeit verrichten, wobei der Rest bei Bewegung des Ausgangsteils einfach mitgeführt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Linearaktuators, der einige der Einschränkungen der Linearaktuatorkonstruktionen des Stands der Technik verbessert.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Linearaktuatorbaugruppe bereit, die Folgendes umfasst: einen ersten feststehenden Abschnitt, der eine lineare Anordnung von Statorzähnen umfasst, wobei jeder von einer oder mehreren Windungen eines elektrischen Drahts umgeben ist,
eine Steuerung, die einen Satz von Strömen erzeugt, die an die Phasenwicklungen des ersten feststehenden Abschnitts angelegt werden, um ein Muster von magnetischen Polen entlang der Anordnung von Zähnen zu erzeugen, wobei der Abstand zwischen den Polen größer als der Abstand zwischen benachbarten Zähnen des ersten feststehenden Abschnitts ist,
einen zweiten feststehenden Abschnitt, der einen abwechselnden Satz von magnetischen Polen umfasst, wobei der Abstand zwischen benachbarten Polen kleiner als der Abstand der durch die Steuerung erzeugten magnetischen Pole der ersten Anordnung ist, und
einen beweglichen Ausgangsabschnitt, der eine lineare Anordnung von Polstücken umfasst, die sich entlang einer Länge des Ausgangsteils erstrecken, die größer als die Hublänge des Aktuators und länger als die Länge der feststehenden Abschnitte ist, wobei sich im Gebrauch eine Länge des beweglichen Ausgangsabschnitts zu jedem Zeitpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten feststehenden Abschnitt befindet, wobei die Polstücke, die sich zwischen den feststehenden Abschnitten befinden, den zwischen den Polen des ersten feststehenden Abschnitts und den Polen des zweiten feststehenden Abschnitts wirkenden magnetischen Fluss formen, und wobei die Steuerung dazu angeordnet ist, im Gebrauch eine lineare Bewegung des Ausgangsabschnitts durch Bewegen der magnetischen Pole des ersten feststehenden Abschnitts entlang der Anordnung zu erzeugen.
Durch diese Erfindung erzeugt die Steuerung ein sich bewegendes Flussmuster an dem ersten Stator, das mit einem ähnlichen sich bewegenden Flussmuster von dem zweiten feststehenden Abschnitt, das durch die Polstücke des Ausgangsabschnitts geformt worden ist, interagiert. Die Geschwindigkeit der Bewegung der Pole des geformten Flussmusters wird geringer als die Geschwindigkeit der Bewegung der Pole des ersten feststehenden Abschnitts sein, verläuft aber in die gleiche Richtung, wodurch dem Aktuator ein gewisses Maß an Übersetzung verliehen wird, die eine hohe Kraftdichte ergibt. Da die bewegliche Anordnung nur relativ kostengünstige Polstücke anstatt Festmagnete, wie im Stand der Technik bekannt ist, enthält, kann unter Verwendung nur von entlang dem Ausgang beabstandeten Polstücken anstatt der Magnete ein kostengünstiger Linearaktuator hergestellt werden.
Der erste feststehende Abschnitt kann zwei magnetische Pole definieren, der zweite feststehende Abschnitt kann mehr als zwei magnetische Pole definieren, und die Polstücke können den Fluss von den Polen der zweiten magnetischen Pole formen, um zwei magnetische Pole in dem Bereich zu erzeugen, in dem der Fluss von dem ersten feststehenden Abschnitt auf den Fluss von dem zweiten feststehenden Abschnitt trifft.
Bei einer durchführbaren Anordnung kann der zweite feststehende Abschnitt durch 21 Magnete erzeugte 21 magnetische Pole umfassen, und der Ausgangsteil kann 12 Polstücke entlang einem Abschnitt des Ausgangsteils tragen, der sich bei allen Positionen des Ausgangsteils entlang seines Hubs zwischen den beiden feststehenden Abschnitten befindet, wobei der erste feststehende Teil zwei Polpaare erzeugt, die jeweils ein Paar Nord- oder ein Paar Südpole umfassen.
Es ist deshalb erforderlich, dass der Ausgangsteil in dem durchführbaren Beispiel viel mehr als 12 Polstücke entlang seiner Länge aufweist.
Es können andere Anzahlen von magnetischen Polen und Polstücken verwendet werden, wobei das Ziel darin besteht, dass die Polstücke eine starke, idealerweise erste, Harmonische des Magnetflusses von dem zweiten feststehenden Abschnitt mit einem durch die Wicklungen und die Zähne des ersten feststehenden Abschnitts erzeugten passenden Polmuster koppeln.
Die Polstücke des Ausgangsteils können eisenhaltige Metallpolstücke, insbesondere Stahlpolstücke, umfassen. Sie können durch einen nicht eisenhaltigen Träger gestützt werden. Zum Beispiel können sie an einem Träger fixiert oder darin vergraben sein. Die Polstücke müssen im Gegensatz zu Linearaktuatoren des Stands der Technik keine Magneten sein, da ihre Funktion allein darin besteht, den magnetischen Fluss von dem zweiten feststehenden Abschnitt in dem Luftspalt zwischen den beiden feststehenden Abschnitten zu formen.
Die feststehenden Abschnitte können in einem Bezugsrahmen fixiert sein, wobei sich die bewegliche Anordnung bezüglich des Rahmens entlang einer Hublänge bewegt. Der feststehende Bezugsrahmen kann bezüglich der Erde fixiert sein oder bezüglich der Karosserie eines Fahrzeugs, das den Linearaktuator trägt, fixiert sein. Er kann zum Beispiel bezüglich des Bezugsrahmens einer Plattform, auf der der Linearaktuator befestigt ist, fixiert sein. Ein Fixiermittel, wie zum Beispiel ein Ständer oder ein Träger, kann zum Fixieren des feststehenden Abschnitts in Position bereitgestellt werden, um ihn zum Beispiel an der Karosserie eines Fahrzeugs oder einem anderen feststehenden Teil eines Fahrzeugs zu fixieren. Das Fixiermittel kann Öffnungen zur Aufnahme von Befestigungselementen, wie zum Beispiel Schrauben, umfassen. Das Fixiermittel kann eine Basisplatte enthalten, die an dem ersten und/oder zweiten feststehenden Abschnitt befestigt oder integral damit ist.
Der Ausgangsabschnitt kann ein längliches Glied umfassen, das entlang einem Hauptteil seiner Länge, der zwischen den feststehenden Abschnitten verlaufen kann, einen konstanten Querschnitt aufweist. Dieser kann ein quadratischer, rechteckiger oder kreisförmiger Querschnitt sein, obgleich irgendein beliebiger Querschnitt in Betracht kommen könnte.
Das Ausgangsglied kann eine Länge von mindestens 30 cm oder mindestens 1 Meter oder mehr aufweisen. Theoretisch hat der Hub des Linearaktuators keine Grenze, obgleich die Grenze in der Praxis von Reibungskräften und, wenn sich der Ausgangsteil vertikal bewegt, dem Gewicht des Ausgangsteils abhängig sein wird. Da im Vergleich zu Magneten nur kostengünstige Polstücke erforderlich sind, kann auf kostengünstige Weise ein Linearaktuator mit einer großen Hublänge erzielt werden.
Der zweite feststehende Abschnitt kann eine lineare Anordnung von Permanentmagneten umfassen, wobei jeder Magnet einen Pol des zweiten feststehenden Abschnitts definiert. Die Magneten können in einem abwechselnden Nord-Süd-Muster angeordnet sein, um abwechselnde magnetische Nord- und Südpole in dem Luftspalt zwischen dem zweiten feststehenden Abschnitt und dem Ausgangsglied zu erzeugen.
Bei einer Alternative kann der zweite feststehende Abschnitt eine lineare Anordnung von Elektromagneten umfassen. Jeder Elektromagnet kann einen Zahn umfassen, um den eine eine Spule bildende Leitungsdrahtlänge gewickelt ist. Die Spulen können mit einem Strom von einer Steuerung gespeist werden, die ein feststehendes, sich nicht bewegendes Flussmuster erzeugt, das die Pole des zweiten feststehenden Abschnitts definiert.
Eine einzige Steuerung kann die Wicklungen sowohl des ersten feststehenden Abschnitts als auch des zweiten feststehenden Abschnitts ansteuern, obgleich natürlich verschiedene Strommuster an die Spulen jedes feststehenden Abschnitts angelegt werden, da eine ein sich bewegendes Gleichfeld und die andere ein feststehendes Gleichfeld erfordert.
Die Verwendung von Elektromagneten zum Erzeugen der Pole des zweiten feststehenden Abschnitts kann dort bevorzugt werden, wo Kosten minimiert werden sollen, jedoch zu Lasten des elektrischen Wirkungsgrads des Linearaktuators aufgrund von ohmschen Verlusten und möglicherweise einer Gewichtszunahme.
Die Anmelderin hat erkannt, dass die oben beschriebene Anordnung mit einem ersten und zweiten feststehenden Abschnitt und einem Ausgangsteil dazwischen einige laterale Kräfte an dem Ausgangsteil erzeugen wird.
Der Ausgangsteil kann deshalb entlang seiner Länge durch eine oder mehrere Lageranordnungen, die lateralen Kräften widerstehen, an voneinander beabstandeten Stellen gestützt werden.
Bei einer alternativen Anordnung, die, falls gewünscht, mit der Verwendung von Lagern kombiniert werden kann, kann der Linearaktuator ferner Folgendes umfassen: einen dritten feststehenden Abschnitt, der eine lineare Anordnung von Statorzähnen umfasst, die jeweils von einer oder mehreren Wicklungen eines elektrischen Drahts umgeben sind,
wobei die Steuerung einen Satz von Strömen erzeugt, die an die Phasenwicklungen des dritten feststehenden Abschnitts angelegt werden, um entlang der Anordnung von Zähnen das gleiche abwechselnden Muster von magnetischen Polen wie bei dem ersten feststehenden Abschnitt zu erzeugen, und
einen zweiten beweglichen Ausgangsabschnitt, der eine lineare Anordnung von Polstücken umfasst, wobei sich mindestens ein Teil des beweglichen Ausgangsabschnitts zwischen dem zweiten feststehenden Abschnitt und dem dritten feststehenden Abschnitt befindet.
Die Anzahl und die Position der Polstücke entsprechen der Anzahl und der Position der Polstücke des ersten beweglichen Ausgangsabschnitts und formen den zwischen den Polen des zweiten feststehenden Abschnitts und den Polen des dritten feststehenden Abschnitts wirkenden magnetischen Fluss.
Diese Anordnung platziert den zweiten feststehenden Teil in der Mitte einer Sandwichkonstruktion mit einem sich bewegenden Abschnitt auf jeder Seite, wobei der erste feststehende Abschnitt und der dritte feststehende Abschnitt die äußerste Schicht des Sandwiches bilden.
Die beiden beweglichen Ausgangsabschnitte können mechanisch verbunden sein oder können aus einem einzigen einteiligen Glied gebildet sein. Es kann zum Beispiel ein längliches Glied mit einem Längsschlitz entlang seiner Länge vorgesehen sein, der das zweite feststehende Glied aufnimmt, wobei sich die beiden Sätze von Polstücken entlang gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes erstrecken.
Alle der feststehenden Abschnitte und sich bewegenden Abschnitte können in einer einzigen Ebene liegen, wobei jede Anordnung geradlinig ist.
Alternativ kann jeder der feststehenden Abschnitte und sich bewegenden Abschnitte achssymmetrisch sein und einen zylindrischen oder teilzylindrischen Querschnitt entlang seiner Länge aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Linearaktuator zur Verwendung mit einer Steuerung zum Bilden einer Linearaktuatorbaugruppe gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereit, wobei der Aktuatorkörper Folgendes umfasst:
einen ersten feststehenden Abschnitt, der eine lineare Anordnung von Statorzähnen umfasst, die jeweils von einer oder mehreren Windungen eines elektrischen Drahts umgeben sind,
einen zweiten feststehenden Abschnitt, der einen abwechselnden Satz von magnetischen Polen umfasst, und einen beweglichen Ausgangsabschnitt, der eine lineare Anordnung von Polstücken umfasst, die sich entlang einer Länge des Ausgangsteils erstrecken, die größer als die Hublänge des Aktuators und länger als die Länge der feststehenden Abschnitte ist, wobei sich im Gebrauch eine Länge des beweglichen Ausgangsabschnitts zu jedem Zeitpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten feststehenden Abschnitt befindet, wobei die Polstücke, die sich zwischen den feststehenden Abschnitten befinden, den zwischen den Polen des ersten feststehenden Abschnitts und den Polen des zweiten feststehenden Abschnitts wirkenden magnetischen Fluss formen.
Nunmehr werden rein beispielhaft vier Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei:

1 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Linearaktuators gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Ausgangsteil in einer zurückgezogenen Position zu einem Ende des Aktuatorhubs ist;
2 eine 1 entsprechende Draufsicht ist, die den Linearaktuator mit dem Ausgangsteil in einer zu dem gegenüberliegenden Ende des Aktuatorhubs vollständig ausgezogenen Position zeigt;
3 eine schematische Ansicht der Hauptkomponenten des Aktuatorkörpers ist, der einen Teil des Linearaktuators von 1 bildet;
4 eine schematische Ansicht der Hauptkomponenten des Aktuatorkörpers ähnlich 3 ist, der einen Teil einer zweiten Ausführungsform eines Linearaktuators gemäß einem Aspekt der Erfindung bildet;
5 eine schematische Ansicht der Hauptkomponenten des Aktuatorkörpers ähnlich 3 ist, der einen Teil einer dritten Ausführungsform eines Linearaktuators gemäß einem Aspekt der Erfindung bildet;
6 (a) die Zähne und Wicklungen des ersten feststehenden Teils oder, wo vorhanden, dritten feststehenden Teils der Aktuatoren der 1 bis 5 zeigt, (b) das entsprechend zwei Polen erzeugte Flussmuster, wenn unter Verwendung eines ersten Satzes von Stromwellenformen Ströme an die Wicklungen angelegt werden, zeigt; und (c) die Bewegung des Musters von zwei Polen entlang der Anordnung von Zähnen, wenn ein anderer Satz von Stromwellenformen angelegt wird, zeigt;
7(a) die Anordnung von Permanentmagneten des zweiten feststehenden Abschnitts des Linearaktuators von 1 zeigt, wobei der Ausgangsteil und der erste feststehende Abschnitt nicht vorhanden sind, (b) die Wirkung des den Fluss modifizierenden Ausgangsteils zeigt, wobei wieder der erste feststehende Teil nicht vorhanden ist, und (c) das gleiche modifizierte Flussmuster zeigt, das aufgrund einer anderen Ausrichtung des Ausgangsteils auf den zweiten feststehenden Abschnitt entlang der Anordnung bewegt ist, wobei der Ausgangsteil über eine Strecke, die gleich dem Abstand zwischen benachbarten Polstücken ist, nach rechts bewegt worden ist; und
8 eine isometrische Ansicht ist, die eine alternative vierte mögliche Ausführungsform eines in 2 gezeigten Linearaktuators zeigt.

Ein Linearaktuator gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Aktuator, der einen feststehenden Körper 30 und einen sich bewegenden Ausgangsabschnitt 40 aufweist. Der feststehende Körperteil ist an einer Plattform 50 oder an einem anderen Träger fixiert und soll sich im Gebrauch nicht bewegen. Der sich bewegende Ausgangsabschnitt 40 führt die Arbeit durch und bewegt sich im Gebrauch entlang einem Weg aus einer eingezogenen Position, wie in 1 gezeigt, in eine ausgezogene Position, wie in 2 gezeigt, linear hin und her. Der Aktuator umfasst eine Anordnung von eisenhaltigen Polen und Elektromagneten. Die Bewegung wird durch zwischen dem feststehenden Körper 30 und dem sich bewegenden Ausgangsabschnitt 40 wirkenden Lorentzkräften erzeugt und wird durch eine Steuerung 20 gesteuert, die den Stromfluss durch die Wicklungen der Elektromagneten in dem feststehenden Körperabschnitt 30 auf eine nachfolgend hier beschriebene Weise steuert.
Der Linearaktuator kann auf verschiedenste Weisen angeordnet sein, und in 3 der beiliegenden Zeichnungen wird eine erste Ausführungsform 100 veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Aktuator 100 zwei feststehende längliche Abschnitte 1, 2, die parallel angeordnet sind und über einen Luftspalt hinweg zueinander weisen. Ein sich bewegender Ausgangsabschnitt 3 befindet sich in dem Luftspalt und umfasst eine längliche Stange. Die Stange weist entlang ihrer Längsachse eine Länge auf, die größer als die Länge des Luftspalts ist, so dass sich für jegliche Position entlang ihres Hubs ein Teil der Stange, aber nicht die gesamte Stange, in dem Luftspalt befindet. Es können nicht gezeigte Lageranordnungen vorgesehen sein, um die Stange lateral zu stützen und zu gewährleisten, dass sie zwischen den beiden feststehenden länglichen Abschnitten mittig in dem Luftspalt bleibt.
Ein erster der länglichen feststehenden Abschnitte 1 umfasst eine lineare Anordnung von Statorzähnen 6, die sich von einem durchgehenden Eisenrückschluss 7, der sich von einem Ende des feststehenden Abschnitts zu dem anderen erstreckt, erstrecken. In diesem Beispiel sind 12 Zähne gleichmäßig entlang dem Eisenrückschluss beabstandet. Jeder Zahn 6 ist von einer oder mehreren Windungen eines elektrischen Drahts umgeben, die eine Wicklung 8 eines Satzes von Spulenwicklungen bilden. Die Wicklungen sind in Phasen konfiguriert, und die Wicklungen sind mit dem Ausgang einer Steuerung verbunden.
Die Steuerung erzeugt einen Satz von Phasenströmen, die an die Wicklungen 8 des ersten feststehenden Abschnitts 1 angelegt werden, um ein Muster von magnetischen Polen entlang der Anordnung von Zähnen zu erzeugen. In diesem Beispiel werden Stromwellenformen angelegt, die ein Muster mit zwei Paaren Polen - zwei Nord- und zwei Südpolen - mit gleichen Abständen dazwischen erzeugen. Die Anzahl von Polen ist deshalb kleiner als die Anzahl der Zähne. Es ist von Bedeutung, dass das Muster von Polen durch Ändern der an die Wicklungen angelegten Ströme entlang dem ersten feststehenden Abschnitt bewegt werden kann. Die 6 (a) bis (c) zeigen, wie das Muster von Polen entlang der Anordnung von Zähnen bewegt werden kann, indem einfach die an die Wicklungen angelegten Ströme geändert werden. Wie zu sehen ist, ändert sich nicht der Abstand zwischen den beiden Polen, es bewegen sich nur die Muster entlang dem ersten feststehenden Abschnitt 1.
Der zweite längliche feststehende Abschnitt 2 umfasst eine längliche Anordnung von Permanentmagnetpolen 5, die sich entlang der Länge des feststehenden Abschnitts 2 zwischen Nord- und Südpolen abwechseln. Diese werden durch ein längliches Rückenteil gestützt. Der Abstand zwischen benachbarten Polen ist kleiner als der Abstand der magnetischen Pole der ersten Anordnung, die durch die Steuerung gebildet werden, und in diesem Beispiel sind 21 Magneten gleichmäßig entlang dem zweiten länglichen feststehenden Abschnitt beabstandet. Der erste und der zweite festehende Abschnitt weisen in diesem Beispiel die gleiche Länge auf.
Der bewegliche Ausgangsabschnitt 3 umfasst einen länglichen nicht eisenhaltigen Träger 9, der eine lineare Anordnung von Polstücken 4 stützt, die sich entlang der gesamten Länge des Ausgangsteils erstrecken. Für jegliche Position des Ausgangsteils entlang seines Hubs 12 befinden sich die Polstücke in dem Luftspalt zwischen den beiden feststehenden Abschnitten. Die Polstücke 4 sind entlang dem Träger gleichmäßig beabstandet. Jedes Polstück 4 umfasst einen Abschnitt aus eisenhaltigem Material.
Das Vorhandensein der Polstücke 4 in dem Luftspalt bildet oder verzerrt das magnetische Flussmuster von den Magneten 5 des zweiten feststehenden Abschnitts. Dies ist in 7 zu sehen. Ohne die Polstücke ist der Fluss in dem Luftspalt von den Magneten 5 des zweiten feststehenden Teils wie in 7(a) gezeigt. Wenn der Ausgangsteil in Position ist, ist dieser dahingehend geformt, ein ähnliches Flussmuster wie das zu bilden, das mit nur zwei Magnetpolpaaren an dem zweiten feststehenden Abschnitt erzeugt werden würde, wie in 7(b) gezeigt. Tatsächlich führt eine Bewegung des Ausgangsteils um eine geringe Strecke bezüglich des zweiten Ausgangsteils zu dem gleichen Flussmuster, das aber in der Bewegungsrichtung des Ausgangsteils verschoben ist, wie in 7(c) gezeigt wird. Der Grund für dieses Formen wird im Zusammenhang mit Pseudo-Direktantriebsmotoren gut verständlich, und eine detaillierte Besprechung wird in der internationalen Patentanmeldung WO 2007/125284 im Namen der Universität Sheffield, wo das Konzept bei dem Design einer elektrischen Rotationsmaschine verwendet wird, angeführt.
Der Leser wird erkennen, dass ein modifiziertes Flussmuster von den Permanentmagneten 5 mit dem ähnlichen Flussmuster von den Elektromagneten des ersten feststehenden Teils interagieren wird und durch Bewegen des Polenmusters des ersten feststehenden Abschnitts Lorentzkräfte auf die Polstücke 4 des Ausgangsteils wirken werden, wodurch bewirkt wird, dass er sich bewegt, um die Flussmuster auf eine Position neu auszurichten, in der keine Kraft auf den Ausgangsteil wirkt. Da dies eine Bewegung des Ausgangsteils 3 bewirkt, ändert sich die Weise, auf die sich der Fluss von dem zweiten feststehenden Teil ändert, und dies führt dazu, dass sich der Ausgangsteil 3 größtenteils mit einer Geschwindigkeit bewegt, die langsamer als die ist, mit der das Polmuster des ersten feststehenden Teils bewegt wird. Das Ergebnis ist eine Form von magnetischer Übersetzung, die bei der Bereitstellung einer hohen Kraftdichte für den Linearaktuator günstig ist.
4 ist eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Linearaktuators 200 gemäß einem Aspekt der Erfindung. Bei dieser Anordnung werden ein erster feststehender Teil 201 und ein sich bewegender Ausgangsteil 202 bereitgestellt, die hinsichtlich Form und Funktion mit jenen Teilen der ersten Ausführungsform 100 von 3 identisch sind. Ein Unterschied besteht bei der Anordnung des zweiten feststehenden Teils 203, der einen Satz von Elektromagneten 204 statt eines Satzes von Permanentmagneten enthält. Jeder Elektromagnet umfasst einen Zahn, um den auf herkömmliche Weise eine Spule aus leitendem Draht gewickelt ist. Die Elektromagneten 204 sind nicht moduliert, sondern werden einfach durch Anlegen von Strömen an die Wicklungen jedes Elektromagneten angesteuert, die die Erzeugung eines feststehenden Gleichfelds bewirken, das mit dem durch die Permanentmagneten von 3 erzeugten funktional identisch ist. Bei Ansteuern der Elektromagneten weisen diese abwechselnde Nord- und Südpole zu dem sich bewegenden Ausgangsteil 202 auf. In einer einfachen Anordnung ist jeder zweite Zahn in Reihe gewickelt, um einen Satz zu bilden, der die Nordpole bereitstellen wird, und jeder verschachtelte Zahn ist in Reihe gewickelt, um einen zweiten Satz, der die Südpole bilden wird, zu bilden.
5 ist eine Ansicht einer dritten Ausführungsform 300 eines Linearaktuators gemäß einem Aspekt der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind der erste feststehende Teil 301 und der zweite feststehende Teil 302 hinsichtlich Form und Funktion mit jenen der ersten Ausführungsform identisch, jedoch ist, wie gezeigt wird, ein zusätzlicher dritter feststehender Abschnitt 303 vorhanden, der sich auf der gegenüberliegenden Seite des zweiten feststehenden Abschnitts 302 befindet, um einen zweiten Luftspalt zu definieren. Der Ausgangsabschnitt ist entlang seiner Länge zweigeteilt, um einen mittleren Spalt 304 zu bilden, der sich um den zweiten feststehenden Teil erstreckt. Dieser zweite feststehende Teil umfasst einen länglichen Träger für einen abwechselnden Satz von Nord- und Süd-Permanentmagnetpolen 309. Der Ausgangsteil kann deshalb als zwei parallele längliche Ausgangsabschnitte 305, 306 bildend betrachtet werden. Jeder der beiden länglichen Ausgangsteile trägt eine jeweilige Reihe von Polstücken 307, 308, wobei die beiden Reihen von Polstücken auf jeder Seite des Schlitzes 304 so angeordnet sind, dass sich ein Satz von Polstücken in einem Luftspalt zwischen dem ersten feststehenden Abschnitt und dem zweiten feststehenden Abschnitt befindet und sich ein anderer Satz von Polstücken in einem identischen Luftspalt zwischen dem zweiten feststehenden Abschnitt und dem dritten feststehenden Abschnitt befindet.
Indem der erste feststehende Abschnitt 301 und der dritte feststehende Abschnitt 303 identisch ausgeführt werden und die gleichen Stromwellenformen angelegt werden, die Luftspalte auf jeder Seite des zweiten feststehenden Abschnitts identisch ausgeführt werden und die beiden Reihen von Polstücken identisch ausgeführt werden, können die auf den Ausgangsabschnitt der Ausführungsformen der 3 und 4 wirkenden lateralen Kräfte beseitigt werden. Dies kann ein Weglassen der Lageranordnungen gestatten, da die ausgeglichenen Kräfte die Ausgangswelle sicher halten werden, wodurch im Gebrauch eine laterale Bewegung verhindert wird.
Natürlich kann die gleiche Wirkung mit nicht identischen Teilen erreicht werden, indem die an die Wicklungen jedes der feststehenden Teile angelegten Ströme dahingehend gesteuert werden, jegliche Variationen zu kompensieren. Ferner erkennt der Fachmann, dass die Permanentmagneten des zweiten feststehenden Abschnitts ohne wesentliche Änderung der Art und Weise, auf die der Aktuator funktioniert, gegen Elektromagneten ausgetauscht werden könnten, wie durch die zweite Ausführungsform aufgezeigt wird.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass viele Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung möglich sind. Während insbesondere die drei oben beschriebenen Ausführungsformen Magneten und Polstücke enthalten, die alle in einer Ebene liegen, könnten die Träger für die Magneten so angeordnet sein, dass die Magneten nicht alle in der gleichen Ebene liegen. Ein Beispiel für solch eine Konstruktion des Linearaktuators 400 wird in dem Querschnitt in 8 gezeigt, in dem der äußere feststehende Abschnitt 410 ein Rohr umfasst, das ringförmige Zähne 420 aufweist, die entlang seiner Bohrung beabstandet sind. Der sich bewegende Abschnitt 403 umfasst ein kleineres Rohr, das in den äußeren feststehenden Abschnitt passt. Das Rohr trägt ringförmige eisenhaltige Polstücke 404, die entlang seiner Länge beabstandet sind. Diese werden gestrichelt gezeigt. Ein zweiter feststehender Abschnitt 405 umfasst eine Stange, die sich in der Bohrung des sich bewegenden Abschnitts befindet und die feststehenden Magneten 406 trägt, die auch gestrichelt gezeigt werden. Die beiden feststehenden Abschnitte sind an einem Ende an einer Grundplatte 407 fixiert.
Ferner liegt für den Fachmann auf der Hand, dass der Begriff „linear“, der in dieser Schrift durchweg verwendet wird, eine translatorische Bewegung im Unterschied zu einer Drehbewegung entlang einer Linie eines Ausgangsteils abdecken soll und somit innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung sowohl eine Linearbewegung entlang einer Geraden als auch eine krummlinige Bewegung entlang einer gekrümmten Linie umfassen soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/125284 [0035]

Claims

Linearaktuator, umfassend: einen ersten feststehenden Abschnitt, der eine lineare Anordnung von Statorzähnen umfasst, die jeweils von einer oder mehreren Windungen eines elektrischen Drahts umgeben sind, eine Steuerung, die einen Satz von Strömen erzeugt, die an die Phasenwicklungen des ersten feststehenden Abschnitts angelegt werden, um ein Muster von magnetischen Polen entlang der Anordnung von Zähnen zu erzeugen, wobei der Abstand zwischen den Polen größer als der Abstand zwischen benachbarten Zähnen des ersten feststehenden Abschnitts ist, einen zweiten feststehenden Abschnitt, der einen abwechselnden Satz von magnetischen Polen umfasst, wobei der Abstand zwischen benachbarten Polen kleiner als der Abstand der durch die Steuerung erzeugten magnetischen Pole der ersten Anordnung ist, und einen beweglichen Ausgangsabschnitt, der eine lineare Anordnung von Polstücken umfasst, die sich entlang einer Länge des Ausgangsteils erstrecken, die größer als die Hublänge des Aktuators und länger als die Länge der feststehenden Abschnitte ist, wobei sich im Gebrauch eine Länge des beweglichen Ausgangsabschnitts zu jedem Zeitpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten feststehenden Abschnitt befindet, wobei die Polstücke, die sich zwischen den feststehenden Abschnitten befinden, den zwischen den Polen des ersten feststehenden Abschnitts und den Polen des zweiten feststehenden Abschnitts wirkenden magnetischen Fluss formen, und wobei die Steuerung dazu angeordnet ist, im Gebrauch eine lineare Bewegung des Ausgangsabschnitts durch Bewegen der magnetischen Pole des ersten feststehenden Abschnitts entlang der Anordnung zu erzeugen.
Linearaktuator nach Anspruch 1, wobei der erste feststehende Abschnitt zwei magnetische Pole definiert, der zweite feststehende Abschnitt mehr als zwei magnetische Pole definiert und die Polstücke den Fluss von den Polen der zweiten magnetischen Pole formen, um zwei magnetische Pole in dem Bereich zu erzeugen, in dem der Fluss von dem ersten feststehenden Abschnitt auf den Fluss von dem zweiten feststehenden Abschnitt trifft.
Linearaktuator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Polstücke des Ausgangsteils eisenhaltige Metallpolstücke umfassen, die durch einen nicht eisenhaltigen Träger gestützt werden.
Linearaktuator nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der bewegliche Ausgangsabschnitt ein längliches Glied umfasst, das entlang einem Hauptteil seiner Länge einen konstanten Querschnitt aufweist.
Linearaktuator nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite feststehende Abschnitt eine lineare Anordnung von Permanentmagneten umfasst, wobei jeder Magnet einen Pol des zweiten feststehenden Abschnitts definiert.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite feststehende Abschnitt eine lineare Anordnung von Elektromagneten umfasst.
Linearaktuator nach einem vorhergehenden Anspruch, der ferner Folgendes umfasst: einen dritten feststehenden Abschnitt, der eine lineare Anordnung von Statorzähnen umfasst, die jeweils von einer oder mehreren Wicklungen eines elektrischen Drahts umgeben sind, wobei die Steuerung einen Satz von Strömen erzeugt, die an die Phasenwicklungen des dritten feststehenden Abschnitts angelegt werden, um entlang der Anordnung von Zähnen das gleiche abwechselnden Muster von magnetischen Polen wie bei dem ersten feststehenden Abschnitt zu erzeugen, und einen zweiten beweglichen Ausgangsabschnitt, der eine lineare Anordnung von Polstücken umfasst, wobei sich mindestens ein Teil des beweglichen Ausgangsabschnitt zwischen dem zweiten feststehenden Abschnitt und dem dritten feststehenden Abschnitt befindet.
Linearaktuator nach Anspruch 7, wobei die Anzahl und die Position der Polstücke des zweiten beweglichen Abschnitts der Anzahl und der Position der Polstücke des ersten beweglichen Ausgangsabschnitts entsprechen und den zwischen den Polen des dritten feststehenden Abschnitts und den Polen des dritten feststehenden Abschnitts wirkenden magnetischen Fluss formen.
Linearaktuator nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die beiden beweglichen Ausgangsabschnitte mechanisch verbunden sind oder aus einem einzigen einteiligen Glied gebildet sind.
Linearaktuator nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei alle der feststehenden Abschnitte und sich bewegenden Abschnitte in einer einzigen Ebene liegen, wobei jede Anordnung geradlinig ist.
Linearaktuator zur Verwendung mit einer Steuerung zum Bilden einer Linearaktuatorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Aktuator Folgendes umfasst: einen ersten feststehenden Abschnitt, der eine lineare Anordnung von Statorzähnen umfasst, die jeweils von einer oder mehreren Windungen eines elektrischen Drahts umgeben sind, einen zweiten feststehenden Abschnitt, der einen abwechselnden Satz von magnetischen Polen umfasst, und einen beweglichen Ausgangsabschnitt, der eine lineare Anordnung von Polstücken umfasst, die sich entlang einer Länge des Ausgangsteils erstrecken, die größer als die Hublänge des Aktuators und länger als die Länge der feststehenden Abschnitte ist, wobei sich im Gebrauch eine Länge des beweglichen Ausgangsabschnitts zu jedem Zeitpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten feststehenden Abschnitt befindet, wobei die Polstücke, die sich zwischen den feststehenden Abschnitten befinden, den zwischen den Polen des ersten feststehenden Abschnitts und den Polen des zweiten feststehenden Abschnitts wirkenden magnetischen Fluss formen.