DE19839784A1 - Synchronmotor mit beweglichem Teil mit Permanentmagneten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Konstruktion eines Synchronmotors mit einem beweglichen Teil mit Permanentmagneten, spezieller eine Motorkonstruktion, die vorzugsweise ein Linearmotor ist.

Fig. 11 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen fein­ einstellbaren Linearmotors mit Permanentmagneten.

Die Zahl 3 kennzeichnet einen Schlitten, der einen bewegli­ chen Teil 7 bildet, und mit 7 ist einer von Schlitzen am Schlitten 3 gekennzeichnet, die einzeln mit S1 bis S12 ge­ kennzeichnet sind. Eine bipolare, dreiphasige Wechselstrom­ wicklung, die gemeinsam für einen derartigen Induktions-Ro­ tationsmotor verwendet wird, ist so gewickelt, daß sie in jedem Schlitz in einer Linie ausgerichtet ist. Fig. 3 veran­ schaulicht ein Beispiel des Wicklungsdiagramms. R, S und T sind Anschlüsse dreiphasiger Wechselstromwicklungen, und N ist der Nullpunkt. Die Zahl 15 in Fig. 11 bezeichnet einen Zahn am Schlitten 3. Die Breite des Vorderendes eines jewei­ ligen Zahns 15 entspricht beinahe derjenigen jeweiliger Öff­ nungen der Schlitze 7, so daß sich der magnetische Wider­ stand entsprechend einer Bewegung des Schlittens 3 in der durch den Pfeil dargestellten Richtung, d. h. in der Rich­ tung von einer Seite eines Stators 1 zur anderen, abwech­ selnd zwischen hoch und niedrig ändert.

An der Oberfläche des Stators 1 sind mit regelmäßigen Inter­ vallen abwechselnd Pole N und S von Permanentmagneten ange­ ordnet.

Gemäß der Flemingschen Regel wird die durch eine einzelne Windung an einem Motor erzeugte Kraft F wie folgt hergelei­ tet:

F = B.I.L,

wobei B die Magnetflußdichte ist, I der elektrische Strom ist und L die wirksame Länge einer elektrischen Leitung ist. Die Motorleistung P ist wie folgt repräsentiert:

P = F.dX/dt,

wobei X der Weg in der Bewegungsrichtung des Schlittens ist und dX/dt die Geschwindigkeit desselben ist.

Wenn die Spannung als V angenommen wird, ist die Leistung P wie folgt repräsentiert:

P = V.I = dΦ/dt.I,

wobei Φ die Flußkopplung einer einzelnen Windung ist. Wenn innerhalb eines Linearmotors auftretende Schwankungen der magnetischen Energie vernachlässigt werden, führen die obi­ gen beiden Formeln zu Folgendem:

P = F.dX/dt = dΦ/dt.I.

Infolgedessen gilt für die von einem Linearmotor erzeugte Schubkraft F das Folgende:

F = dΦ/dX.I.

D. h., daß die von einem Linearmotor erzeugte Schubkraft F proportional zur Ortsänderungsrate dΦ/dx des Magnetflusses Φ wie durch Kopplung bezüglich einer Wicklung erzeugt, ist.

Zum Beispiel im Fall einer Schlitten-Stator-Konstruktion, die identisch mit der in Fig. 11 dargestellten ist, jedoch einen Linearmotor vom Bipolar-Permanentmagnet-Typ enthält, was nicht dargestellt ist, wird abgeschätzt, daß das er­ zeugte Drehmoment T (Ortsänderungsrate dΦ/dX des Magnetflus­ ses Φ, wie durch Kopplung gegen eine Wicklung erzeugt) ein­ fach proportional zum Magnetfluß B ist.

Der in Fig. 11 dargestellte Linearmotor wird hier auf die­ selbe Weise wie oben angegeben betrachtet. Es sei z. B. an­ genommen, daß durch die Schlitze S2 und S8 eine einzelne Windung gewickelt ist, und zwar bei S2 in der Richtung von der Ober- zur Unterseite der Papierebene gemäß Fig. 11, da­ gegen von unten nach oben bei S8. Wenn die Ortsänderungsrate der Flußkopplung Φ gegenüber der vom Schlitz S2 zum Schlitz S8 gewickelten Wicklung in diesem Fall durch dΦ/dx ≈ ΔΦ/ΔX repräsentiert wird, ruft eine infinitesimale Verstellung ΔX des Schlittens nach rechts eine infinitesimale Änderung ΔΦ des Magnetflusses als Zunahme des Magnetflusses des Pols N hervor, entsprechend der infinitesimalen Positionsänderung ΔX an jedem Zahn zwischen den Schlitzen S2 und S8 des Schlittens. Im Ergebnis wird eine hohe Änderungsrate dΦ/dX des Magnetflusses entsprechend der Position der Wicklung er­ zeugt.

Demgemäß zeigt die Ortsänderungsrate dΦ/dX des Magnetflusses Φ gemäß der einfachen Theorie eine fünf- oder sechsfache Zu­ nahme im Vergleich zum Fall beim oben genannten Linearmotor vom Bipolar-Permanentmagnet-Typ, was entsprechend auch für die erzeugte Schubkraft gilt. Es wurde ausgeführt, daß ein fein-einstellbarer Linearmotor seinem Prinzip nach durch die Erzeugung einer hohen Schubkraft gekennzeichnet ist. Jedoch erschweren Effekte durch Begrenzungen der Ansteuerfrequenz und der Wicklungsinduktivität im Allgemeinen einen Antrieb eines Linearmotors mit hoher Geschwindigkeit, da die Ansteu­ erfrequenz für steuerbaren Antrieb bei diesem Beispiel unge­ fähr das Sechsfache wird.

Beim in Fig. 11 dargestellten Linearmotor besteht das Pro­ blem, daß der Magnetfluß der jeweiligen Permantenmagnete nicht wirkungsvoll genutzt ist. Zum Beispiel sei der Magnet­ fluß betrachtet, wie er am vorstehenden Pol des Schlittens an der Position zwischen den Schlitzen S2 und S3 auftritt, wobei der vorstehende Pol des Schlittens dem Magnetpol N eines Permanentmagnets über einen kleinen Spalt gegenüber­ steht. Dies führt dazu, daß der Magnetfluß des Pols N am vorstehenden Pol des Schlittens erscheint, mit gleichzeiti­ ger Beeinflussung durch viele Komponenten, die den Magnet­ fluß zwischen dem Magnetpol N und dem Pol S wegen eines Streuflusses vom benachbarten Pol S zu jeder Seite des Pols N über einen unmagnetischen Teil wie den Spalt zwischen den vorstehenden Polen des Schlittens schließen. Derjenige An­ teil des Magnetflusses, der den Magnetpol S innerhalb des Magnetflusses des Magnetpols N schließt, wird bei einem An­ triebsvorgang nicht genutzt. Demgemäß bewirkt die Unmöglich­ keit einer vollständigen Nutzung des Magnetflusses des Ma­ gnetpols N am vorstehenden Pol des Schlittens an der Positi­ on zwischen den Schlitzen S2 und S3, wobei dasselbe für die anderen jeweiligen vorstehenden Pole des Schlittens gilt, daß kein ausreichender effektiver Magnetfluß erzielt wird. Im Ergebnis führt dies zum Problem, daß der Schub eines Motors selbst dann abnimmt, wenn der Motor geeignet mit Energie versorgt wird.

Nachfolgend wird der Streufluß des Magnetpols S mittels der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagnets erläutert. Die in Fig. 12 dargestellte Linie B0 bis H0 ist ein charak­ teristisches Beispiel hinsichtlich der typischen Magnet­ flußdichte B und der magnetomotorischen Kraft H eines Sel­ tenerdmagnets. Der Arbeitspunkt des Pols N eines Magnets, der dem vorstehenden Pol des Schlittens zwischen den Schlit­ zen S2 und S3 gegenübersteht, ist OP1. An diesem Punkt wirkt die magnetomotorische Kraft H1 hauptsächlich als magnetomo­ torische Kraft auf einen Luftspaltteil, und die zugehörige Magnetflußdichte ist B1. Andererseits liegt der Arbeits­ punkt der benachbarten Magnetpole zu jeder Seite des Pols N bei OP2. An diesem Punkt wirkt, da in einem unmagnetischen Teil wie einem Spalt zwischen den Schlitzen S2 und S3 ein Streufluß erzeugt wird, eine hohe magnetomotorische Kraft H2, und die zugehörige Magnetflußdichte ist B2. Der Teil B2 schließt den Magnetfluß zwischen benachbarten Magneten und dient einem Linearmotor nicht wirkungsvoll. Infolgedessen ist der für den Linearmotor wirkende Magnetfluß derjenige, der der Differenz B1 minus B2 der Magnetflußdichten ent­ spricht. Abhängig von der Konstruktion eines Linearmotors variiert der Wert des Magnetflusses, jedoch kann der Wert von B2 häufig mehr als die Hälfte desjenigen von B1 ausma­ chen, so daß in vielen Fällen der halbe Teil der Kraft ei­ nes Permanentmagnets nicht genutzt werden kann.

Eines der anderen Probleme besteht darin, daß die maximale Magnetflußdichte in einem Magnetpolteil am Stator nur 1,0 Tesla beträgt, wenn ein Seltenerdmagnet, dessen Restfluß­ dichte hoch ist, verwendet wird, im Gegensatz zum Fall eines vorstehenden Pols am Schlitten aus magnetischem Stahl, der einen Wert von 1,7 Tesla aufweist, und Beschränkungen hin­ sichtlich der Konstruktion des Stators stören eine Erhöhung der Magnetflußdichte. Entsprechend einer Erhöhung der Ma­ gnetflußdichte in jedem Magnetpol des Stators ist eine Zu­ nahme des Motordrehmoments zu erwarten.

Ein anderes Problem besteht darin, daß dann, wenn der An­ triebsbereich eines Linearmotors lang ist, die Kosten des­ selben wegen eines teuren, am Stator anzubringen Permanent­ magnets erhöht sind, wobei die Kosten proportional zum An­ triebsbereich zunehmen.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß dann, wenn ein Li­ nearmotor bei einem Vorschubantrieb einer Werkzeugmaschine usw. verwendet wird, der Ort mit dem angebrachten Permanent­ magnet sorgfältig abgedeckt sein muß, um zu vermeiden, daß in der Umgebung vorhandener Stahlstaub anhaftet. Auch dies erhöht die Kosten wegen der aufwendigen Abdeckung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kraft jedes Permanentmagnets innerhalb eines gesamten Linearmotors wir­ kungsvoll zu nutzen.

Diese Aufgabe ist durch die Synchronmotoren gemäß den beige­ fügten unabhängigen Ansprüchen 1, 3 und 5 gelöst.

Ein erfindungsgemäßer Motor verfügt über gemeinsame N-Ma­ gnetjoche, die mit einem jeweiligen Pol N eines zugehörigen Permanentmagnets verbunden sind, sowie entsprechende gemein­ same S-Magnetjoche.

Eine Ausführungsform der Erfindung verfügt durch variable Schrittweite der Magnetpole am Schlitten hinsichtlich der Schrittweite größerer Teile und kleinerer Teile betreffend den magnetischen Widerstand an einem Stator über Nonius- oder Feineinstell-Konstruktion.

Eine weitere Ausführungsform verfügt über magnetische Hilfs­ nordpole, die benachbarte magnetische Nordpole verbinden, und entsprechende magnetische Hilfssüdpole.

Eine weitere Ausführungsform verfügt über einen Schlitten mit einem gemeinsamen Permanentmagnet, der gemeinsam mit jedem Magnetpolschlitten verbunden ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Schlitten ge­ schaffen, bei dem die Wicklung an einer Position angebracht ist, an der die oben genannte Wirkung eines Magnetkreises durch die Wicklung nicht gestört wird.

Durch das Erzeugen eines gemeinsamen Magnetkreises für einen Magnetpol N bzw. einen Magnetpol S durch ein Magnetjoch wer­ den die magnetomotorischen Kräfte jeweiliger Magnetpole an einem Statorteil beinahe einander gleich. Infolgedessen kann der in einem unmagnetischen Teil wie einem Spalt oder einem Hohlraum vorhandene Magnetfluß grob proportional zum dort vorhandenen magnetischen Widerstand sein. Dies bedeutet, daß der nachteilige Effekt verringert werden kann, gemäß dem durch die Wirkung einer hohen magnetomotorischen Kraft dort, wo der magnetische Widerstand hoch ist, ein großer Streufluß entsteht, wie bei bekannten Motoren.

Es ist mögliche eine hohe Magnetflußdichte von 1,7 Tesla durch elektromagnetischen Stahl als Material für die Magnet­ pole des Stators zu erzielen.

Um einen Permanentmagnet gemeinsam für jeden Magnetpol zu verwenden und eine Magnetflußdichte zu verwenden, deren Wert nahe bei der Sättigungsflußdichte von magnetischem Stahl liegt, ist es erforderlich, einen Magnetkreis eines Pols N, einen solchen eines Pols S und ein isolierendes Teil auf wirkungsvolle Weise innerhalb eines Schlittens zu posi­ tionieren. Jedoch bestand das Problem, daß der Raum inner­ halb eines Schlittens nicht wirkungsvoll genutzt werden konnte. Genauer gesagt, war, um eine Magnetflußdichte zu schalten, wie sie an einem vorstehenden Teil eines Schlit­ tens zwischen einem Magnetpol N und einem Magnetpol S auf­ tritt, und um einen Wert nahe bei 1,7 Tesla zu erzielen, nicht ausreichend Raum für den Induktionsmagnetpfad vorhan­ den, um Magnetfluß von jedem Magnetpolteil an der Oberflä­ che eines Schlittens für ein gemeinsames Magnetjoch für den Pol N und den Pol S zu induzieren.

Als Gegenmaßnahme schafft die Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Magnetflußdichte, das wirkungsvoll wirkt, jedes Magnetpolteils an einer Schlittenoberfläche unter Ver­ wendung der obengenannten Konstruktion eines Motors. Gemäß einem Beispiel bilden, wenn ein Magnetfluß 100 in einem be­ stimmten Teil einer Schlittenoberfläche erforderlich ist, eine Anzahl einzelner Permanentmagnete, die nahe an dieser Schlittenfläche liegen, 50 Teile, und andere einzelne Perma­ nentmagnete, die an einer anderen Stelle positioniert sind, liefern die anderen 50 Teile über ein gemeinsames Magnetjoch und den magnetischen Induktionspfad, der Teil des Jochs ist. Ein derartiger Effekt ermöglicht es, daß der magnetische Induktionspfad nur den halben Teil des Magnetflusses führt, wie er an der Schlittenoberfläche erforderlich ist. Dies führt zur Erzeugung eines großen Magnetflusses an der Schlittenoberfläche und ergibt die Erzeugung eines großen Schubs.

Darüber hinaus ist der durch einen Schlitten erzeugte Ma­ gnetfluß weiter erhöht, wenn ein gemeinsamer Permanentma­ gnet zwischen einem gemeinsamen N-Magnetjoch und einem ge­ meinsamen S-Magnetjoch vorhanden ist. Obwohl die Konstruk­ tion eines erfindungsgemäßen Linearmotors etwas komplizier­ ter als die des in Fig. 11 dargestellten herkömmlichen Li­ nearmotors ist, wobei die Tendenz besteht, daß viel Streu­ fluß innerhalb eines Schlittens entsteht, kompensiert die Konstruktion den Streufluß und sorgt dafür, daß der Motor mehr Schub erzeugt.

Dadurch, daß sowohl die Permanentmagnete als auch die Wick­ lungen auf der Seite des Schlittens angeordnet sind, ist zu­ sätzlich zu einem Kostenvorteil eine Verbesserung hinsicht­ lich der Beständigkeit gegen Umweltbedingungen erzielt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren ver­ anschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Linearmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Linearmotors von Fig. 1 entlang einer Linie A-B;

Fig. 3 ist ein Beispiel, das ein Wicklungsdiagramm des Li­ nearmotors von Fig. 1 zeigt;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Linearmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Linearmotors von Fig. 4 entlang einer Linie C-D;

Fig. 6 zeigt zwei Schnittansichten des Linearmotors von Fig. 4 entlang Linien E-F und G-H;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Linearmotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 8 ist eine Schnittansicht des Linearmotors von Fig. 7 entlang einer Linie I-J;

Fig. 9 ist eine Schnittansicht des Linearmotors von Fig. 7 entlang einer Linie K-L;

Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Linearmotors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 11 ist eine Schnittansicht eines Linearmotors gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 12 ist ein Funktionscharakteristikdiagramm hinsichtlich des Magnetflusses B und der magnetomotorischen Kraft H eines Permanentmagnets.

In Fig. 1 bezeichnet 3 einen Schlitten, der einen bewegli­ chen Teil bildet, und 7 bezeichnet einen von Schlitzen am Schlitten 3, die im Einzelnen mit S1 bis S12 bezeichnet sind. Eine bipolare, dreiphasige Wechselstromwicklung, die gemeinsam für einen derartigen Induktions-Drehmotor verwen­ det wird, ist so aufgewickelt, daß sie in jedem Schlitz in einer Linie ausgerichtet ist. Fig. 3 zeigt ein konkretes Beispiel des Wicklungsdiagramms. R, S und T sind Anschlüsse der dreiphasigen Wechselstromwicklungen, und N ist der Null­ punkt, genau wie im Fall des in Fig. 11 dargestellten be­ kannten Linearmotors.

Der Schlitten 3 ist relativ kompliziert aufgebaut, und er verfügt über zwölf Sätze von Magnetpolen N und Magnetpolen S, die in der durch einen Pfeil gekennzeichneten Laufrich­ tung des Schlittens, anders gesagt, von einer Seite des Zei­ chenpapiers zur anderen, nebeneinander angeordnet sind. 4 bezeichnet einen Permanentmagnet, dessen Magnetisierungs­ richtung in der Richtung der schraffierten Linie zeigt und dessen magnetische Polarität in der Figur mit N und S ge­ kennzeichnet ist. Der Schlitten 3 besteht aus elektromagne­ tischem Stahl mit einem Laminataufbau in der Richtung recht­ winklig zur Laufrichtung des Schlittens 3, d. h. von oben nach unten auf dem Zeichenpapier, zusätzlich zu Permanentma­ gneten. Indessen besteht für das Material des Schlittens keine Beschränkung auf elektromagnetischen Stahl, sondern es kann ein beliebiges weichmagnetisches Material sein.

5 bezeichnet einen Magnetpol N, der als magnetischer Nordpol eines Stators 1 wirkt. Dieser magnetische Nordpol 5 ist auch Teil eines N-Magnetjochs und magnetisch mit allen anderen Nordpolen jedes Permanentmagnets gekoppelt. Das N-Magnetjoch ist in Fig. 1 durch eine durchgezogene Linie dargestellt, während ein entsprechendes S-Magnetjoch durch eine gestri­ chelte Linie dargestellt ist. 6 bezeichnet einen magneti­ schen Südpol S.

Wie der magnetische Nordpol 5 sind auch der magnetische Süd­ pol 6 und der Permanentmagnet 4 relativ kompliziert aufge­ baut. 8 in Fig. 2 bezeichnet, durch eine gestrichelte Linie umrandet, das N-Magnetjoch, mit dem ein magnetischer Nordpol 5 magnetisch gekoppelt ist, und 9 bezeichnet das ebenfalls durch eine gestrichelte Linie umrandete S-Magnetjoch, mit dem ein magnetischer Südpol 6 magnetisch gekoppelt ist. N-Magnet­ joche und S-Magnetjoche sind so angeordnet, daß sie magnetisch gegeneinander isoliert abwechselnd in der verti­ kalen Richtung von Fig. 2 liegen.

Der Stator 1 verfügt über vorstehende Pole 2 an seiner Ober­ fläche. Die Breite eines vorstehenden Teils entspricht bei­ nahe derjenigen eines vertieften Teils, und der magnetische Widerstand in der Laufrichtung des Schlittens, gesehen von der Seite des Schlittens 3 aus, ändert sich abwechselnd zwischen niedrig und hoch.

Der Schlitten 3 verfügt über zwölf Sätze magnetischer Nord­ pole 5 und magnetischer Südpole 6, und die Gesamtbreite der zwölf Sätze ist dieselbe wie die von elf vorstehenden Polen des Stators, so daß eine Nonius- oder Feineinstell-Kon­ struktion vorliegt.

Das Grundfunktionskonzept des in Fig. 1 dargestellten Line­ armotors ist ähnlich demjenigen des in Fig. 11 dargestellten bekannten Linearmotors. Als Beispiel sei angenommen, daß eine einzelne Windung durch die Schlitze S2 und S8 gewickelt ist, und zwar bei S2 in der Richtung von der Oberseite zur Unterseite der Papierebene von Fig. 11, und bei S8 von unten nach oben. Wenn die Ortsänderungsrate hinsichtlich der Flußkopplung Φ gegen die vom Schlitz S2 zum Schlitz 8 ge­ wickelte Windung dΦ/dX ≈ ΔΦ/ΔX ist, bewirkt eine infinitesi­ male Verstellung ΔX des Schlittens nach rechts eine infini­ tesimale Änderung ΔΦ des Magnetflusses, und zwar als Zunahme des Magnetflusses des Pols N, entsprechend einer infinitesi­ malen Positionsänderung ΔX an jedem Zahn zwischen den Schlitzen S2 und S8 des Schlittens. Wenn daher der Magnet­ fluß an der Schlittenoberfläche als BS bezeichnet wird und die Breite des Schlittens in der Richtung rechtwinklig zur Papierebene als WS bezeichnet wird, ergibt sich ΔΦ/ΔX ≈ (5≃T6).BS.WS.ΔX/ΔX = (5≃6).BS.WS. D. h., daß die Änderungsrate der Magnetflußdichte das Fünf- bis Sechsfache der magnetischen Dichte BS ist, so daß sich die Eigenschaf­ ten einer Feineinstellkonstruktion zeigen. Eine andere Ei­ genschaft dieser Konstruktion besteht darin, daß eine Wel­ ligkeit der Schubkraft durch den Mittelungseffekt verringert ist, der darauf beruht, daß ΔΦ/ΔX durch die Summe mehrerer Phasen repräsentiert ist.

Es wird nun auf die magnetische Funktion Bezug genommen, ge­ mäß der jeder magnetische Nordpol 5 einen Magnetfluß an je­ den vorstehenden Pol 2 des Stators 1 liefert. Wo jedoch ein Magnetpol N nicht einem vorstehenden Pol des Stators gegen­ übersteht, liefern benachbart positionierte Permanentmagnete ihren Magnetfluß nicht an den Spaltteil mit hohem magneti­ schem Widerstand, sondern an andere vorstehende Pole, die dem magnetischen Nordpol 5 gegenüberstehen, wobei über das N-Magnetjoch niedriger magnetischer Widerstand besteht. Je­ der magnetische Südpol 6 arbeitet symmetrisch zu einem ma­ gnetischen Nordpol 5 auf dieselbe Weise wie dieser. Infolge­ dessen wird der von jedem Permanentmagnet 4 erzeugte Magnet­ fluß über die N- und S-Magnetjoche wirkungsvoll an jeden vorstehenden Pol 2 des Stators 1 geliefert.

Betreffend die in Fig. 12 dargestellte BH-Charakteristik eines Permanentmagnets liegt der Arbeitspunkt der jeweiligen Permanentmagnete 4 nahe an P1, weswegen ein großer, B1 ent­ sprechender Magnetfluß auf wirkungsvolle Weise seinen Ein­ fluß ausübt. Die Wahrscheinlichkeit, daß der Motor am Ar­ beitspunkt OP2 arbeitet und eine wesentliche magnetomotori­ sche Kraft H2 an einen Spaltteil mit hohem magnetischem Wi­ derstand liefert und einen B2 entsprechenden Magnetfluß er­ zeugt, der die Motorfunktion stört, wie im Fall des in Fig. 11 dargestellten bekannten Linearmotors, ist sehr gering.

Eine Anbringung der Wicklungen S1 bis S12 mit der durch die Schnittansicht in Fig. 1 angedeuteten Struktur ist schwie­ rig, und unten wird ein genaues Verfahren zum Anbringen von Windungen angegeben. Zum Beispiel wird der Schlitten 3 ent­ lang der gestrichelten Linie DM1 oder DM2 in eine obere und eine untere Seite unterteilt, und die beiden Seiten werden nach dem Anbringen von Windungen verbunden. Zum Verbinden können verschiedene Maßnahmen verwendet werden, wie ein Ver­ schrauben zwischen Befestigungsplatten, die auf beide Seiten des Schlittens 3 aufgesetzt sind. Es ist wirkungsvoll, die Konstruktion so aufzubauen, daß sie Schubkräften standhält, die in der Laufrichtung des Schlittens wirken, und zwar durch Formen eines vorstehenden Teils und eines vertieften Teils an jeder Seite gegen die Laufrichtung, an der Verbin­ dungsstelle zwischen diesen. Auf ähnliche Weise ist es mög­ lich, elektromagnetischen Stahl an der Übergangsstelle zwi­ schen dem Schlitten 3 und dem Stator 1 als vorstehenden Teil und vertieften Teil in der Richtung rechtwinklig zur Papie­ rebene auszubilden, damit sie der gegenseitigen Anziehungs­ kraft standhalten.

Da die Tendenz besteht, daß die Festigkeit an einer Stelle um einen Permanentmagnet herum, wo mehrere Teile zusammen­ gebaut sind, gering ist, ist es wirkungsvoll, eine SUS-Plat­ te an Stellen zwischen dem elektromagnetischen Stahl einzu­ setzen. In diesem Fall sollte die SUS-Platte eine minimale Anzahl von Löchern aufweisen, um ihre Festigkeit zu behal­ ten.

Gemäß dem Wicklungsdiagramm von Fig. 3 weist der in Fig. 1 dargestellte Linearmotor eine dreiphasige Wicklung aus zwei Sätzen von Wicklungen in jeder Phase auf, jedoch ist es auch möglich, eine Konvergenzwicklung mit drei Wicklungssätzen und sechs Schlitzen zu verwenden. Dies vereinfacht die Wick­ lungsstruktur. Dabei ist es möglich, zwei oder drei von meh­ reren vorstehenden Polen an der Oberfläche eines Magnetpols N und eines Magnetpols S zu formen, um die elektromagneti­ sche Wirkung zu verdoppeln. In diesem Fall muß die Schritt­ weite der mehreren vorstehenden Pole ungefähr den Wert der Schrittweite der Magnetpole N am in Fig. 1 dargestellten Schlitten haben.

Obwohl beim ersten Ausführungsbeispiel nur eine dreiphasige Wechselstromwicklung ,dargestellt ist, können auch z. B. zweiphasige, vierphasige oder fünfphasige Wechselstromwick­ lungen verwendet werden.

Es wurden Permanentmagnete 4 genannt, die in abwechselnden Zwischenräumen zwischen einem Magnetpol N und einem Magnet­ pol S angeordnet sind, jedoch ist es möglich, sie in den als Spalt in Fig. 1 dargestellten Räumen anzuordnen, um den Ma­ gnetfluß weiter zu erhöhen.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen auf der Seite des Schlittens vorhanden, jedoch können sie auch auf der Seite des Stators vorhanden sein.

Darüber hinaus betrifft das erläuterte Ausführungsbeispiel einen Linearmotor, jedoch ist es durch Verformung in Kreis­ form auch möglich, das Ausführungsbeispiel bei einem Dreh­ motor anzuwenden.

Das Grundkonzept des in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Linearmotors ist identisch mit dem des in Fig. 1 dargestellten Motors. Im Ge­ gensatz zum anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Motor sind magnetische Zusatznordpole 12 und magnetische Zusatzsüdpole 10 hinzugefügt, die in den Fig. 4 und 5 erkennbar sind. Beim Linearmotor gemäß den Fig. 1 und 2 folgen die Magnetpole am Schlitten von der Oberseite zur Unterseite des Zeichenpa­ piers nicht aufeinander, jedoch ist der Linearmotor gemäß den Fig. 4 und 5 so aufgebaut, daß die Magnetpole am Schlitten in der Laufrichtung desselben aufeinanderfolgen. Zwei Schnitte hierzu sind in Fig. 6 dargestellt. Das Magnet­ joch des Schlittens 3 besteht aus aufeinander laminierten elektromagnetischen Stahlplatten erforderlicher Form, die durch eine Presse in der Richtung von oben nach unten in Fig. 4 gestanzt werden. 11 bezeichnet ein Verstemmteil zum automatischen Aufeinanderlaminieren elektromagnetischer Stahlplatten mittels einer Presse, und es ist wie folgt auf­ gebaut: um die elektromagnetischen Stahlplatten gegeneinan­ der zu verbördeln und aneinander zu befestigen, bearbeitet eine Presse ungefähr die halbe Dicke einer Kreisform mit einem Verstemmteil zum Befestigen elektromagnetischer Stahl­ platten aneinander.

Hinsichtlich der Herstellung ist es von Nutzen, jeweils einen kleinen Teil des Schlittens zu belassen, ohne daß je­ weilige magnetische Nordpole 5 und magnetische Südpole 10, wie in Fig. 4 dargestellt, getrennt sind. Dies verhindert, daß einzelne Teile der elektromagnetischen Stahlplatten beim Verstemmen durch eine Presse verschoben werden, was Vorteile bei der Verarbeitung und beim Zusammenbau hat. Die Verbindung jeweiliger Teile eines Schlittens ist für die elektromagnetische Funktion nicht erforderlich, und dies ist dem Magnetpfad ziemlich abträglich, da der Magnetfluß jedes Magnetpols durch die Verbindung ausleckt.

Beim in Fig. 4 dargestellten Linearmotor ist wegen der hin­ zugefügten magnetischen Hilfsnordpole 12 und Hilfssüdpole 10 der magnetische Widerstand im Schlitten kleiner als beim in Fig. 1 dargestellten Motor. Demgemäß wird bei dieser Kon­ struktion der Magnetfluß jedes Permanentmagnets 4 jedem Ma­ gnetpol am Stator 2 wirkungsvoll zugeführt, und der Schub des Linearmotors ist erhöht.

Das Grundkonzept des durch die Fig. 7 bis 9 veranschaulich­ ten dritten Ausführungsbeispiels ist dasselbe wie das des in Fig. 4 dargestellten Linearmotors, jedoch sind am Ort nahe der Schlittenoberfläche keine einzelnen Permanentmagnete 4 angebracht, sondern es ist ein aus Fig. 9 erkennbarer ge­ meinsamer Permanentmagnet 13 zum Ersatz zwischen einem N-Magnet­ joch 8 und einem S-Magnetjoch 9 innerhalb eines Schlittens angebracht.

Die Funktion dieses Motors ist ähnlich derjenigen der in den Fig. 1 und 4 dargestellten Motoren, und der im Schlitten an­ gebrachte gemeinsame Permanentmagnet 13 liefert Magnetfluß an jeden magnetischen Nordpol 5, jeden magnetischen Hilfs­ nordpol 12, jeden magnetischen Südpol 6 und jeden magneti­ schen Hilfssüdpol, 10. Im Vergleich mit den in den Fig. 1 und 4 dargestellten Linearmotoren benötigt der Linearmotor des dritten Ausführungsbeispiels weniger Permanentmagnete, so daß der Motor vereinfacht ist.

Gemäß einer anderen beispielhaften Modifizierung der Erfin­ dung handelt es sich um einen Linearmotor, wie er anhand der Fig. 4 und 5 beschrieben ist, jedoch ist zusätzlich ein Per­ manentmagnet 13 gemäß Fig. 9 vorhanden. Daher ist die Schnittansicht des Schlittens entlang seiner Laufrichtung diejenige gemäß Fig. 5, und seine Schnittansicht entlang der Linie E-F ist in Fig. 9 dargestellt. Da die jeweiligen Ma­ gnetpole N und S jedes erfindungsgemäßen Linearmotors kreuz­ weise und dicht beieinander verteilt sind, ist ihr jeweili­ ger Grenzbereich so aufgebaut, daß ein Spalt vorliegt, der den Magnetfluß erhöht und den Streufluß verringert. Jedoch kann wegen Konstruktionsbeschränkungen hinsichtlich der Spaltbreite usw. ein beachtlicher Streufluß auftreten. Bei einem Linearmotor gemäß Fig. 4, jedoch mit zusätzlichem Per­ manentmagnet 13 ist, hinsichtlich einer Kompensation des Streuflusses, durch den Permanentmagnet 13 der Streufluß verringert, und es wird Magnetfluß an jeden magnetischen Nordpol 5, jeden magnetischen Hilfsnordpol 12, jeden magne­ tischen Südpol 6 und jeden magnetischen Hilfssüdpol 10 par­ allel geliefert, und zwar hinsichtlich des Magnetkreises, wobei einzelne Permanentmagnete 4 an Orten nahe an der Schlittenoberfläche liegen. Dies erhöht den Magnetfluß an jedem Magnetpol und erhöht den vom Linearmotor erzeugten Schub.

Beim in Fig. 10 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors sind drei Sätze von Magnet­ polen eines Schlittens mit vier Sätzen aus Magnetpolen N und S jeweils an einem Schlitten 3 angebracht. Außerdem sind dreiphasige Wechselstromwicklungen um jeden Magnetpol eines Schlittens gewickelt. Wicklungen der Phase U sind durch Sym­ bole SU1 und SU2 in der Figur gekennzeichnet, solche der Phase V durch Symbole SV1 und SV2, und solche der Phase W durch Symbole SW1 und SW2. Jeder Schlittenmagnetpol einer jeweiligen Phase liegt an einer Phasenposition, die um 1200 gegen benachbarte Phasenpositionen verschoben ist. Elektro­ magnetischer Stahl des Schlittens 3, wie durch eine durchge­ zogene Linie gekennzeichnet, bildet ein N-Magnetjoch, und solcher, der durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist, bildet ein S-Magnetjoch. Ein gemeinsamer Permanentma­ gnet ist am magnetischen Hilfssüdpol 10, am magnetischen Hilfsnordpol und im Schlitten (nicht dargestellt) ange­ bracht. Der Linearmotor des vierten Ausführungsbeispiels hat im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen keine No­ niuskonstruktion, und er verfügt über Wicklungen jeweiliger Phasen, die so liegen, daß sie unabhängig von Magnetpolen sind. Dies hat den Vorteil, daß die Konstruktion einfach ist und die Herstellung leicht erfolgen kann.

Obwohl die Erfindung z. B. für einen dreiphasigen Wechsel­ strom-Linearmotor beschrieben wurde, sind Motoren anderer Phase, solche unter teilweiser Weglassung von Permanentma­ gneten oder solche mit geänderter Form vom Schutzumfang der Erfindung umfaßt.

Durch die Erfindung wird der Schub eines Linearmotors er­ höht, und zwar dank einer Verringerung der magnetomotori­ schen Kraft und des Magnetflusses, die die Wirkung des Li­ nearmotors stören, wobei die Funktion eines Permanentmagnets innerhalb eines begrenzten Raums, mit hoher Dichte, wir­ kungsvoll genutzt ist. Gleichzeitig werden eine Miniaturi­ sierung niedrige Kosten erzielt, und gleichzeitig werden in­ folge einer Zunahme des Schubs pro Wicklung ein hoher Wir­ kungsgrad und eine Verringerung der erzeugten Wärme erzielt.

Andererseits ist sogar ein Linearmotor mit großem Hub bil­ lig, da Permanentmagnete und Wicklungen nur auf der Seite des Schlittens vorhanden sind.

Jeder Magnetpol wird aus elektromagnetischem Stahl herge­ stellt, so daß die Flexibilität beim Entwurf eines Magnet­ kreises hoch ist. Dies ermöglicht es, nicht nur den Magnet­ fluß jedes Magnetpols bis zur Sättigungsdichte von Eisen zu erhöhen, was zu hohem Wirkungsgrad führt, sondern es können auch Ferritpermanentmagnete verwendet werden, die sehr bil­ lig sind, aber niedrige Magnetflußdichte aufweisen.

Im Allgemeinen zeigt ein Linearmotor, bei dem der Strom in Wicklungen den internen Magnetfluß des Linearmotors wesent­ lich ändert, wie bei einem Linearmotor vom Typ mit magneti­ schem Widerstand, die Eigenschaft, daß die Windungsindukti­ vität hoch ist und der Leistungsfaktor gering ist. Hinsicht­ lich eines erfindungsgemäßen Linearmotors sind durch den Wicklungsstrom erzeugte Schwankungen des Magnetflusses dem Grund nach gering, da der Magnetfluß beinahe ganz durch einen Permanentmagnet kontrolliert wird. Infolge dessen ist die Wicklungsinduktivität niedrig, der Leistungsfaktor ist hoch und eine elektrische Steuerung ist einfach.

Zusätzlich können Staubabdichtungsmaßnahmen gegen Stahlstaub relativ einfach erfolgen, da Permanentmagnete nur auf der Seite des Schlittens vorhanden sind.

Claims (5)

1. Synchronmotor mit:

• - einer Anzahl einzelner Permanentmagnete (4), die an der Innenseite eines beweglichen Teils (3) angebracht sind;
• - einem N-Magnetjoch (8), das im beweglichen Teil liegt und gemeinsam mit jedem Magnetpol N der mehreren einzelnen Per­ manentmagnete verbunden ist;
• - einem S-Magnetjoch (9), das im beweglichen Teil liegt und gemeinsam mit jedem Magnetpol S der mehreren einzelnen Per­ manentmagnete verbunden ist;
• - einem Magnetpol N (5) in Form eines vorstehenden Pols, der einen Teil des N-Magnetjochs bildet und am einem Stator (1) zugewandten Ort liegt;
• - einem Magnetpol S (6) in Form eines vorstehenden Pols, der einen Teil des S-Magnetjochs bildet und entlang der Lauf­ richtung des beweglichen Teils zwischen den Magnetpolen N liegt;
• - einer dreiphasigen Wechselstromwicklung, die auf solche Weise gewickelt ist, daß sie den Magnetpolen N und S ent­ spricht und an der Innenseite des beweglichen Teils ange­ bracht ist; und
• - dem Stator (1), der über Teile mit hohem magnetischem Wi­ derstand und solche mit niedrigem magnetischem Widerstand verfügt, die abwechselnd in der Laufrichtung des beweglichen Teils liegen und deren Schrittweite verschieden Ion der Schrittweite der am beweglichen Teil vorhandenen Magnetpole ist.

2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - einen magnetischen Hilfsnordpol (10), der zwei benachbarte Magnetpole N (5) verbindet; und
• - einen magnetischen Hilfssüdpol (12) der benachbarte magne­ tische Pole S (6) verbindet;
• - wobei das N-Magnetjoch (8) und das S-Magnetjoch (9) ab­ wechselnd angeordnet sind.

3. Synchronmotor mit:

• - einem gemeinsamen Permanentmagnet (13), der jedem Magnet­ pol eines beweglichen Teils (3) gemeinsam ist und an der In­ nenseite des beweglichen Teils angebracht ist;
• - einem N-Magnetjoch (8), das im beweglichen Teil liegt und gemeinsam mit den Magnetpolen N des gemeinsamen Permanentma­ gnets verbunden ist;
• - einem S-Magnetjoch (9), das im beweglichen Teil liegt und gemeinsam mit den Magnetpolen S des gemeinsamen Permanentma­ gnets verbunden ist;
• - einem Magnetpol N (5) in Form eines vorstehenden Pols, der einen Teil des N-Magnetjochs bildet und am einem Stator (1) zugewandten Ort liegt;
• - einem Magnetpol S (6) in Form eines vorstehenden Pols, der einen Teil des S-Magnetjochs bildet und entlang der Lauf­ richtung des beweglichen Teils zwischen den Magnetpolen N liegt;
• - einer dreiphasigen Wechselstromwicklung, die auf solche Weise gewickelt ist, daß sie den Magnetpolen N und S ent­ spricht und an der Innenseite des beweglichen Teils ange­ bracht ist; und
• - dem Stator (1), der über Teile mit hohem magnetischem Wi­ derstand und solche mit niedrigem magnetischem Widerstand verfügt, die abwechselnd in der Laufrichtung des beweglichen Teils liegen und deren Schrittweite verschieden von der Schrittweite der am beweglichen Teil vorhandenen Magnetpole ist.

4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Permanentmagnet (13), der allen Magnetpolen des beweglichen Teils (3) gemeinsam ist, an der Innenseite des beweglichen Teils angebracht ist.

5. Synchronmotor mit:

• - Konvergenzmagnetpolen, die gegenüber einem Stator um je­ weils 1200 phasenmäßig versetzt sind und an der Innenseite eines beweglichen Teils (3) angebracht sind, wobei Teile vorhanden sind, deren magnetischer Widerstand hoch ist, und solche, deren magnetischer Widerstand niedrig ist;
• - dreiphasigen Wechselstromwicklungen, bei denen die Wick­ lung einer beliebigen Phase um jeden der Konvergenzmagnetpo­ le gewickelt ist;
• - einer Anzahl von Permanentmagneten, die an der Innenseite des beweglichen Teils angebracht sind;
• - einem N-Magnetjoch (5), das gemeinsam mit den Permanentma­ gneten an der Innenseite des beweglichen Teils verbunden ist;
• - einem S-Magnetjoch (6), das gemeinsam mit den Permanentma­ gneten an der Innenseite des beweglichen Teils verbunden ist; und
• - dem Stator (1), der über Teile mit hohem magnetischem Wi­ derstand und solche mit niedrigem magnetischem Widerstand verfügt, die abwechselnd in der Laufrichtung des beweglichen Teils liegen und deren Schrittweite verschieden von der Schrittweite der am beweglichen Teil vorhandenen Magnetpole ist.