DE3149214C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromlinearmotor mit einer einen ferromagnetischen Rückschluß aufweisenden Dauermagnetanordnung und einer mehrsträngigen Wicklung, die gegeneinander bewegbar sind, insbesondere für Antrie­ be in der Datentechnik, wobei die Wicklung aus mehreren in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, in zykli­ scher Folge mit Strom beaufschlagbaren Spulen besteht, die jeweils um einen Pol mindestens eines zusammen mit der Dauermagnetanordnung einen im wesentlichen ebenen Luftspalt bildenden, genuteten Flußführungsteils mit zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse über­ lappungsfrei herumgelegt sind, und wobei das Verhältnis von Spulenteilung zu Magnetteilung 2 : 3 beträgt, nach DE-PS 31 23 441.

Das Hauptpatent (DE-PS 31 23 441), auf des­ sen Inhalt vorliegend zur Vermeidung von Wiederholungen in vollem Umfang Bezug genommen wird, geht von einem be­ kannten Gleichstromlinearmotor (DE-OS 26 54 075) aus, bei dem auf der Innenseite mindestens einer von zwei parallelen ferromagnetischen Schienen eine Reihe von senkrecht zu der Längsrichtung und in dieser Richtung abwechselnd magnetisierten Magneten angeordnet ist. Ei­ ne relativ zu den Schienen bewegbare stromdurchflossene Spulenanordnung weist mindestens zwei zwischen der ei­ nen Magnetreihe und der anderen Schiene bzw. zwischen den Magnetreihen beider Schienen in Längsrichtung zuein­ ander versetzt angeordnete Flachspulen auf, deren Breit­ seiten parallel zur Spulenbewegungsrichtung liegen und deren Teilung bei dreisträngigem Motor zur Magnetteilung im Verhältnis 4 : 3 steht.

Mit der eingangs genannten Lösung des Hauptpatents wird ein Gleichstromlinearmotor erhalten, der sich mit klei­ nem Luftspalt und damit hoher Leistung besonders einfach aufbauen läßt. Auch bei dem Gleichstromlinearmotor des Hauptpatents werden jedoch von den in der Bewegungsrich­ tung außen liegenden Endflächen der Wicklungspole zusätz­ lich Magnetfelder eingefangen. Da beide Endflächen nur in bestimmten Stellungen der Wicklungspole zu den Magnet­ polen symmetrisch sind, entstehen relativ starke, die Bewegung des Läufers störende Reluktanzkräfte.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrphasigen Linearmotor mit ausgeprägten Wick­ lungspolen diese störenden Reluktanzkräfte mindestens teilweise zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der in der Bewegungsrichtung liegenden Sei­ ten der Endpole ferromagnetische Hilfspole angebracht sind. Mit Hilfe solcher Hilfspole lassen sich die Reluk­ tanzkräfte weitestgehend zum Verschwinden bringen.

Die Hilfspole können durch Verlängern des äußeren Teils der Endpolschuhe gebildet sein. Es ist aber auch möglich, als Hilfspole von den Wicklungspolen getrennte Pole vor­ zusehen. Im letztgenannten Fall können die Hilfspole zweckmäßig von nach außen bevorzugt rechtwinklig abge­ bogenen Enden eines U-förmigen ferromagnetischen Teils gebildet sein. Die Hilfspole können in Blickrichtung senkrecht zur Bewegungsebene des Läufers rechteckig aus­ gebildet sein. Als besonders günstig erwiesen sich aber Hilfspole, die in Bewegungsrichtung gesehen keilförmig ausgebildet sind. In bevorzugter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner der Luftspalt zwischen den Hilfspolen und den Polflächen der Dauermagnetanordnung keilförmig. Dabei kann die Aufbiegehöhe der Hilfspole zweckmäßig gleich dem 0,1- bis 0,5fachen, und vorzugs­ weise im wesentlichen gleich dem 0,2fachen, der Spulen­ teilung sein. Der Überstand der Hilfspole ist vorzugs­ weise gleich dem 0,8- bis 1,2fachen der Spulenteilung. Die Hilfspole können in der Bewegungsrichtung mit einem Krümmungsradius gekrümmt sein, der zweckmäßig gleich dem 0,2- bis 3fachen der Spulenteilung ist. Vorteilhaft kann der Schrägungswinkel der keilförmigen Hilfspole 10° bis 40° betragen, während der von den Hilfspolen und der Polfläche der Dauermagnetanordnung begrenzte mittlere Keilwinkel vorzugsweise zwischen 20° und 50° liegt.

Im übrigen sind wie auch bei dem Motor des Hauptpatents die Wicklungspole im Interesse einer wirkungsvollen mag­ netischen Flußführung vorzugsweise im wesentlichen T-för­ mig gestaltet. Die Magnetpolbreite ist in der Bewegungs­ richtung zweckmäßig mindestens gleich der Größe der Spu­ lenteilung, während die Wicklung vorzugsweise dreisträn­ gig ausgebildet ist.

Die Magnetanordnung kann feststehen, während der Läufer mindestens drei in der Bewegungsrichtung aufeinanderfol­ gende, jeweils eine Spule tragende Wicklungspole auf­ weist. In einem solchen Fall können mindestens zwei Läu­ fer-Flußführungsteile mit zugehörigen Spulen symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Magnetanordnung sitzen. Es kann aber auch nur ein Läufer-Flußführungsteil vorge­ sehen sein, das mit Bezug auf die Magnetanordnung und ei­ ne mit dem Läufer verbundene Last zweckmäßig so angeord­ net ist, daß der gemeinsame Schwerpunkt von Läufer und Last dem Luftspalt und/oder einer Läuferführungsbahn nä­ her liegt als der Lastschwerpunkt und der Läuferschwer­ punkt jeweils allein.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform kann die Magnetanordnung als Läufer ausgebildet sein. Beidsei­ tig des Läufers kann je eine Führungsstange vorgesehen sein, auf welcher der Läufer mittels einer Dreipunktab­ stützung gelagert ist, die vorzugsweise mit zwei in der Bewegungsrichtung des Läufers in Abstand voneinander an­ geordneten, mit der einen Führungsstange zusammenwirken­ den Doppelkegelrollen sowie einer mit der anderen Füh­ rungsstange zusammenwirkenden Zylinderrolle versehen ist. Für die Führung kann dabei die magnetische Zugkraft aus­ genutzt werden. Die Rollen lassen sich in einem Rahmen drehbar lagern, der auf der von den Rollen abgewendeten Seite der Führungsstangen eine Abfallsicherung, beispiels­ weise in Form von die Führungsstangen übergreifenden Na­ sen, trägt.

Der Motor kann kollektorlos ausgebildet sein, und es kann eine elektronische Kommutierungseinrichtung vorgesehen sein, mittels deren die Spulen in Abhängigkeit von der Lauferstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlag­ bar sind. Schließen in einem solchen Fall die einander abwechselnden Pole der Dauermagnetanordnung entlang der Bewegungslinie des Läufers mehr oder minder lückenlos aneinander an, kann die Kommutierungseinrichtung im di­ rekten Feld der Dauermagnetanordnung sitzende, magnet­ feldempfindliche Läuferstellungssensoren, beispielswei­ se Hallgeneratoren, Feldplatten, Magnetdioden, oder bi­ stabil schaltende Hall-IC, aufweisen. Grundsätzlich können aber auch optische oder mechanische Kommutierungs­ sensoren vorgesehen sein. Beispielsweise kann bei stehen­ der Magnetanordnung die Kommutierung über parallel in der Teilung der Magnete angeordnete Leitsegmente und drei Bürsten erfolgen, die in der Teilung der Spulen liegen, um auf diese Weise einen Linearkollektormotor zu erhalten.

Besonders günstig ist es, wenn die einander am Luftspalt gegenüberliegenden Lücken zwischen den Dauermagnetpolen und den Polen des genuteten Flußführungsteils nichtpa­ rallel sind, beispielsweise indem die Magnetpollücken oder die Nuten eine Schrägung aufweisen oder der Schrä­ gungswinkel der Magnetpollücken und der Nuten unterschied­ lich bemessen ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegen­ den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors,

Fig. 2 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 1 für eine Ausführungsform mit gesonderten Hilfspolen,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend der Linie III- III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 2,

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine Seitenansicht für eine weiter abge­ wandelte Ausführungsform,

Fig. 7 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 6, und

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 7.

Die in den Figuren veranschaulichten Linearmotoren sind dreisträngig aufgebaut. Die drei Wicklungsstränge werden jeweils von Spulen 10, 11, 12 gebildet, die überlappungs­ frei um je einen T-förmig gestalteten Wicklungspol 13, 13′ bzw. 13′′ eines genuteten Flußführungsteils 14 herum­ gelegt sind, bei dem es sich beispielsweise um ein Blech­ paket oder um einen Sinterkörper handeln kann. Polschu­ he 23, 23′, 23′′ der Pole 13, 13′, 13′′ begrenzen gemein­ sam mit einer Magnetanordnung 25 einen ebenen Luftspalt 26. Die Magnetanordnung 25 weist eine Folge von Magnet­ platten 27 auf, die in einer Richtung abwechselnd magne­ tisiert sind, welche sich senkrecht zu der Bewegungsrich­ tung eines im wesentlichen von dem Flußführungsteil 14 und den Spulen 10 bis 12 gebildeten Läufers 28 erstreckt.

In Fig. 1 sind die Spulenteilung mit T_sp und die Magnet­ teilung mit T_m bezeichnet. Diese Teilungen stehen im Ver­ hältnis 2 : 3. Die Magnetisierung hat in der Bewegungsrich­ tung des Läufers einen im wesentlichen rechteckigen oder trapezförmigen Verlauf. Die Dauermagnetpolbreite sollte mindestens eine der Spulenteilung T_sp entsprechende Ab­ messung haben. Über den Magnetplatten 27 sitzt ein ferro­ magnetischer Rückschluß 29. An Stelle der einzelnen Mag­ netplatten 27 kann auch ein entsprechend abwechselnd magnetisierter Dauermagnetstreifen vorgesehen sein. Für die Magnetanordnung 25 eignen sich u. a. kunststoffgebun­ dene Magnete oder sogenannte Gummimagnete, d. h. Mischun­ gen aus Hartferriten und elastischem Material. Es können aber auch Keramikmagnete oder Magnete aus Samariumkobalt vorgesehen sein.

Zur Strombeaufschlagung der Spulen 10, 11, 12 kann eine an sich bekannte (in der Zeichnung nicht dargestellte) elektronische Kommutierungseinrichtung (vergleiche bei­ spielsweise DE-OS 26 54 075) vorhanden sein. Als magnet­ feldempfindliche Läuferstellungssensoren eignen sich da­ bei Hallgeneratoren, Hall-ICs, Feldplatten, Magnetdioden und dergleichen, die unmittelbar im Feld der Magnetanord­ nung 25 sitzen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind zur Unterdrückung von störenden Reluktanzkräften die äußeren Teile der Pol­ schuhe 23′, 23′′ der Endpole 13′, 13′′ verlängert, wodurch Hilfspole 32, 33 gebildet werden. Bei der abgewandelten Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 sind die Polschu­ he 23 gleich aufgebaut. Als Hilfspole 34 sind von den Wick­ lungspolen 13 getrennte Pole an beiden in Bewegungs­ richtung liegenden Enden des Flußführungsteils 36 vorgesehen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Hilfspo­ le 34 in Blickrichtung senkrecht zur Läuferbewegungsebene bzw. zur Ebene des Luftspalts 26 rechteckig.

Im Falle der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 ist zusätzlich zu einem die Wicklungspole 13 bildenden Fluß­ führungsteil 37 ein das Flußführungsteil 37 zusammen mit den Spulen 10 bis 12 übergreifendes U-förmiges ferromag­ netisches Teil 45 vorgesehen. Dieses Teil 45 weist recht­ winklig nach außen gebogene, die Hilfspole 57, 58 bildende En­ den auf. Die Hilfspole 57, 58 sind, wie aus Fig. 5 hervorgeht, in Bewegungsrichtung gesehen keilförmig ge­ staltet.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 stimmt mit derjenigen nach den Fig. 4 und 5 mit der Ausnahme überein, daß die Hilfspole 59, 60 nicht parallel zu der ihnen zugewende­ ten Außenseite der Magnetplatten 27 verlaufen, sondern derart abgewinkelt sind, daß die Luftspalte 61, 62 zwi­ schen den Hilfspolen 59, 60 und den Polflächen der Mag­ netplatten 27 keilförmig sind.

Die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 ist wiederum weitgehend ähnlich derjenigen nach Fig. 6. Das U-förmige ferromagnetische Teil 45 ist zur Bildung der Hilfspole 63, 64 an seinen Enden mit einem Krümmungsradius R abge­ bogen, wobei der Überstand 1 der Hilfspole 63, 64 gleich dem 0,8- bis 1,2fachen der Spulenteilung T_sp und die Aufbiegehöhe h der Hilfspole gleich dem 0,1- bis 0,5fa­ chen und vorzugsweise im wesentlichen gleich dem 0,2fa­ chen der Spulenteilung T_sp ist. Der Krümmungsradius R kann zweckmäßig gleich dem 0,2- bis 3fachen der Spulen­ teilung T_sp sein, während der mittlere Keilwinkel α zweckmäßig zwischen 20° und 50° sowie der Schrägungswin­ kel β der symmetrisch keilförmigen Hilfspole 63, 64 zwi­ schen 10° und 40° betragen kann.

Es versteht sich, daß auch die Wicklung feststehen und der Läufer von der Dauermagnetanordnung gebildet sein kann. Der mechanische Aufbau kann im übrigen in der im einzelnen im Hauptpatent veranschaulichten und erläu­ terten Weise ausgelegt sein.

Claims (14)

1. Gleichstromlinearmotor mit einer einen ferromagneti­ schen Rückschluß aufweisenden Dauermagnetanordnung und einer mehrsträngigen Wicklung, die linear gegen­ einander bewegbar sind, insbesondere für Antriebe in der Datentechnik, wobei die Wicklung aus mehreren in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, in zykli­ scher Folge mit Strom beaufschlagbaren Spulen besteht, die jeweils um einen Pol mindestens eines zusammen mit der Dauermagnetanordnung einen im wesentlichen ebenen Luftspalt bildenden, genuteten Flußführungsteils mit zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse überlappungsfrei herumgelegt sind, und wobei das Ver­ hältnis von Spulenteilung zu Magnetteilung 2 : 3 beträgt, nach DE-PS 31 23 441, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der in der Be­ wegungsrichtung liegenden Seiten der Endpole (13′, 13′′) ferromagnetische Hilfspole (32, 33, 34, 57, 58, 59, 60, 63, 64) angebracht sind.

2. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hilfspole (32, 33) durch Verlängern des äußeren Teils der Endpolschuhe (23′, 23′′) gebildet sind.

3. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Hilfspole (34, 57, 58, 59, 60, 63, 64) von den Wicklungspolen (13, 13′, 13′′) getrennte Pole vorgesehen sind.

4. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hilfspole (57, 58, 59, 60, 63, 64) von nach außen abgebogenen Enden eines U-förmigen ferromagnetischen Teils (45) gebildet sind.

5. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hilfspole von dem U-förmigen ferro­ magnetischen Teil (45) rechtwinklig nach außen abge­ bogen sind.

6. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (34) in Blickrichtung senkrecht zur Bewegungsebene rechteckig sind.

7. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (57, 58, 59, 60, 63, 64) in Bewegungsrichtung gesehen keilför­ mig ausgebildet sind.

8. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (61, 62) zwischen den Hilfspolen (59, 60, 63, 64) und der Polfläche der Dauermagnetanordnung (25) keilförmig ist.

9. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ biegehöhe (h) der Hilfspole (59, 60, 63, 64) gleich dem 0,1- bis 0,5fachen und vorzugsweise im wesentlichen gleich dem 0,2fachen, der Spulenteilung (T_sp) ist.

10. Gleichstromlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (1) der Hilfspole (32, 33, 34, 57, 58, 59, 60, 63, 64) gleich dem 0,8- bis 1,2fachen der Spulenteilung (T_sp) ist.

11. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (63, 64) in der Bewegungsrichtung gekrümmt sind.

12. Gleichstromlinearmotor nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) der Hilfspole (63, 64) gleich dem 0,2- bis 3fachen der Spulenteilung (T_sp) ist.

13. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkel (β) der keilförmigen Hilfspole (57, 58, 59, 60, 63, 64) 10° bis 40° beträgt.

14. Gleichstromlinearmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Hilfspolen (59, 60, 63, 64) und der Polfläche der Dauermagnetan­ ordnung (25) begrenzte mittlere Keilwinkel (α) 20° bis 50° beträgt.