DE3128834A1 - "linearmotor" - Google Patents

Description

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Linearmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor, dessen Läufer und Ständer magnetische Zähne aufweisen, wobei der Läufer auf dem Ständer sich linear unter Beibehaltung eines konstant breiten Spaltes bewegen kann.

Die Hauptelemente, die zum Erzeugen der Vortriebskraft dieses Motors beitragen, sind im Ständer zahlreiche zahnförmige Teile aus magnetischem Material (im folgenden als "magnetische Zähne" bezeichnet), die in Längsrichtung des Ständers mit konstanter Teilung angeordnet sind, und im Läufer, ein oder mehrere Permanentmagneten, Spulen, die auf Kerne aufgewikkelt sind, die diese Permanentmagneten zwischen sich festlegen, und auf diesen Kernen ausgebildete Gruppen magnetischer Zähne. Wie erwähnt, weist dieser Motor magnetische Zähne auf dem Ständer, dem Läufer und dem Elektromagneten auf; er gehört also zu den Hybridmotoren. Insbesondere sind

Motoren, deren Ständer nur magnetische Zähne und deren Läufer Permanentmagneten und Elektromagneten mit magnetischen Zähnen aufweisen, als Beispiele der Linear-Schrittmotoren nach Sawyer bekannt.

Die Fig. 1 (insbesondere die Fig. 1a) zeigt das Prinzip dieser bekannten Linearmotoren. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Ständer mit zahlreichen magnetischen Zähnen 2, die entlang des Ständers mit konstanter Teilung verteilt sind. 3 ist ein Läufer, der aus einem Permanentmagneten 4, vier Gruppen magnetischer Zähne 5, 6, 7 , 8, den Kernen 9, 9 und den vierphasig verschalteten vier Spulen 10, 11, 12, 13 auf den Kernen 9, 9, besteht. Die vier Gruppen der magnetischen Zähne des Läufers 5, 6, 7, 8 sind um 90° gegeneinander phasenversetzt. Die Fig. 1b zeigt ein ausführlicheres Beispiel der Fig. 1a. In dieser Figur ist der Läufer kleiner ausgeführt, indem statt vier nur zwei Phasenspulen vorgesehen sind; dabei sind 14, 15 die beiden Phasenspulen. Fig. 1c zeigt eine dreiphasige Ausführung des Motors der Fig. 1a. In diesem Beispiel bezeichnen 16, 17, 18 die drei Gruppen von magnetischen Zähnen auf dem Läufer und die Zahngruppen sind untereinander um jeweils 120° versetzt; 19, 20, 21 bezeichnen die drei Phasenspulen. In den in den Fig. 1a, 1b, 1c dargestellten herkömmlichen Beispielen bewegt sich der Läufer 3 in Längsrichtung des Ständers 1, wenn

man die Spulen nacheinander erregt. Die grundsätzliche Arbeitsweise dieser Motoren ist bekannt und braucht daher hier nicht erneut ausgeführt zu werden.

Bei einem Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung ähneln die zur Erzeugung der Antriebskraft dienenden Komponenten denen in den obigen Beispielen, zeigen jedoch eine Besonderheit, die einen kleineren Körper und eine höhere Antriebskraft leichter zu erreichen gestatten als bei den herkömmlichen Beispielen, und zwar durch Verwendung einer neuartigen Form des magnetischen Flußkreises. Mit anderen Worten: Vergleicht man die Abmessungen des Motors mit denen in den herkömmlichen Beispielen aus Fig. 1, kann man einen größeren Permanentmagneten verwenden, so daß man ein höheres Gewichtsverhältnis des Permanentmagneten zum Läufer, folglich auch eine höhere Antriebskraft und daher ein verbessertes Verhältnis der Antriebskraft zum Gesamtgewicht erhält.

Was eine Vervielfachung der Phasen des Elektromagneten auf dem Läufer anbetrifft, wird bei den herkömmlichen Beispielen (Fig. 1c usw.) der Läufer in Längsrichtung des Ständers leicht sehr lang, kann im Fall der vorliegenden Erfindung hingegen weit kürzer und leichter bleiben. Insbesondere erhält man eine erhebliche Bewegungsstrecke, wenn der Läufer

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in Längsrichtung des Ständers kurz ist.

Im folgenden soll eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlich beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau konventioneller Linearmotoren;

Fig. 2-4 zeigen eine Ausführungsform eines Linearmotors nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt dabei den Läufer in einer perspektivischen und eine Schnittdarstellung im rechten Winkel zur Laufrichtung des Läufers;

Fig. 3 zeigt den Läufer in zwei verschiedenen Schnitten parallel zur Laufrichtung;

Fig. 4 ist eine schaubildliche Darstellung zur Erläuterung der Fig. 2 und 3;

Fig. 5 zeigt in einer Perspektive den Ständer einer weiteren Ausführungsform.

Fig.- 2 und 3 zeigen einen Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung. Dabei ist Fig. 2a eine Perspektivdarstellung, Fig. 2b ein Schnitt im rechten Winkel zur Laufrichtung des Läufers, d.h. zur Längsrichtung des Ständers, wie mit dem Pfeil gezeigt. Fig. 3a, 3b sind zwei verschiedene Schnitte parallel zur Längsrichtung des Ständers. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 21 den Ständer mit einer großen Anzahl magnetischer Zähne 22, die mit konstanter Teilung in Längsrichtung des Ständers ausgebildet sind, 23 einen Läufer auf einem Permanentmagneten, der in Längsrichtung des Ständers langgestreckt ausgeführt ist und dessen Magnetisierungsachse rechtwinklig zu dieser Richtung verläuft, zwei Kernen 29A, 29B, die den Permanentmagneten zwischen sich festlegen, drei auf die beiden Kerne 29A, 29B gewickelten 3-Phasen-Spulen 30a, 3 0b, 30c, drei Gruppen magnetischer Zähne 25a, 25b, 25c auf den ständerseitigen Flächen des Kerns 29A sowie drei Gruppen magnetischer Zähne 26a, 26b, 26c auf den ständerseitigen Oberflächen des Kerns 29B. Ein schmaler Spalt muß zwischen dem Ständer 21 und dem Läufer 23 aufrechterhalten werden. Zu diesem Zweck sind Führungen 31a, 31b vorgesehen, die den Luftspalt aufrechterhalten und den Läufer 23 in Längsrichtung des Ständers 21 (mit dem Pfeil I bezeichnet) beispielsweise mittels Rollen führen; sie sind jedoch zur Vereinfachung der Figuren (außer aus Fig. 2b) fortgelassen. In diesem Beispiel

sind die auf dem Ständer 21 ausgebildeten zahlreichen Magnetzähne 22 mit konstanter Teilung in Längsrichtung des Ständers angeordnet, wobei die Magnetzähne auf den Kernen 29A, 29B des Läufers zu drei Gruppen in jedem Kern, d.h. insgesamt sechs Gruppen aufgeteilt sind. Die Teilung der Magnetzähne jeder Gruppe ist gleich der der Magnetzähne 22 des Ständers 21; die Magnetzähne jeder Gruppe unterscheiden sich jedoch in der Phase.

Fig. 3a, b sind Schnitte parallel zur Längsrichtung des Ständers wie bereits erwähnt. Fig. 3a zeigt dabei im Schnitt den Kern 29A, die Fig. 3b den Kern 29B. Aus diesen beiden Schnitten ist unmittelbar zu ersehen, daß die Phasen der Magnetzahngruppen 25a, 25b, 25c des Kerns 29A um 120° gegeneinander verschoben sind, wie auch die Phasen der Magnetzahngruppen 26a, 26b, 26c des Kerns 29B. Die Phasen der Magnetzahngruppen der Kerne 29A, 29B sind ihrerseits um 180° gegeneinander verschoben, d.h. die Magnetzahngruppen 25a und 26a, 25b und 26b sowie 25c und 26c sind jeweils 180° gegeneinander verschoben. Die Spulen 30a, 30b, 30c sind jeweils auf die Kerne 29A, 29B gewickelt.

Der Läufer 23 läßt sich schrittweise in Längsrichtung des Ständers 21 bewegen, indem man die drei 3-Phasen-Spulen nacheinander erregt. Diese Bewegung läßt sich gleichmäßiger machen,

indem man die Spulen mit dreiphasigen Sinusströmen erregt, die untereinander jeweils 120° phasenverschoben sind. Die Bewegung eines herkömmlichen Linearmotors ist möglich, indem man diese Ströme mit Signalen aus einem Stellungsdetektor schaltet.

Wie sich aus der Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, ergibt, verläuft der Permanentmagnet des Läufers parallel zur Längsrichtung des Ständers, so daß das Volumen des Permanentmagneten dem Beispiel des Standes der Technik nach Fig. 1 gegenüber gröber sein kann. Weiterhin kann das Gewichtsverhältnis der Permanentmagenten zum Läufer erheblich höher sein, so daß man eine höhere Antriebskraft erhält. In diesem Beispiel ist ein 3-Phasenmotor gezeigt; die Läuferlänge kann jedoch dem Beispiel der Fig. 1c gegenüber kürzer gewählt sein, so daß die vorliegende Erfindung auch für mehrphasige Systeme vorteilhaft ist.

Es sollen im folgenden der Magnetflußkreis und die Art und Weise der Erzeugung der Antriebskraft für die in Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsform erläutert werden.

Fig. 4 zeigt ein elektrisches Modell der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung des magnetischen

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Flußkreises. In der Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 44 den Permanentmagneten 24 als magnetische "Batterie", während die Permeanzen 45a, 45b, 45c, 46a, 46b, 46c die Spalte zwischen den Magnetzahngruppen 25a, 25b, 25c, 26a, 26b, 26c des Läufers und den Magnetzähnen 22 des Ständers 21 darstellen. Es sei jedoch angenommen, daß die magnetischen Widerstände der Kerne 29A, 29B und des Ständers 21 gleich null sind. 3OA, 3OB, 3OC bezeichnen im Modell die drei 3-Phasen-Spulen 30a, 30b, 30c.

Man nehme nun an, daß die Spaltpermeanzen zwischen den Magnetzähnen des Ständers und den Magnetzahngruppen des Läufers sich in der Bewegungsrichtung des Läufers sinusförmig ändern und X die Laufrichtung des Läufers, L die Teilung der Magnetzähne und P der Mittelwert der Permeanzen sind. Dann lassen

sich die mit P , P, , P , P-, Pr, P-, bezeichneten Permeanzen a ο c a .D G

45a, 45b, 45c, 46a, 46b, 46c wie folgt approximieren:-

2Tf
^pa ^{= P}o ⁺ P'^sin ΊΤ ^X

P_b = P_{o + P}.sin(2±-X - ψ)

P_c = P_{o +} p.eini^f- X - ψ)

P- = P_o - p.sin^X

P_E = P_o - p.sini^r χ - ψ)

P- = P_o- p.ein(^- X -

mit ρ = Amplitude der Permeanzänderung.

Mit P + P, + P = 3P und P- + P₁- + P- = 3P läßt die Gesamta b c oabc ο

permeanz des magnetischen Flußkreises einschließlich des Permanentmagneten sich als konstant (= -~P ) und von X unabhängig annehmen. Weiterhin ist anzunehmen, daß die magnetische Potentialdifferenz zwischen der läufer- und der ständerseitigen Kante jeder Permeanz konstant und unabhängig von X ist» Es
sei F die magnetmotorische Kraft des Permanentmagneten; dann
ist die magnetische Potentialdifferenz zwischen der läuferund der ständerseitigen Kante jeder Permeanz gleich F/2. Man
kann also die Magnetflüsse 0 . 0, , 0 . 0-, 0r-, 0- in den Perme-

3. JD C el JJ C

anzen P , P_K, P , P-, P-, P- wie folgt approximieren:

⁰a - f '^Pa = f <^Po ⁺ P

K - 1 *^Pb ⁼ l^(Po ⁺ P

⁰C = 1 *^Pc = l^(Po ⁺ P-BIn(^ X -

⁰S ⁼ I ' ^P5 = f ^(Po -

⁰E ⁼ f *^Pb ⁼ l^(Po - P^ f

⁰C = 1 ·^ρ5 =f(P_o-p.Bin(^-X-if))

0 und 0-, 0, und 0rr bzw. 0 und 0- sind die drei Flüsse, die

el ei Jj Jj C C

mit den drei 3-Phasen-Spulen 3OA, 3OB, 3OC verkettet sind. 0 und

0- fließen entgegengesetzt, so daß der Gesamtfluß 0_A, der mit der Spule 3OA verkettet ist, sich ausdrücken läßt zu t

3ΠΟΟΟ/ I L ο ο J 4

⁰A ^{= 0}a - ⁰i ⁼

Entsprechend lassen sich die mit den Spulen 3OB bzw. 30C verketteten Gesamtflüsse 0 und 0„ ausdrücken zu

⁰B = ⁰b - ⁰S = F-P^ ψ ⁰C = ⁰C - ⁰C = F-P-SIn(^-X - ψ)

Wie aus diesen Ausdrücken bekannt ist, sind 0 , 0 und 0 Funktionen von X, haben die Periode L der Magnetzähne und sind Sinusfunktionen, die um 120° gegeneinander phasenversetzt sind. Indem man die Spulen 30a, 30b, 30c nacheinander erregt, lälit sich der Läufer 23 schrittweise in Längsrichtung des Ständers (X-Richtung) bewegen. Indem man weiterhin jede Spule mit 3-Phasen-Sinusströmen erregt, die um 120° gegeneinander phasenverschoben sind, erhält man eine gleichmäßigere und glattere Bewegung des Läufers.

In den Figuren nicht gezeigt, aber vorgesehen ist ein 3-Phasen-Stellungsdetektor, der die Magnetzähne des Ständers 21 erfaßt. Indem man die Spulen 30a, 30b, 30c nacheinander entsprechend dem Ausgangssignal dieses Stellungsdetektors erregt, kann man den Läufer wie einen gewöhnlichen permanentmagnetischen bürstenlosen GS-Motor arbeiten lassen.

Abänderungen dieser Erfindung sind zulässig, sofern man die Hauptpunkte der vorliegenden Erfindung nicht ändert. Beispielsweise handelt es sich bei der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform um einen 3-Phasenmotor; die drei Gruppen magnetischer Zähne sind auf dem Kern 29A und 29B ausgebildet, d.h. es liegen insgesamt sechs Gruppen von Magnetzähnen vor. Es ist jedoch auch möglich, die Anzahl der Magnetzahngruppen zu erhöhen, d.h. auf vier oder fünf, und die Anzahl der Spulen entsprechend der Anzahl der Magnetzahngruppen zu einem Mehrphasensystem zu erhöhen. Zur Ausbildung eines n-Phasensystems (n ganzzahlig) muß man η Gruppen magnetischer Zähne auf den Kernen 29A, 29B ausbilden und η Spulen wickeln.

In der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Zähne der Magnetzahngruppen 29A, 29B um 180° gegeneinander verschoben. Es ist jedoch ebenfalls möglich, sie gleichphasig auszubilden und stattdessen auf dem Ständer zwei Reihen magnetischer Zähne auszubilden, die um 180° gegeneinander in Längsrichtung des Ständers verschoben sind.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des Ständers nach der vorliegenden Erfindung mit zwei Reihen von Magnetzähnen

52a, 52b, die, wie oben beschrieben, um 180° gegeneinander in Längsrichtung des Ständers 21 verschoben sind.

Wie oben beschrieben, hat ein Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung zahlreiche Vorteile.

Beispielsweise kann der Permanentmagnet des Läufers lang und groß sein, da er parallel zur Längsrichtung des Ständers verläuft, so daß das Gewichtsverhältnis des Permanentmagneten zum Läufer angehoben werden kann. Es steigt also auch das Verhältnis der Antriebskraft zum Gewicht und man erhält erhebliche Beschleunigungen. Weiterhin ist selbst bei mehrphasigen Systemen die Abmessung in Längsrichtung des Ständers nicht groß und man erhält einen kompakten und leichten Läufer. Ist weiterhin die Längsausdehnung des Ständers beschränkt, erhält man mit der vorliegenden Erfindung dennoch eine erhebliche Bewegungsstrecke des Läufers.

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Claims (1)

1. MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL COMPANY, LTD.,

   1006 Kadoma, Osaka, Japan

   Patentanspruch

   Linearmotor, gekennzeichnet durch einen Ständer mit einer Vielzahl magnetischer Zähne konstanter Teilung, einen dem Ständer über einen schmalen Spalt zugewandten Läufer mit den gleichen magnetischen Zähnen wie der Ständer und eine Lauferführung, die den Läufer in einer glatten Bewegung entlang des Ständers führt und dabei den schmalen Spalt aufrechterhält, wobei der Läufer einen in Längsrichtung des Ständers langen Permanentmagneten, zwei im rechten Winkel zur Ständerlängsrichtung mit dem Permanentmagneten zwischen sich gestapelte Kerne sowie eine Vielzahl von Spulen aufweist, die auf die beiden Kerne gewickelt sind, wobei weiterhin die Magnetisierungsachse des Permanent-

   magneten rechtwinklig zur Längsrichtung des Ständers verläuft und jeder der beiden Kerne η Gruppen (n ganzzahlig) dem/Ständer zugewandter magnetischer Zähne aufweist, in allen η Gruppen magnetischer Zähne die Zahnteilung konstant und gleich der des Ständers ist und in jedem Kern die Phasen der magnetischen Zähne jeder Gruppe sich voneinander unterscheiden.