DE112010001648T5

DE112010001648T5 - Linearmotor - Stellglied

Info

Publication number: DE112010001648T5
Application number: DE112010001648T
Authority: DE
Inventors: Junichiro Iwaki
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2012-08-02
Also published as: CN102395432B; TW201039930A; JP2010268672A; US8922069B2; CN104022614B; CN102395432A; CN104022614A; WO2010119788A1; US20120025635A1; TWI562834B; JP5604097B2

Abstract

Geschaffen wird ein Linearmotor-Stellglied, das einen Läufer ohne Nutzung mechanischer Federkraft eines elastischen Körpers oszillieren lassen kann. Ein erster Permanentmagnet 3a und ein zweiter Permanentmagnet 3b, die in einer Achsenrichtung magnetisiert sind, sind in einem Läufer 4 in der Richtung der Achse angeordnet. Eine erste Wicklung 1a und eine zweite Wicklung 1b sind in einem Ständer 2 so angeordnet, dass sie den ersten Permanentmagneten 3a bzw. den zweiten Permanentmagneten 3b umgeben. Wechselströme mit der gleichen Phase werden an die erste Wicklung 1a und die zweite Wicklung 1b so angelegt, dass die Phase von in der ersten Wicklung 1a erzeugtem Schub und die von in der zweiten Wicklung 1b erzeugtem Schub zueinander versetzt sind. Dabei unterscheidet sich ein Mittenabstand LC1 zwischen der Mitte der ersten Wicklung 1a und der der zweiten Wicklung 1b in der Achsenrichtung von einem Polabstand LM1 des Läufers.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linear-Stellglied, bei dem sich ein Läufer (mover) relativ zu einem Stator bzw. Läufer in Richtung einer Achse bewegt. Das heißt, die vorliegende Erfindung betrifft ein Linearmotor-Stellglied vom Hub-Typ, bei dem sich ein Läufer relativ zu einem Ständer in Richtung einer Achse bewegt und dann die Bewegungsrichtung umkehrt und sich in der entgegengesetzten Richtung bewegt.
Technischer Hintergrund
Herkömmlicherweise ist als ein derartiges Linearmotor-Stellglied ein Linearmotor (voice coil motor) bekannt, der Permanentmagneten und Wicklungen aufweist (siehe beispielsweise Patentliteratur 1). Das Funktionsprinzip des Linearmotors nutzt Fleming's Linke-Hand-Regel, derzufolge Schub erzeugt wird, wenn Strom durch eine Wicklung in einem Magnetfeld geleitet wird, das durch einen Permanentmagneten gebildet wird. Wenn der Wechselstrom durch die Wicklung geleitet wird, bewegt sich die Wicklung in Richtung einer Achse im Bereich des Magnetfeldes des Permanentmagneten. Da sich der Linearmotor durch schnelle Bewegung und geringe Kosten auszeichnet, wird er für verschiedene Einsatzzwecke, wie beispielsweise Lautsprecher, die Ansteuerung von Köpfen bei Magnetplatten sowie den Antrieb von Kolben bei Servoventilen eingesetzt.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2003-154314

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Der Linearmotor weist jedoch dahingehend ein grundlegendes Problem auf, dass, wenn eine Schwingspule aus dem Bereich des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes gelangt, die Schwingspule nicht gesteuert werden kann. Wenn sich die Schwingspule relativ zu dem Permanentmagneten mit hohen Geschwindigkeiten bewegt oder die Schwingspule einen größeren Hub hat, verlässt die Schwingspule mitunter aufgrund von Trägheit den Bereich des Magnetfeldes des Permanentmagneten. Wenn mehr als die Hälfte der Schwingspule den Permanentmagneten verlässt, kann die Schwingspule selbst dann nicht gesteuert werden, wenn Strom durch die Schwingspule hindurchgeleitet wird, um sie an den Ausgangspunkt zurückzuführen.
Um dieses Problem zu lösen, wird bei dem herkömmlichen Schwingspulenmotor ein elastischer Körper, wie beispielsweise eine Feder oder Konuspapier (cone paper) an der Schwingspule angebracht, so dass die Schwingspule unter Einsatz der Federwirkung des elastischen Körpers in den Bereich des Magnetfeldes des Permanentmagneten zurückkehren kann.
Wenn die Schwingspule unter Verwendung mechanischer Federkraft des elastischen Körpers zurückgeführt wird, nähert sich jedoch die Osziliationsfrequenz der Schwingspule der Eigenfrequenz des elastischen Körpers, und wenn es zu Resonanz kommt, wird die Oszillation der Schwingspule instabil. Daher muss die Schwingspule bei einer Frequenz oszillieren, bei der keine Resonanz in dem elastischen Körper auftritt, und es besteht dahingehend ein Problem, dass die verfügbare Frequenz eingeschränkt wird. Des Weiteren biegt sich der elastische Körper, wenn der Ständer über den elastischen Körper mit dem Läufer verbunden ist, auch durch eine Kraft in einer anderen Richtung als der Oszillationsrichtung, und dadurch wird die Struktur zwangsläufig brüchig.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben aufgeführten Probleme des herkömmlichen Linearmotor-Stellgliedes zu lösen, und ihre Aufgabe besteht darin, ein Linearmotor-Stellglied zu schaffen, das in der Lage ist, einen Läufer ohne Nutzung mechanischer Federkraft eines elastischen Körpers zu bewegen.
Lösung des Problems
Es folgt eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung. Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Linearmotor-Stellglied, das umfasst:
einen Läufer oder einen Ständer, der wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert ist, wobei das andere Element von dem Läufer und dem Ständer eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgeben und in der Achsenrichtung angeordnet sind, Wechselströme mit gleichen Phasen durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung geleitet werden und sich ein Mittenabstand zwischen einer Mitte der ersten Wicklung und einer Mitte der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung von einem Polabstand von Magnetpolen des Läufers oder des Ständers so unterscheidet, dass die Phase des in der ersten Wicklung erzeugten Schubs und die Phase des in der zweiten Wicklung erzeugten Schubs zueinander versetzt sind.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Linearmotor-Stellglied, das umfasst:
einen Läufer oder einen Ständer, der wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert ist, wobei das andere Element von dem Läufer und dem Ständer eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgeben und in der Achsenrichtung angeordnet sind, Wechselströme mit unterschiedlichen Phasen durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung geleitet werden und ein Mittenabstand zwischen einer Mitte der ersten Wicklung und einer Mitte der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung einem Polabstand von Magnetpolen des Läufers oder des Ständers entspricht, so dass die Phase des in der ersten Wicklung erzeugten Schubs und die Phase des in der zweiten Wicklung erzeugten Schubs zueinander versetzt sind.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Linearmotor-Stellglied, das umfasst:
einen Läufer oder einen Ständer, der wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert ist, wobei das andere Element von dem Läufer und dem Ständer eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgeben und in der Achsenrichtung angeordnet sind, Wechselströme mit unterschiedlichen Phasen durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung geleitet werden und sich ein Mittenabstand zwischen einer Mitte der ersten Wicklung und einer Mitte der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung von einem Polabstand von Magnetpolen des Läufers oder des Ständers so unterscheidet, dass die Phase des in der ersten Wicklung erzeugten Schubs und die Phase des in der zweiten Wicklung erzeugten Schubs zueinander versetzt sind.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Linearmotor-Stellglied, das umfasst:
einen Läufer oder einen Ständer, der einen ersten Permanentmagneten und einen zweiten Permanentmagneten aufweist, die mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert sind und mit einem zwischen ihnen ausgebildeten Zwischenraum so angeordnet sind, dass gleiche Pole einander zugewandt sind, wobei ein anderes Element von dem Läufer und dem Ständer eine Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgibt, und ein Abstand von N-Pol zu N-Pol oder ein Abstand von S-Pol zu S-Pol äußerer Magnetpole des ersten Permanentmagneten und des zweiten Permanentmagneten größer ist als eine Länge der Wicklung in der Achsenrichtung, und sich der Läufer, wenn ein Wechselstrom durch die Wicklung geleitet wird, relativ zu dem Ständer bewegt, und wenn sich der Läufer bis zu einem Ende des Hubs bewegt, der erste Permanentmagnet in die Wicklung gelangt, und wenn sich der Läufer zu einem entgegengesetzten Ende des Hubs bewegt, der zweite Permanentmagnet in die Wicklung gelangt.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß dem ersten und dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, wenn beispielsweise der in der ersten Wicklung erzeugte Schub gegenüber dem in der zweiten Wicklung erzeugten Schub phasenversetzt ist, der von der ersten Wicklung ausgegebene Schub Sinuswellen-Schub sein, und der von der zweiten Wicklung ausgegebene Schub kann Kosinuswellen-Schub sein. Wenn die Kraft beim Schieben und Ziehen des Läufers gleichzeitig auf die erste und die zweite Wicklung wirken kann, ist es möglich, den Läufer, der sich einem Ende des Hubs genähert hat und in den Abbremsbereich gelangt ist, früh zu bremsen und den Läufer zuverlässig oszillieren zu lassen. Des Weiteren kann, da das Maß des ersten und des zweiten Permanentmagneten in der ersten und der zweiten Wicklung variiert, wenn sich der Läufer bewegt, der in der ersten und der zweiten Wicklung erzeugte Schub stärker variieren. Dadurch wird es möglich, den Läufer von einer niedrigen Frequenz bis zu einer hohen Frequenz gut oszillieren zu lassen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, wenn beispielsweise der in der ersten Wicklung erzeugte Schub gegenüber dem in der zweiten Wicklung erzeugten Schub phasenversetzt ist, der von der ersten Wicklung ausgegebene Schub Sinuswellen-Schub sein, und der von der zweiten Wicklung ausgegebene Schub kann Kosinuswellen-Schub sein. Wenn die Kraft beim Schieben und Ziehen des Läufers gleichzeitig auf die erste und die zweite Wicklung wirken kann, ist es möglich, den Läufer, der sich einem Ende des Hubs genähert hat, und in den Abbremsbereich gelangt ist, früh zu bremsen und den Läufer zuverlässig oszillieren zu lassen.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelangt, wenn der Abstand von N-Pol zu N-Pol oder der Abstand von S-Pol zu S-Pol äußerer Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten größer ist als die Länge der Wicklung in der Achsenrichtung und sich der Läufer bis zu einem Ende des Hubs bewegt, der erste Permanentmagnet in die Wicklung, und wenn sich der Läufer bis zu dem anderen Ende des Hubs bewegt, gelangt der zweite Permanentmagnet in die Wicklung. Durch diesen Aufbau ist es möglich, die Elastizität an den Enden des Hubs zu verstärken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht des Grundaufbaus eines Linearmotor-Stellgliedes (Typ mit zwei Wicklungen) der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht einer Grundfunktion eines Läufers (Anzahl von Wicklungen: Anzahl von Permanentmagneten = 2:2).
3 ist eine Ansicht einer Grundfunktion eines Läufers (Anzahl von Wicklungen: Anzahl von Permanentmagneten = 2:1).
4 ist eine Schnittansicht eines Linearmotor-Stellgliedes (Typ mit zwei Wicklungen) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Ständers.
6 ist eine schematische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Mittenabstand und einem Polabstand eines Permanentmagneten veranschaulicht.
7 ist eine Schnittansicht des Ständers, aus dem der Läufer herausgezogen ist.
8 ist eine Perspektivansicht einer Linearbuchse.
9 ist eine Schnittansicht der Linearbuchse.
10 ist ein Schaltbild einer ersten und einer zweiten Wicklung (parallel zueinander).
11 stellt ein weiteres Beispiel, des Schaltbildes der ersten und der zweiten Wicklung dar.
12 ist ein Schaltbild einer ersten und einer zweiten Wicklung (in Reihe).
13 ist ein Diagramm, das in der ersten und der zweiten Wicklung erzeugte gegenelektromotorische Kraft darstellt.
14 stellt einen Schubvektor des Läufers in einem Bewegungszustand dar.
15 stellt einen Schubvektor des Läufers bei Stillstand dar.
16 ist eine schematische Darstellung eines Linearmotor-Stellgliedes (Typ mit zwei Wicklungen) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 ist eine schematische Darstellung eines Linearmotor-Stellgliedes (Typ mit zwei Wicklungen) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel mehrerer ausgerichteter Wicklungseinheiten darstellt.
19 ist eine Schnittansicht der ersten und der zweiten Wicklung, die mit einem röhrenförmigen Joch abgedeckt sind.
20 ist eine schematische Darstellung eines Linearmotor-Stellgliedes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
21 ist eine Perspektivansicht, die die Positionsbeziehung zwischen einem Ringmagneten und einem Stabmagneten darstellt,
22(a) bis 22(c) stellen einen Schub bei Bewegung eines stabförmigen Magneten dar, (22(a) stellt den stabförmigen Magneten bei Bewegung nach links dar, 22(b) stellt den stabförmigen Magneten dar, der sich in der Mitte befindet, und 22(c) stellt den stabförmigen Magneten bei Bewegung nach rechts dar.
23 ist eine schematische Darstellung, die den ersten und den zweiten Permanentmagneten darstellt, die gegenüber einem Paar Ringmagnete versetzt sind.
24 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Position des Läufers und der Elastizität (erzeugende Kraft) darstellt, die in dem Läufer erzeugt wird.
25(a) bis 25(c) stellen eine Veränderung an Magnetpolen dar, die an beiden Enden der dritten Wicklung ausgebildet sind.
26(a) bis 26(c) sind Diagramme, die Ausgänge der ersten bis dritten Wicklung darstellen, 26(a) stellt einen kombinierten Ausgang der ersten und der zweiten Wicklung dar, 26(b) stellt einen Ausgang der dritten Wicklung dar, 26(c) stellt einen kombinierten Ausgang der ersten bis dritten Wicklung dar.
27 ist eine Ansicht des Grundaufbaus eines Linearmotor-Stellgliedes, das einen Ständer mit einer Wicklung hat (Stellglied vom Typ mit einer Wicklung).
Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsformen eines Linearmotor-Stellgliedes der vorliegenden Erfindung im Folgenden detailliert beschrieben. Der Grundaufbau und das Funktionsprinzip des Linearmotors werden erläutert. Das Linearmotor-Stellglied enthält ein Linearmotor-Stellglied vom Typ mit zwei Wicklungen, das eine erste und eine zweite Wicklung aufweist, die in einem Ständer angeordnet sind, sowie ein Linearmotor-Stellglied vom Typ mit einer Wicklung, das eine Wicklung aufweist. Zunächst wird das Linearmotor-Stellglied vom Typ mit zwei Wicklungen beschrieben.
Das Linearmotor-Stellglied vom Typ mit zwei Wicklungen weist, wie in 1 dargestellt, einen Ständer 2 auf, in dem zwei Wicklungen (erste Wicklung 1a und zweite Wicklung 1b) so angeordnet sind, dass ihre Achsen miteinander übereinstimmen. Die Länge der ersten Wicklung 1a und der zweiten Wicklung 2b in der Achsenrichtung sind einander gleich. Der Mittenabstand zwischen der Mitte der ersten Wicklung 1a in der Achsenrichtung und der Mitte der zweiten Wicklung 1b in der Achsenrichtung ist mit LC1 gekennzeichnet, die äußeren Abmessungen der ersten und der zweiten Wicklung sind mit LC3 gekennzeichnet, und die inneren Abmessungen der ersten und der zweiten Wicklung sind mit LC2 gekennzeichnet. Zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b ist ein Abstandshalter 7 vorhanden, um einen Zwischenraum zwischen den Wicklungen zu schaffen. Die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b bilden eine Wicklungseinheit, und außerhalb der Wicklungseinheit ist über einen Abstandshalter 11 und eine Muffe 10 ein Linearlager S vorhanden. Das Linearlager 8 ist eine Buchse oder ein Keilprofil, die/das lineare Bewegung eines Läufers 4 führt. Die erste Wicklung 1a, die zweite Wicklung 1b, die Abstandshalter 7 und 11 und die Muffe 10 sind in einem röhrenförmigen Joch des Ständers aufgenommnen.
Der wellenförmige Läufer 4 erstreckt sich durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b hindurch. Der Läufer 4 lässt sich entsprechend der Anzahl von Permanentmagneten in drei Typen 4a, 4b und 4c klassifizieren. Das heißt, bei dem Typ 4a ist ein mittiger Permanentmagnet 3c in einer rohrförmigen Stange vorhanden, bei dem Typ 4b sind ein erster und ein zweiter Permanentmagnet 3a und 3b vorhanden, und bei dem Typ 4c sind der mittige Permanentmagnet 3c sowie der erste und der zweite Permanentmagnet 3a und 3b vorhanden. Das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen zu der Anzahl von Permanentmagneten bei den Typen 4a bis 4c beträgt 2:1, 2:2 bzw. 2:3. In jedem Fall kann der Läufer 4 vibrieren.
Im Wesentlichen beträgt das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen zu der Anzahl von Permanentmagneten 2:2. Für das Linearmotor-Stellglied gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in 4 dargestellt ist, gilt:
Anzahl von Wicklungen: Anzahl von Permanentmagneten = 2:2,
und es weist einen zusätzlichen dritten sowie einen vierten Permanentmagneten 13a und 13b außerhalb der Permanentmagneten auf.
Zunächst wird ein Beispiel beschrieben, bei dem gilt:
Anzahl von Wicklungen: Anzahl von Permanentmagneten = 2:2.
Wie in 1 dargestellt, sind an beiden Seiten der Stange 14 ein stabförmiger erster und ein zweiter Permanentmagnet 3a und 3b angeordnet, wobei ein Zwischenraum in der Achsenrichtung zwischen ihnen vorhanden ist. Dieser erste und zweite Permanentmagnet 3a und 3b sind in Eins-Zu-Eins-Entsprechung zu der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b vorhanden, Beide Enden des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b in der Achsenrichtung sind mit N- und S-Polen magnetisiert. Der erste und der zweite Permanentmagnet 3a und 3b sind in der Stange 14 so angeordnet, dass die gleichen Pole einander zugewandt sind und bei diesem Beispiel N-Pole einander zugewandt sind. Bei diesem Beispiel befinden sich die inneren Magnetpole (N-Pole) des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b näher an der Mitte der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b als die äußeren Magnetpole (S-Pole). Des Weiteren unterscheidet sich der Polabstand LM1 der Magnetpole (N-Pole) näher zur Mitte der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b von dem Mittenabstand LC1 zwischen den Mitten der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b in der Achsenrichtung. Eine Differenz zwischen dem Mittenabstand LC1 und dem Polabstand LM1 wird von ein Achtel bis drei Achtel der jeweiligen Länge der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b in der Achsenrichtung festgelegt. Dies dient dazu, die Phasen von Schub, der in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt wird, um 90° zueinander zu versetzen, wobei dies weiter unten ausführlich beschrieben wird. Die Länge jedes der Permanentmagneten 3a und 3b in der Achsenrichtung ist kürzer als die Länge jeder der Wicklungen 1a und 1b in der Achsenrichtung.
Dabei unterscheidet sich, wenn die äußeren Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b näher an der Mitte der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b liegen als die inneren Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b (siehe 4), der Polabstand LM2 der äußeren Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b von dem Mittenabstand LC1 der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b.
Die Positionsbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 1a, 1b und dem ersten sowie dem zweiten Permanentmagneten 3a, 3b ist so, dass, wenn sich der Läufer 4b bis zum rechten Ende in der Achsenrichtung bewegt, der erste Permanentmagnet 3a in die erste Wicklung 1a eingeführt wird, und, wenn sich der Läufer 4b bis zum linken Ende in der Achsenrichtung bewegt, der zweite Permanentmagnet 3b in die zweite Wicklung 1b eingeführt wird.
Wenn die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b und der erste und der zweite Permanentmagnet 3a bzw. 3b in dieser Positionsbeziehung angeordnet sind und Wechselstrom phasengleich durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b geleitet wird, wird um ungefähr 90° phasenversetzter Schub in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt. Das heißt, Sinuswellen-Schub wird in der ersten Wicklung 1a erzeugt, und Kosinuswellen-Schub wird in der zweiten Wicklung 1b erzeugt. Da eine Kraft zum Schieben und Ziehen des Läufers 4b gleichzeitig in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt werden kann und Schübe im Zeitablauf simultan auf die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b in axial entgegengesetzten Richtungen der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b auf die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b wirken (Schübe, die einander zugewandt sind und voneinander getrennt sind), ist es möglich, den Läufer 4b, der sich einem Ende des Hubes genähert hat und in einen Abbremsbereich gelangt ist, frühzeitig zu bremsen. Weiterhin variiert, da sich der Mittenabstand LC1 zwischen Mitten der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b in der Achsenrichtung von dem Polabstand LM1 innerhalb des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b unterscheidet, das Maß des ersten und des zweiten Permanentmagneten, das sich in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b befindet, wenn sich der Läufer 4b bewegt. Daher ist es möglich, den an der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugten Schub stärker variierend zu ändern.
Selbst wenn sich der Läufer 4b nah an das Ende (beispielsweise das linke Ende in 1) bewegt, und der N-Pol der ersten Permanentmagneten 3a aus der ersten Wicklung 1a herausgelangt, kann die Länge des zweiten Permanentmagneten 3b in der zweiten Wicklung 1b vergrößert werden. Dementsprechend kann die Elastizität am Ende des Hubs gewährleistet werden. Dadurch kann der Läufer 4b ohne Einsatz mechanischer Federkraft eines elastischen Körpers in Schwingung versetzt werden. Da kein mechanischer elastischer Körper mit Oszillationsfrequenz eingesetzt wird, ist es möglich, den Läufer von niedriger Frequenz bis hoher Frequenz gut oszillieren zu lassen.
Im Folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen zu der Anzahl von Permanentmagneten 2:1 beträgt und ein mittiger Permanentmagnet 3c in dem Läufer 4a angeordnet ist. In der Mitte der zylindrischen Stange 14 ist der einzelne säulenförmige mittige Permanentmagnet 3c angeordnet. Der mittige Permanentmagnet 3c ist in der Achsenrichtung bzw. mit N- und S-Polen an beiden Enden magnetisiert. Die Länge LM3 des mittigen Permanentmagneten 3c in der Achsenrichtung muss lediglich kürzer sein als die Außenabmessungen LC3 der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b und ist hier so festgelegt, dass sie kürzer ist als die Innenabmessungen LC2. Daher sind, während der mittige Permanentmagnet 3c in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b angeordnet ist, die erste Wicklung 1a und die zweite Wicklung 1b außerhalb des mittigen Permanentmagneten 3c in der Achsenrichtung angeordnet. Die Länge des mittigen Permanentmagneten 3c in der Achsenrichtung wird so festgelegt, dass sie kürzer ist als die Länge jeder Wicklung 1a, 1b in der Achsenrichtung. Was die Positionsbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 1a, 1b und dem mittigen Permanentmagneten 3c angeht, so tritt, wenn sich der Läufer 4a bis zu einem Ende in der Achsenrichtung bewegt, ein Magnetpol des mittigen Permanentmagneten 3c in die erste oder zweite Wicklung 1a und 1b ein, und wenn sich der Läufer 4a bis zu dem gegenüberliegenden Ende in der Achsenrichtung bewegt, tritt der entgegengesetzte Magnetpol des mittigen Permanentmagneten 3c in die andere von der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b ein.
Wenn die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b und der mittige Permanentmagnet 3c in dieser Positionsbeziehung angeordnet sind und Wechselstrom gleichphasig durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b geleitet wird, oszilliert der Läufer 4a.
Bei dem Läufer 4c, bei dem das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen zu der Anzahl von Permanentmagneten 2:3 beträgt und drei Permanentmagneten in dem Läufer 4c angeordnet sind, sind der säulenförmige erste und zweite Permanentmagnet 3a und 3b an beiden Seiten der Stange 14 angeordnet, und der säulenförmige mittige Permanentmagnet 3c ist in der Mitte der Stange 14 angeordnet. Die Position, Länge und Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten sind die gleichen wie diejenigen des Läufers 4b, bei dem der erste und der zweite Permanentmagnet 3a und 3b wie sie oben beschrieben sind, vorhanden sind. Die Position, Länge und Magnetpole des mittigen Permanentmagneten 3c sind die gleichen wie diejenigen des Läufers 4a, bei dem der oben erwähnte einzelne mittige Permanentmagnet 3c vorhanden ist.
2 stellt das Funktionsprinzip des Läufers 4b dar, wenn das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen zu der Anzahl von Permanentmagneten 2:2 beträgt. Bei diesem Beispiel fließen gleichphasige Wechselströme in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b, und an beiden Enden der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b sind N-, S-, N-, S-Pole in dieser Reihenfolge von links her ausgebildet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 3a und 3b sind so angeordnet, dass die gleichen Pole einander zugewandt sind, d. h. beispielsweise sind S-, N-, N-, S-Pole in dieser Reihenfolge von links her ausgebildet. An beiden Enden der ersten Wicklung 1a sind Magnetpole in der Reihenfolge NS, ns, SN, sn und NS vorhanden. An beiden Enden der zweiten Wicklung 1b sind die Magnetpole in der Reihenfolge NS, ns, SN, sn und NS vorhanden. Dabei ist das Magnetfeld der mit Großbuchstaben bezeichneten Magnetpole stärker als das Magnetfeld der mit Kleinbuchstaben bezeichneten Magnetpole.
Wenn die Mitte der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b in der Achsenrichtung mit der Mitte des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b in der Achsenrichtung übereinstimmt (der Läufer 4b ist in der Mitte des Hubs angeordnet) und gleichphasiger Wechselstrom durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b geleitet wird, stößt der erste Permanentmagnet 3a, der an der linken Seite der ersten Wicklung 1a angeordnet ist, die erste Wicklung 1a ab. Dann wird der zweite Permanentmagnet 3b, der an der rechten Seite der zweiten Wicklung 1b angeordnet ist, von der zweiten Wicklung 1b angezogen. Daher bewegt sich der Läufer 4b in der Figur nach links (S1). Wenn sich der zweite Permanentmagnet 3b in der zweiten Wicklung 1b (S2) befindet, wird der Stromfluss in der zweiten Wicklung 1b umgekehrt. Dann wirkt stärkere Abstoßungskraft von der zweiten Wicklung 1b auf den zweiten Permanentmagneten 3b, und der Läufer 4b bewegt sich in der Figur nach rechts (S3). Wenn sich der Läufer 4b über die Mitte des Hubs hinaus bewegt, wirkt der Schub in der rechten Richtung in der Figur auf den Läufer 4b. Wenn sich der erste Permanentmagnet 3a in der ersten Wicklung 1a befindet (S4) und der Stromfluss in der ersten Wicklung 1a umgekehrt wird, wirkt stärkere Abstoßungskraft von der ersten Wicklung 1a auf den ersten Permanentmagneten 3a, und der Läufer 4b bewegt sich in der Figur nach links (S5). Dann kehrt der Läufer 4b zur Mitte des Hubs zurück.
Wenn der erste Permanentmagnet 3a sowie die erste Wicklung 1a einen ersten Motor bilden und der zweite Permanentmagnet 3b sowie die zweite Wicklung 1b einen zweiten Motor bilden, sind der erste Motor und der zweite Motor einander zugewandt und schieben einander in Funktion, d. h. der erste und der zweite Motor sind eigenständig. Daher können die Richtungen von N und S der ersten Wicklung 1a und des ersten Permanentmagneten 3a entgegengesetzt sein, und auch die Richtungen von N und S der zweiten Wicklung 1b und des zweiten Permanentmagneten 3b können entgegengesetzt sein.
3 stellt das Funktionsprinzip des Läufers 4a dar, wenn das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen zur der Anzahl von Permanentmagneten 2:1 beträgt. Der Wechselstrom fließt mit gleicher Phase durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b. An beiden Enden der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b sind die Magnetpole so ausgebildet, dass die gleichen Pole einander zugewandt sind. Das heißt, in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b sind die N- und S-Pole symmetrisch um die Mitte der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b in der Achsenrichtung ausgebildet. An beiden Enden der ersten Wicklung 1a sind die Magnetpole in der Reihenfolge SN, sn, NS, ns und SN ausgebildet. An beiden Enden der zweiten Wicklung 1b sind die Magnetpole in der Reihenfolge Ns, ns, SN, sn und NS ausgebildet. Dabei ist das Magnetfeld der Magnetpole in Großbuchstaben stärker als das Magnetfeld der Magnetpole in Kleinbuchstaben.
Der mittige Permanentmagnet 3c ist in dem Magnetfeld angeordnet, das in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt wird. Wenn der mittige Permanentmagnet 3c des Läufers 4a in der Mitte der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b in der Achsenrichtung positioniert ist und der Wechselstrom in gleicher Phase durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b fließt, wird der mittige Permanentmagnet 3c von der ersten Wicklung 3a angezogen, stößt die zweite Wicklung 1b ab und bewegt sich in der Figur nach links (S1). Der Permanentmagnet 3c, der sich nach links bewegt hat, wird durch die erste Wicklung 1a weiter angezogen und tritt die erste Wicklung 1a ein (S2). Wenn sich der mittige Permanentmagnet 3c in der ersten Wicklung 1a befindet und der Stromfluss in der ersten Wicklung 1a umgekehrt wird, wirkt über die erste Wicklung 1a stärkere Abstoßungskraft auf den mittigen Permanentmagneten 3c, und der Läufer 4a bewegt sich in der Figur nach rechts (S3). Nachdem er sich bis zur Mitte des Hubs bewegt hat, tritt er durch die Anziehungskraft der zweiten Wicklung 1b in die zweite Wicklung 1b ein (S4). Wenn der Stromfluss in der zweiten Wicklung 1b umgekehrt wird, wirkt über die zweite Wicklung 1b stärkere Abstoßungskraft auf den Permanentmagneten und der Permanentmagnet 3c bewegt sich in der Figur nach links (S5). Diese Vorgänge werden wiederholt, so dass der Läufer 4a oszilliert.
4 stellt ein Linearmotor-Stellglied vom Typ mit zwei Wicklungen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Linearmotor-Stellglied weist einen Ständer 2 mit einer ersten und einer zweiten Wicklung 1a und 1b sowie einen Läufer 4 auf, der einen ersten und einen zweiten Permanentmagneten 3a und 3b aufweist. Das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen zur der Anzahl von Permanentmagneten beträgt 2:2.
In einem zylindrischen Gehäuse 5, das eine Außenform des Ständers 2 bildet, sind zwei ringförmige Wicklungen 1a und 1b so aufgenommen, dass ihre Achsenlinien miteinander übereinstimmen. Das Gehäuse 5 kann aus magnetischem Material oder nichtmagnetischem Material bestehen. Wenn das Gehäuse 5 aus magnetischem Material besteht, wird der Magnetfluss, der von dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 3a und 3b erzeugt wird, zu dem Gehäuse 5 geleitet, wobei der Magnetfluss ohne Probleme rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b ist und stärkerer Schub auf den Läufer 4 bewirken kann.
Jede der Wicklungen 1a und 1b ist auf einen röhrenförmigen Wicklungsträger 6 aufgewickelt. Zwischen den Wicklungsträgern 6 ist ein nichtmagnetischer Abstandshalter 7 vorhanden, um einen Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b zu schaffen. Die Wicklungslängen in der Achsenrichtung der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b sind einander im Wesentlichen gleich.
Die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b bilden eine Wicklungseinheit. Axial außerhalb der Wicklungseinheit sind zwei Linearbuchsen 8 als Führungseinrichtungen vorhanden, die lineare Bewegung des Läufers 4 führen. Jede Linearbuchse 8 ist an der Muffe 10 mit einem Anschlagring 9 befestigt. Die Muffe 10 ist an beiden Enden des Gehäuses 5 in der Achsenrichtung befestigt. Axial außerhalb der paarigen Linearbuchsen 8 ist ein Paar ringförmiger abstoßender Magnete 12a, 12b als Rückstell-Permanentmagnet vorhanden. Diese abstoßenden Magnete 12a und 12b wirken abstoßend auf Permanentmagnete außerhalb des Läufers 4, die weiter unten beschrieben werden. Daher wird der Läufer 4, wenn eine Kraft von außen ausgeübt wird, an dem mittigen Ausgangspunkt des Hubs im Gleichgewicht gehalten, d. h. an der axial mittigen Position der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b. Des Weiteren wird, da die abstoßenden Magnete 12a und 12b vorhanden sind, verhindert, dass der Läufer 4 von dem Ständer 2 herabfällt, wenn der Strom abgeschaltet ist. Dies ist besonders wirksam, wenn der Läufer 4 vertikal installiert ist. Um den Läufer 4 an einer vorgegebenen Position anzuhalten, die gegenüber dem Ausgangspunkt versetzt ist, müssen der rechte und der linke abstoßende Magnet 12a und 12b unterschiedlich starke Magnetkraft haben.
5 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Muffe 10, der Linearbuchsen 8, der Wicklungen 1a, 1b sowie des Abstandshalters 7, die in dem Gehäuse 5 aufgenommen sind. Die paarigen Wicklungen 1a und 1b sowie die paarigen Linearbuchsen 8 sind symmetrisch um die Mitte des Abstandshalters 7 herum angeordnet.
Der Läufer 4 weist, wie in 4 dargestellt, eine rohrförmige Stange 14 sowie zwei Permanentmagneten 3a und 3b auf, die in der Stange 14 aufgenommen sind. Die Stange 14 besteht aus nichtmagnetischem Material, wie beispielsweise Kunstharz. Die Stange 14 wird von den Linearbuchsen 8 getragen, und ein ringförmiger und leicht magnetischer Zwischenraum wird zwischen der Stange 14 und dem Wicklungsträger 6 erzeugt.
In der Stange 14 sind der erste und der zweite Permanentmagnet 3a und 3b über dem Abstandshalter 15 angeordnet. Die Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b (N- und S-Pole) sind entlang der Achsenlinie ausgerichtet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 3a und 3b sind so angeordnet, dass die gleichen Pole (in dieser Ausführungsform S-Pole) einander zugewandt sind. Der erste und der zweite Permanentmagnet 3a und 3b sind in der Achsenrichtung im Wesentlichen gleich lang. Die Länge jeder Wicklung 1a, 1b in der Achsenrichtung ist größer als die Länge jedes Permanentmagneten 3a, 3b in der Achsenrichtung. Der Polabstand der äußeren Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b (Abstand von N-Pol zu N-Pol) ist vorzugsweise um 1/8 bis 3/8 der Wicklungslänge länger als die Wicklungslänge des Mittenabstandes der ersten und der zweiten Wicklung.
Bei dieser Ausführungsform ist, wie in 6 dargestellt, ein Maß der Versetzung 13 des Abstandes LC1 zwischen den Mitten der ersten und der zweiten Wicklung 1a, 1b gegenüber der Distanz LM2 zwischen den äußeren Magnetpolen der zwei Permanentmagneten 3a, 3b so fastgelegt, dass es 1/4 der Wicklungslänge L4 (1/4 Wellenlänge) entspricht. Beispielsweise beträgt, wenn die Wicklungslänge 10 mm beträgt, die Länge jedes Permanentmagneten 6 mm, und die Lange des Abstandshalters zwischen den Wicklungen beträgt 6 mm, und der Abstand L1 zwischen den Mitten der ersten und der zweiten Wicklungen 1a und 1b beträgt 16 mm (LCI = 5 + 6 + 5 = 16). Die Distanz LM2 zwischen den äußeren Magnetpolen der zwei Permanentmagneten 3a und 3b muss um ein 1/4 der Wicklungslänge länger sein, d. h. die Distanz LM2 beträgt 18.5 (16 + 10/4). Das Maß der Versetzung zwischen LC1 und LM2 ist nicht auf 1/4 der Wicklungslänge beschränkt und kann in einen Bereich von 1/8 bis 3/8 der Wicklungslänge fallen. Wenn sich der Läufer 4 zu einem Ende des Hubs bewegt, nähert sich der Magnetpol (bei diesem Beispiel N-Pol) des ersten Permanentmagneten 3a der Mitte der ersten Wicklung 1a in der Achsenrichtung, und der Magnetpol (bei diesem Beispiel N-Pol) des zweiten Permanentmagneten 3b entfernt sich von der Mitte der zweiten Wicklung 1b in der Achsenrichtung. Wenn sich der Läufer 4 zum anderen Ende des Hubs bewegt, nähert sich der Magnetpol (bei diesem Beispiel N-Pol) des zweiten Permanentmagneten 3b der Mitte der zweiten Wicklung 1b in der Achsenrichtung, und der Magnetpol (bei diesem Beispiel N-Pol) des ersten Permanentmagneten 3a entfernt sich von der Mitte der ersten Wicklung 1a in der Achsenrichtung.
Ein Abstandshalter 15 ist, wie in 4 dargestellt, zwischen den Permanentmagneten 3a und 3b vorhanden, die einander abstoßen. Da der Abstandshalter 15 zwischen ihnen vorhanden ist, ist es möglich, Magnetfeldlinien zu schaffen, die radial von dem Abstandshalter 15 aus verlaufen und auf die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b einwirken. Der Abstandshalter 15 kann entweder aus nichtmagnetischem Material, wie beispielsweise Kunststoff, oder magnetischem Material, wie beispielsweise Eisen, bestehen. Wenn der Abstandshalter 15 aus magnetischem Material besteht, wird die Magnetoresistenz verringert, und es ist möglich, mehr Magnetfeldlinien zu erzeugen.
Außerhalb der zwei Permanentmagneten 3a und 3b sind ein dritter und ein vierter Permanentmagnet 13a und 13b angeordnet. Der dritte und der vierte Permanentmagnet 13a und 13b sind mit dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 3a und 3b so angeordnet, dass die gleichen Pole einander zugewandt sind. In der vorliegenden Ausführungsform sind die N-Pole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b den N-Polen des dritten und des vierten Permanentmagneten zugewandt. Zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 3a, 3b sowie dem dritten und dem vierten Permanentmagneten 13a, 13b sind Abstandshalter 16 vorhanden, um auf einfache Weise abstoßende Magnetfeldlinien zu schaffen. Da der dritte und der vierte Permanentmagnet 13a und 13b vorhanden sind, ist es möglich, das durch den äußeren Magnetpol (N-Pol) des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b erzeugte Magnetfeld zu verstärken und den Läufer 4 stark oszillieren zu lassen.
Die Längen des dritten und des vierten Permanentmagneten 13a und 13b in der Achsenrichtung sind größer als die Längen der Permanentmagneten 3a und 3b in der Achsenrichtung. Je größer die Lange der äußeren Permanentmagneten 13a und 13b in Richtung der einen Achse ist, umso stärker ist das in den äußeren Magnetpolen (N-Polen) der zwei Permanentmagnete 3a und 3b erzeugte Magnetfeld, und damit wird es möglich, den Läufer 4 stark oszillieren zu lassen.
Beide Enden der Stange 14 des Läufers 4 sind mit zwei Verschlusselementen 17 abgesperrt. Die zwei Verschlusselemente 17 sind an den beiden Enden der Stange 14 befestigt und schließen die Permanentmagneten 3a, 3b sowie die äußeren Permanentmagneten 13a, 13b ein.
7 stellt den aus dem Ständer 2 herausgezogenen Läufer 4 dar. Der Läufer 4 und der Ständer 2 sind nicht durch einen elastischen Körper, wie beispielsweise eine Blattfeder, miteinander verbunden, und lineare Bewegung in der Richtung der einen Achse des Läufers 4 wird nur durch die Linearbuchse 8 des Ständers 2 geführt. Wenn der Läufer 4 in der Richtung der einen Achse herausgezogen wird, wird es möglich, den Läufer 4 vollständig von dem Ständer 2 zu trennen.
8 ist eine Perspektivansicht einer Linearbuchse 8, die den Läufer 4 führt, und 9 ist eine Schnittansicht der Linearbuchse 8. Die Linearbuchse 8 weist ein äußeres Gehäuse 21 aus Metall, eine Vielzahl von Kugeln 22, die an der Innenumfangsfläche des äußeren Gehäuses 21 rollen, sowie einen Halter 23 auf, der die Kugeln 22 mit einem Zwischenraum zwischen ihnen hält. Wenn sich der Läufer 4 relativ zu dem Ständer 2 bewegt, rollen die mehreren Kugeln 22 zwischen der Innenumfangsfläche des äußeren Gehäuses 21 und der Außenumfangsfläche des Läufers 4. Der Halter 23 ist als ein Zylinder ausgebildet und weist eine Vielzahl von Löchern 23a auf, die von dem Innenumfang zu dem Außenumfang verlaufen. Die Kugeln 22 werden drehbar in diesen mehreren Löchern 23a gehalten. Die Länge des Halters 23 in der Achsenrichtung ist kürzer als die Länge des äußeren Gehäuses 21 in der Achsenrichtung. Der Halter 23 bewegt sich in dem äußeren Gehäuse 21 eingeschränkt zusammen mit den Kugeln 22.
Der Einsatz der Linearbuchse 8 ermöglicht reibungslose lineare Bewegung des Läufers 4 in Richtung der einen Achse relativ zu dem Ständer 2, und es wird möglich, eine Struktur zu schaffen, die in den anderen Richtungen als der Richtung der einen Achse sehr steif ist. Da es nicht notwendig ist, den Läufer 4 und den Ständer 2, wie bei dem herkömmlichen Linearmotor, über einen elastischen Körper, wie beispielsweise eine Blattfeder, zu verbinden, können Aufbau und Wartung vereinfacht werden.
Des Weiteren ist es, da der Halter 23 vorhanden ist, der einen festen Zwischenraum zwischen den Kugeln 22 beibehält, möglich, das Problem zu lösen, dass die Kugeln 22 einander durch die Magnetkraft der Permanentmagneten 3a und 3b sowie der Wicklungen 1a und 1b berühren. Die Kugeln 22 können magnetische Körper oder nichtmagnetische Körper sein. Wenn die Kugeln 22 aus magnetischem Material bestehen und der Halter 23 nicht in der hier eingesetzten Linearbuchse 8 vorhanden ist, ziehen sie Kugeln 22 einander durch die Magnetkraft an, und es treten Probleme hinsichtlich kürzerer Lebensdauer, geringerer Genauigkeit und Wärmeerzeugung auf. Wenn die Kugeln 22 aus nichtmagnetischem Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Keramik, bestehen, ist es möglich, zu verhindern, dass die Kugeln 22 einander anziehen.
Wenn die Linearbuchse durch eine Kugelführung (ball spline) ersetzt wird, ist es möglich, Drehung des Läufers 4 zu unterbrechen. Kugeln der Kugelführung können aus magnetischem oder nichtmagnetischem Material bestehen.
10 bis 12 stellen die Verbindung der ersten und der zweiten Wicklungen 1a und 1b dar. 10 und 11 stellen die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b dar, die parallel angeordnet sind, und 12 stellt die in Reihe angeordneten Wicklungen dar. 10 stellt einen Abstoß-Typ dar, bei dem die gleichen Pole der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b einander zugewandt sind, und 11 stellt einen Anzieh-Typ dar, bei dem die einander gegenüberliegenden Pole der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b einander zugewandt sind. Es kann entweder die Verbindung vom abstoßenden Typ oder die Verbindung vom anziehenden Typ eingesetzt werden, um den Läufer 4 oszillieren zu lassen.
Ein Einphasen-Strom, der mit der durchgehenden Linie angedeutet ist, fließt, wie in 10 dargestellt, vom der Wechselstromquelle 19 zu der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b. Da der Einphasenstrom in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b fließt, bewegt sich der Läufer 4 in der Achsenrichtung. Wenn sich der Läufer 4 bewegt, schneiden die durch den ersten Permanentmagneten 3a erzeugten Magnetfeldlinien die erste Wicklung 1a mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und die durch den zweiten Permanentmagneten 3b erzeugten Magnetfeldlinien schneiden die zweite Wicklung 1b mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit. Daher wird gegenelektromotorische Kraft bzw. Gegen-EMK in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt. Beispielsweise entstehen, wenn sich der Läufer 4 in der Figur nach rechts bewegt, an beiden Enden der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b Magnetpole, die Bewegung des Läufers 4 nach rechts verhindern. Durch diese elektromagnetische Induktion wird Gegen-EMK, die mit der unterbrochenen Linie in der Figur angedeutet ist, an der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt.
13 stellt Gegen-EMK dar, die an jeder Wicklung 1a, 1b erzeugt wird, wenn sich der Läufer 4 bewegt. Der Mittenabstand der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b sowie der Polabstand der äußeren Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b sind, wie oben beschrieben, um 1/4 der Wicklungslänge zueinander versetzt. Daher wird, wenn sich der Läufer 4 bewegt, um 90° phasenverschobene Sinuswellen-Gegen-EMK an der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt. Da die insgesamt an der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugte Gegen-EMK eine Kombination der an der ersten Wicklung 1a erzeugten Gegen-EMK und der an der zweiten Wicklung 1b erzeugten Gegen-EMK ist, heben die durch die Wicklungen erzeugten Gegen-EMK einander durch Verschiebung der Phasen um 90° auf. Die kombinierte Gegen-EMK ist schwächer als das Zweifache der Gegen-EMK, die an jeder Wicklung erzeugt wird (wenn die Phasen um 90° verschoben sind, beträgt die kombinierte elektromotorische Kraft aus √2-fache). Wenn die Gegen-EMK stärker ist, wird der Stromfluß in der ersten und der zweiten Wicklung 1a sowie 1b verringert, so dass der Läufer nicht mit hohen Geschwindigkeiten oszillieren kann. Der Läufer 4 kann mit hohen Geschwindigkeiten zur Oszillation gebracht werden, indem wie in dieser Ausführungsform die Gegen-EMK verringert wird.
14 stellt einen Schubvektor dar, der in Funktion auf den Läufer 4 wirkt, d. h., einen Schubvektor unter Berücksichtigung eines Verzögerungswinkels. Wenn der gleichphasige Wechselstrom in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b fließt, wird durch Wechselwirkung zwischen dem Stromfluss in der ersten Wicklung 1a und dem Magnetfeld des äußeren Magnetpols des ersten Permanentmagneten 3a Schub in der Achsenrichtung an dem Läufer 4 erzeugt. Des Weiteren wird zwischen der zweiten Wicklung 1b und dem äußeren Magnetpol des zweiten Permanentmagneten 3b durch Interaktion zwischen dem Stromfluss in der zweiten Wicklung 1b und dem Magnetfeld des äußeren Magnetpols des zweiten Permanentmagneten 3b Schub in der Achsenrichtung des Läufers 4 erzeugt. Dies ist der Schub, der in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b erzeugt wird. Bei einem Motor wird der Schub aufgrund eines Verzögerungswinkels (= Sollwinkel – Ausgangswinkel) erzeugt. Das heißt, wenn ein Befehl Sinus ωt in die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b eingegeben wird, wird ein Ausgang des Läufers 4 um den Winkel θ verzögert, so dass er Sinus (ωt + 0) ist, und dieser Verzögerungswinkel wird in Schub umgewandelt.
Die Größe der Buchstaben NS in 14 stellt in der Figur die Stärke des in den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes dar. Wenn Wechselstrom einer vorgegebenen Frequenz in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b fließt, oszilliert der Läufer mit der gleichen Frequenz. Durch Messungen wird jedoch bestätigt, dass die Phase des Läufers auch in Abhängigkeit von der Ansteuerfrequenz gegenüber dem Stillstand um einen Phasenwinkel von 30 bis 60° versetzt ist. 14 stellt acht Positionen des Läufers dar (um 45° zueinander versetzt). Die Phase des Läufers in Funktion ist, wie in 15 dargestellt, gegenüber der Phase des Läufers im Stillstand um einen Schritt verzögert.
Wenn sich der Läufer an der Ausgangsposition befindet, wird, wie in 14 dargestellt, von der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b der nach links gerichtete Schub auf den ersten und den zweiten Permanentmagneten 3a und 3b ausgeübt (S1). Daher bewegt sich der Läufer 4 nach links. Wenn sich der Läufer 4 nach links bewegt, variieren das Maß des ersten Permanentmagneten 3a in der ersten Wicklung 1a und das Maß des zweiten Permanentmagneten 3b in der zweiten Wicklung 1b, und auch die Stärke des auf den Läufer 4 wirkenden Schubs variiert (S2). Wenn der Läufer 4 das linke Ende des Hubs erreicht, wirkt nach rechts gerichteter Schub auf den Läufer 4. Der Läufer 4 erhält nicht nur von der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b nach rechts gerichteten Schub, sondern auch von dem abstoßenden Magneten 12a. Durch diesen Schub wird die Bewegungsrichtung des Läufers 4 umgekehrt, und der Läufer 4 beginnt, sich nach rechts zu bewegen (S3). Nachdem der Läufer 4 begonnen hat, sich nach rechts zu bewegen, geht der in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b fließende Strom sofort auf Null (S4). Dann wird der Stromfluss in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b umgekehrt, und nach rechts gerichteter Schub wirkt von der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b auf den ersten und den zweiten Permanentmagneten 3a und 3b (S5). Die Stärke des auf den Läufer 4 in S5 wirkenden Schubs ist die gleiche wie die des Schubs. Dann bewegt sich der Läufer 4 nach rechts. Wenn sich der Läufer 4 nach rechts bewegt, ändert sich das Maß des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b, und auch der auf den Läufer 4 wirkende Schub ändert sich (S6). Wenn sich der Läufer 4 zum rechten Ende des Hubs bewegt, wirkt Schub nach links auf den Läufer 4 (S7), Der von der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b auf den Läufer 4 wirkende Schub nach Umkehr der Bewegungsrichtung des Läufers 4 geht auf Null (58). Der Läufer 4 oszilliert mit der gleichen Frequenz, solange werter Wechselstrom durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b fließt.
15 stellt einen Schubvektor des Läufers beim Stillstand dar. Wenn angenommen wird, dass Gleichstrom unveränderlicher Stärke durch die erste und die zweite Wicklung 1a und 1b geleitet wird, kommt der Läufer 4 zum Halten, wenn das Gleichgewicht zwischen dem Schub der ersten Wicklung 1a und dem Schub der zweiten Wicklung 1b hergestellt ist. Dann kommt, wenn Stromfluss in der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b verändert wird, der Läufer 4 an dem Punkt zum Halten, an dem das Gleichgewicht zwischen dem Schub der ersten Wicklung 1a und dem Schub der zweiten Wicklung 1b hergestellt ist. Angesichts dessen kann das Linearmotor-Stellglied dieser Ausführungsform nicht nur als Vibrations-Stellglied, sondern auch als ein Stellglied eingesetzt werden, mit dem die Position des Läufers 4 gesteuert wird, der sich in Richtung der einen Achse bewegt. Die Position des Läufers 4 kann gesteuert werden, indem der Mittenabstand der ersten und der zweiten Wicklung 1a und 1b gegenüber dem Polabstand der Magnetpole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 3a und 3b versetzt wird und bewirkt wird, dass zwei Schubvektoren auf den Läufer 4 wirken. Dabei wird die Halteposition des Läufers 4 auch durch die abstoßenden Magneten 12a und 12b beeinflusst.
16 und 17 stellen ein Linearmotor-Stellglied vom Typ mit zwei Wicklungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Linearmotor-Stellglied unterscheidet sich von dem Linearmotor-Stellglied gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass ein abstoßender Magnet 38 zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 31a und 31b vorhanden ist und der Polabstand 12 des ersten und des zweiten Permanentmagneten 39a und 39b größer ist als der Mittenabstand 11 der ersten und der zweiten Wicklung 31a bzw. 31b (siehe 17). Ansonsten ist der Aufbau des Linearmotors gemäß dieser Ausführungsform der gleiche wie der des Linearmotor-Stellgliedes gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
Bei einem Ständer 32 sind die erste und die zweite Wicklung 31a und 31b so angeordnet, dass ihre Achsenlinien miteinander übereinstimmen. Zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 31a und 31b ist ein ringförmiger abstoßender Magnet 38 vorhanden, der die Permanentmagneten 39a und 39b des Läufers 34 abstößt und den Läufer 34 nahezu bis zur Mitte seines Hubs zurückführt. Beide Enden des abstoßenden Magneten 38 in der Achsenrichtung sind mit N- und S-Polen magnetisiert. Dieser abstoßende Magnet 38 wirkt als ein Abstandshalter, der einen Zwischenraum zwischen den Wicklungen 31a und 31b erzeugt. Außerhalb der Wicklungseinheit, die aus der ersten und der zweiten Wicklung 31a und 31b besteht, ist ein Linearlager 37 über einen Abstandshalter 35 und eine Muffe 36 vorhanden. Das Linearlager 37 ist eine Buchse oder ein Keilprofil und führt lineare Bewegung des Läufers 34.
Da der einzelne abstoßende Magnet 38 zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 31a und 31b vorhanden ist, ist es möglich, die Anzahl abstoßender Magneten 38 zu verringern. Des Weiteren können, wie in 18 dargestellt, wenn eine Vielzahl von Wicklungseinheiten so ausgerichtet sind, dass der Schub verstärkt wird, Module, die jeweils aus der ersten Wicklung 31a, dem abstoßenden Magneten 38 und der zweiten Wicklung 31b bestehen, vorteilhafterweise in der Achsenrichtung ausgerichtet sein. Des Weiteren ist, da kein abstoßender Magnet außerhalb der Wicklungseinheit vorhanden ist, nicht zu befürchten, dass der abstoßende Magnet durch äußere Eisenteile angezogen wird.
Bei dem Läufer 34 sind, wie in 17 dargestellt, ein erster Permanentmagnet 39a und ein zweiter Permanentmagnet 39b so angeordnet, dass ein Zwischenraum in der Achsenrichtung zwischen ihren vorhanden ist. Der erste und der zweite Permanentmagnet 39a und 39b sind so angeordnet, dass die verschiedenen Pole einander zugewandt sind, so sind beispielsweise der S-Pol, der N-Pol, der S-Pol und der N-Pol von der haken Seite her angeordnet. Beide Enden einer aus dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 39a und 39b bestehenden Permanentmagneteinheit in der Achsenrichtung stehen von beiden Enden der aus der ersten und der zweiten Wicklung 31a und 31b bestehenden Wicklungseinheit in der Achsenrichtung vor.
Wie im unteren Teil von 17 dargestellt, kann bei dem Läufer 34 ein einzelner mittiger Permanentmagnet 41 vorhanden sein. Die Lange des mittigen Permanentmagneten 41 in der Achsenrichtung ist länger als der Abstand zwischen den Innenseiten der ersten und der zweiten Wicklung 31a und 31b und kurzer als der Abstand zwischen ihren Außenseiten. An jedem Ende des mittigen Permanentmagneten 41 kann ein konisches Magnetmaterial 42, wie beispielsweise Eisen, angeordnet sein. Durch dieses Magnetmaterial 42 werden die Magnetfeldlinien an beiden Enden des mittigen Permanentmagneten 41 allmählich verringert, so dass der Hub des Läufers verlängert wird und Bewegung des Läufers 34 ruhiger wird.
19 stellt ein Beispiel dar, bei dem die erste und die zweite Wicklung 31a und 31b mit einem röhrenförmigen Joch 43 abgedeckt sind, das aus Magnetmaterial, wie beispielsweise Eisen, besteht. In dem Joch 43 sind Abschlusswände 43a vorhanden, die beide Enden der Wicklungseinheit in der Achsenrichtung abdecken. Durch dieses Joch 43 entsteht ein Magnetkreis 44, der sich von den beiden Enden der Magneteinheit in der Achsenrichtung über das Joch 43 zu dem abstoßenden Magneten 38 erstreckt, so dass die Anziehungskraft verstärkt wird und der Läufer 34 kräftig oszilliert wird.
20 stellt ein Linearmotor-Stellglied (Typ mit drei Wicklungen) gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Linearmotor-Stellglied ist insofern das gleiche wie das Linearmotor-Stellglied gemäß der ersten Ausführungsform, als ein Ständer 50 eine erste und eine zweite Wicklung 51a und 51b hat und ein Läufer 56 einen ersten bis vierten Permanentmagneten 53a, 53b, 54a und 54b aufweist. Das Linearmotor-Stellglied dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Linearmotor-Stellglied dadurch, dass ein Paar Ringmagnete 553 und 55b als abstoßende Magnete zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b des Ständers 50 vorhanden sind und eine zusätzliche dritte Wicklung 52 zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b des Ständers 50 vorhanden ist.
Die paarigen Ringmagnete 55a und 55b decken den ersten und den zweiten Permanentmagneten bzw. den ersten und den zweiten Permanentmagneten 53a und 53b ab. Die Länge der paarigen Ringmagnete 55a und 55b in der Achsenrichtung ist kürzer als die Länge des ersten bzw. des zweiten Permanentmagneten 53a und 53b in der Achsenrichtung. Wenn sich der Läufer 56 in der Mitte des Hubs befindet, befindet sich ein Ringmagnet 55a im Bereich der Länge des ersten Permanentmagneten 53a in der Achsenrichtung, und der andere Ringmagnet 55b befindet sich im Bereich der Länge des zweiten Permanentmagneten 53b in der Achsenrichtung. Dabei sind die Mitten der paarigen Ringmagnete 55a und 55b um eine vorgegebene Versetzungslänge gegenüber der Mitte der ersten und der zweiten Permanentmagnete 53a bzw. 53b versetzt (siehe 23).
Außerhalb der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b des Ständers 50 sind eine Keilwellenmutter 59 sowie eine Kugellaufbuchse 60 über einen Abstandshalter 57 und eine Muffe 58 angebracht. An einem Ende einer Stange 61 des Läufers 56 ist eine Keilwelle 62 mit einer darin ausgebildeten Keilnut angebracht. Am anderen Ende ist eine Buchsenwelle 63 mit einem kreisförmigen Querschnitt daran angebracht. Die Keilwelle 62 und die Keilwellenmutter 59 dienen dazu, Drehung von dem Läufer 56 herunter zu stoppen. Um Kontakt zwischen den Kugeln zu verhindern, ist ein Käfig in die Keilwelllenmutter 59 und die Kugellaufbuchse 60 eingepasst.
21 ist eine Perspektivansicht, die die Positionsbeziehung zwischen den paarigen Ringmagneten 55a und 55b sowie dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 53a und 53b darstellt. Die scheibenförmigen Ringmagnete 55a und 55b sind magnetisierte S- und N-Pole in der Achsenrichtung. Der erste und der zweite Permanentmagnet 53a und 53b sind ebenfalls mit S- und N-Polen in der Achsenrichtung magnetisiert. Wenn die N- und S-Pole der Ringmagnete 55a und 55b sowie die N- und S-Pole des ersten und des zweiten Permanentmagneten 53a und 53b umgekehrt werden, befindet sich der Mittelpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 53a und 53b in der Achsenrichtung am Mittelpunkt zwischen den Ringmagneten 55a und 55b in der Achsenrichtung.
Wenn sich der erste und der zweite Permanentmagnet 53a und 53b von den Mittelpunkten der Ringmagnete 55a und 55b nach links bewegen, wird, wie in 22(a) dargestellt, nach rechts wirkende Elastizität in dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 53a und 53b erzeugt. Wenn die Mittelpunkte des ersten und des zweiten Permanentmagneten 53a und 53b mit den Mittelpunkten der Ringmagnete 55a und 55b übereinstimmen, befinden sie sich, wie in 22(b) dargestellt, im Gleichgewicht, und der erste sowie der zweite Permanentmagnet 53a und 53b werden an ihren Positionen gehalten. Wenn sich der erste und der zweite Permanentmagnet 53a und 53b von den Mittelpunkten der Ringmagnete 55a und 55b nach rechts bewegen, wird, wie in 22(c) dargestellt, nach links wirkende Elastizität in dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 53a und 53b erzeugt. Da beide Magnetpole der Ringmagnete 55a und 55b Elastizität bewirken, ist es möglich, den volumetrischen Wirkungsgrad (Elastizität/Volumen) zu verbessern.
Wenn die Mittelpunkte der paarigen Ringmagnete 55a und 55b gegenüber den jeweiligen Mittelpunkten des ersten und des zweiten Permanentmagneten 53a und 53b verschoben werden, wird, wie in 23 dargestellt, der Läufer 56 zur Mitte des Hubs hin vorgespannt. 24 stellt die Beziehung zwischen der Position des Läufers 56 und Elastizität (erzeugende Kraft) dar, die in dem Läufer 56 erzeugt wird. Die Elastizität an dem Läufer 56 ist eine Kombination der Elastizität an dem ersten Permanentmagneten 53a und der Elastizität an dem zweiten Permanentmagneten 53b. Da sie kombiniert werden, kann die kombinierte Elastizität selbst in der Nähe des Ausgangspunktes proportional zur Verschiebung sein, wodurch das Zurückführen des Läufers 56 an den Ausgangspunkt 56 erleichtert wird. Des Weiteren sind, wie in 23 dargestellt, die paarigen Ringmagnete 55a und 55b innerhalb der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b des Ständers 50 angeordnet, so dass Magnetkraft von den paarigen Ringmagneten 55a und 55b nach außen austritt und so die Gefahr der Absorption von Fremdkörpern verringert wird.
Im Folgenden wird die dritte Wicklung 53 beschrieben, die sich zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b befindet. Die dritte Wicklung 52 ist, wie in 20 dargestellt, zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b sowie zwischen den paarigen Ringmagneten 55a und 55b angeordnet. Die paarigen Ringmagnete 55a und 55b sind in dem Ständer 50 so angeordnet, dass die gleichen Pole einander zugewandt sind.
25(a) bis 25(c) stellen die Veränderung an Magnetpolen dar, die an beiden Enden der dritten Wicklung 52 ausgebildet sind. In der dritten Wicklung 62 fließt, wie in dieser Figur dargestellt, Wechselstrom mit der gleichen Phase wie der der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b. Die Wicklungsrichtung der dritten Wicklung 52 ist umgekehrt zur Wicklungsrichtung der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b, und denen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b gegenüberliegende Magnetpole sind an beiden Enden der dritten Wicklung 52 in der Achsenrichtung ausgebildet. Die gegenüberliegenden Magnetpole können auch in der dritten Wicklung 52 ausgebildet sein, wenn die Wicklungsrichtung der dritten Wicklung 52 die gleiche ist wie die der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b und Strom in der entgegengesetzten Richtung geleitet wird. Wenn der Wechselstrom mit der gleichen Phase durch die erste bis dritte Wicklung 51a, 51b und 52 geleitet wird, werden die durch die Magnetfeldverteilung in jedem Wicklungsträger in der Figur angedeuteten N- und S-Pole an beiden Enden der Wicklung in der Achsenrichtung erzeugt. Wenn der Ständer als Ganzes betrachtet wird, heben die durch horizontale Schraffierung angedeuteten Magnetfelder einander auf, und die durch schräge Schraffierung angedeuteten Magnetfelder verstärken einander. Daher ist, wenn angenommen wird, dass der Ausgang der Wicklungen 51a, 51b und 52 der gleiche ist wie der Ausgang der Ringmagnete 55a und 5b, die Stärke des Magnetfeldes des Ständers 50 als Ganzes wie in der Magnetfeldverteilung in dem Ständer in der Figur gezeigt. Bei dieser Magnetfeldverteilung in dem Ständer wirkt, wenn sich der Läufer 56 zum linken Ende bewegt, Elastizität zur Bewegung nach rechts auf den Läufer 56, wie dies in 25(a) dargestellt ist. Wenn sich der Läufer 56 nach rechts bewegt, wirkt Elastizität zur Bewegung nach links auf den Läufer 56, wie dies in 25(c) dargestellt ist. Da die dritte Wicklung 52 zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b vorhanden ist, wird es möglich, den Läufer 56 mit größerer Amplitude und stärker oszillieren zu lassen.
26(a) bis 26(c) stellen den Ausgang der ersten bis dritten Wicklung dar. 26(a) stellt den Ausgang der ersten und der zweiten Wicklung 51a bzw. 51b dar. Bei diesem Beispiel sind die Phasen der Ausgänge der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b um π/4 zueinander versetzt. Dementsprechend ist ein Wert, der ermittelt wird, indem die Ausgänge der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b kombiniert werden, 1,8-mal größer als der einzelne Ausgang der ersten Wicklung 51a. 26(b) stellt einen Ausgang der dritten Wicklung 52 dar. Wenn der Ausgang der dritten Wicklung 52 1,8-mal größer ist als der Ausgang der ersten Wicklung 51a, kann die Größe des kombinierten Ausgangs der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b dem Ausgang der dritten Wicklung 52 entsprechen. Da die Größen der Ausgänge einander entsprechen, kann, wie in 26(c) dargestellt, der kombinierte Ausgang der ersten bis dritten Wicklung nahe an einer genauen Sinuswelle liegen. Dementsprechend kann die Zeitverschiebungskurve des Läufers 56 ebenfalls nah an der genauen Sinuswelle liegen. Dabei wird, wenn ein Stereo-Verstärker verwendet wird, der Ausgang der dritten Wicklung 52 gegenüber den Ausgängen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b phasenversetzt, und diese Ausgänge haben den gleichen Spitzenwert und die Ausgänge können effektiver sein.
Dabei können, um den Ausgang der dritten Wicklung 52 auf das 1,8-fache des Ausgangs der ersten Wicklung 51a zu erhöhen, Amper-Windungen der dritten Wicklung 52 auf das 1,8-fache der Amper-Windungen der ersten Wicklung 51a erhöht werden. Das heißt, es muss die folgende Gleichung erfüllt sein:
Stromfluss in der dritten Wicklung 52 × Anzahl der Windungen = Stromfluss in der ersten Wicklung 51a × Anzahl der Windungen × 1,8.
Wenn beispielsweise eine Spannung von 10 Volt an die Wicklung angelegt wird, gelten die folgenden Gleichungen:
Dritte Wicklung = 1500 [T] × 111 [mA] = 166.5 [AT]
Erste Wicklung = zweite Wicklung = 2400 [T] × 45 [mA] = 108.0
Bei Betrachtung eines Ausgangsverhätnisses (Amperwindungsverhältnis) ergibt sich 166,51108,0 = 1,54 (wobei dies nahezu 1,8 ist)
Eine Differenz zwischen 1,54 und 1,8 ist als Induktivität der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b gegeben, und diese wird bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Der tatsächliche Ausgang der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b ist niedriger als 108,0 [AT]. Wenn die umgekehrte Verbindung in der dritten Wicklung 52 hergestellt wurde, funktionierte der Läufer 56 bei dem oben aufgeführten Ausgangsverhältnis nicht. Daher kann bestätigt werden, dass der Ausgang der dritten Wicklung 52 annähernd der Kombination der Ausgänge der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b gleich ist.
Aufgrund des Prinzips des Oszillierens des Läufers 56 ist es notwendig, den Mittenabstand der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b zu dem Polabstand zu versetzen. Dadurch wird ein Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b einfach hergestellt. Da die dritte Wicklung 52 zwischen der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b angeordnet ist, ist es möglich, den nicht erforderlichen Zwischenraum zu verkleinern und den volumetrischen Wirkungsgrad (Ausgang/Volumen) zu verbessern. Des Weiteren ist es, wenn der Ausgang der dritten Wicklung 52 größer ist als die Ausgänge der ersten und der zweiten Wicklung 51a und 51b, möglich, dass die oben erwähnten kombinierten Ausgänge der ersten bis dritten Wicklung 51a, 51b bzw. 52 nahe an einer Sinuswelle liegen.
27 zeigt einen Grundaufbau des Linearmotor-Stellgliedes vom Typ mit einer Wicklung, das lediglich eine Wicklung 63 in einem Ständer 61 aufweist. Der Läufer 4 durchläuft einen Raum in der Wicklung 63. Die Achsenlinie der Wicklung 63 stimmt mit der Oszillation des Läufers 62 überein. An beiden Enden der Wicklung 63 in der Achsenrichtung ist ein Linearlager 66 über einen Abstandshalter 64 und eine Muffe 65 vorhanden. Das Linearlager 66 ist eine Buchse oder ein Keilprofil und führt lineare Bewegung des Läufers 62. Die Wicklung 63, der Abstandshalter 64, die Muffe 65 und das Linearlager 66 sind in einem röhrenförmigen Joch des Ständers 61 aufgenommen.
Der Läufer 62 weist eine rohrartige Stange 68 sowie einen ersten und einen zweiten Permanentmagneten 67a und 67b auf, die mit einem Zwischenraum in der Stange 68 angeordnet sind. Das Verhältnis der Anzahl von Wicklungen 63 zur Anzahl der Permanentmagneten 67a, 67b beträgt 1:2. Beide Enden des ersten und des zweites Permanentmagneten 67a und 67b in der Achsenrichtung sind jeweils mit N- und S-Polen magnetisiert, und diese Permanentmagnete sind so angeordnet, dass die gleichen Pole einander zugewandt sind (der N-Pol ist dem N-Pol zugewandt, und der S-Pol ist dem S-Pol zugewandt). Der Abstand 14 innerhalb des ersten und des zweiten Permanentmagneten 67a und 67b ist größer als die Länge L3 der Wicklung 63 in der Achsenrichtung. Daher sind der erste und der zweite Permanentmagnet 67a und 67b axial außerhalb der Wicklung 63 angeordnet. Dabei muss die Länge L5 zwischen beiden axialen Enden einer Permanentmagneteinheit, die aus dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 67a und 67b besteht, nur größer sein als die Länge der Wicklung 63 in der Achsenrichtung, und der Innenraum des ersten und des zweiten Permanentmagneten 67a und 67b kann zwischen beide Enden der Wicklung 63 in der Achsenrichtung fallen. Die Länge jedes der Permanentmagneten 67a und 67b in der Achsenrichtung ist kleiner als die Länge der Wicklung 63 in der Achsenrichtung. Die Positionsbeziehung zwischen der Wicklung 63 und dem ersten sowie dem zweiten Permanentmagneten 67a, 67b ist so, dass, wenn sich der Läufer 62 bis zu einem Ende in der Achsenrichtung bewegt, sich der erste oder der zweite Permanentmagnet 67a bzw. 67b innerhalb der Wicklung 63 bewegt, und wenn sich der Läufer 62 bis zu dem anderen Ende in der Achsenrichtung bewegt, sich der andere von dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 67a bzw. 67b im Inneren der Wicklung 63 bewegt.
Wenn einphasiger Strom in der Wicklung 63 fließt, werden die Magnetpole an beiden Enden der Wicklung 63 in der Reihenfolge SN, sn, NS, ns und SN ausgebildet. Wenn beispielsweise der S-Pol an dem linken Ende ausgebildet ist und der N-Pol an dem rechten Ende der Wicklung 63 ausgebildet ist, ziehen die Wicklung 63 und der erste Permanentmagnet 67a einander an, und die Wicklung 63 sowie der zweite Permanentmagnet 67b stoßen einander ab. Daher bewegt sich der Läufer 62 in der Figur nach rechts. Wenn sich der Läufer 62 in der Figur nach rechts bewegt, tritt der erste Permanentmagnet 67a in die Wicklung 63 ein. Wein sich der erste Permanentmagnet 67a in der Wicklung 63 befindet, wird der Stromfluss in der Wicklung 63 umgekehrt. Dann stoßen der erste Permanentmagnet 67a und die Wicklung 63 einander stark ab. Daher wird die Bewegungsrichtung des Läufers 62 umgekehrt, und er bewegt sich in der Figur nach links. Wenn sich der Läufer 62 über die Mitte des Hubs hinaus bewegt, ziehen die Wicklung 63 und der zweite Permanentmagnet 67b einander an, und der zweite Permanentmagnet 67b tritt in die Wicklung 63 ein. Wenn der Stromfluss in der Wicklung 63 in diesem Zustand umgekehrt wird, stoßen der zweite Permanentmagnet 67b und die Wicklung 63 einander stark ab, und die Bewegungsrichtung des Läufers 62 wird wieder umgekehrt. Wenn sich dies wiederholt, oszilliert der Läufer 62.
An beiden Enden der Wicklung 63 in der Achsenrichtung können paarige Ringmagnete angeordnet sein, die den ersten und den zweiten Permanentmagnet 67a bzw. 67b abdecken und den Läufer 62 zur Mitte des Hubs zurückführen, wenn kein Strom in der Wicklung 63 fließt. Die Anordnung der paarigen Ringmagnete und der Magnetpole kann die gleiche sein wie die der paarigen Ringmagnete 55a und 55b, die an beiden Enden der dritten Wicklung 52 in 23 und 25 angeordnet sind. Wenn die paarigen Ringmagnete vorhanden sind, wird es möglich, den Läufer an den Ausgangspunkt zurückzuführen und des Weiteren den Läufer 62 oszillieren zu lassen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Um die Phase des in der ersten Wicklung des Ständers erzeugten Schubs gegenüber der der zweiten Wicklung zu versetzen, können Wechselströme unterschiedlicher Phase durch die erste und die zweite Wicklung des Ständers geleitet werden, und ein Mittenabstand zwischen der Mitte der ersten Wicklung in der Achsenrichtung und der Mitte der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung kann dem Polabstand des Läufers entsprechen. Der Läufer kann einen oder mehrere Permanentmagneten aufweisen, und erste bis vierte Permanentmagnete können wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform vorhanden sein.
Des Weiteren können, um die Phase von in der ersten Wicklung des Ständers erzeugtem Schub gegenüber der der zweiten Wicklung zu versetzen, phasenversetzte Ströme durch die erste und die zweite Wicklung des Ständers geleitet werden, und der Mittenabstand zwischen den Mitten der ersten und der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung kann sich von dem Polabstand des Läufers unterscheiden. Der Läufer kann einen oder mehrere Permanentmagnet/e aufweisen, und es können wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der erste bis vierte Permanentmagnet vorhanden sein.
Die Anordnung des Läufers ist nicht auf die Anordnung in der horizontalen Richtung beschränkt, und es kann sich um eine Anordnung in der vertikalen Richtung handeln. Wenn Schwerkraft auf den Läufer wirkt, kann sich der Läufer soweit bewegen, wie Kraft von der ersten und der zweiten Wicklung auf den ersten und den zweiten Permanentmagneten wirkt.
Wenn die Trägheit des Läufers gering ist, kann sich der Läufer bewegen, wenn zwei äußere Permanentmagnete oder abstoßende Magnete weggelassen werden. Wenn die Trägheit des Läufers stark ist, kann eine Feder zwischen dem Ständer und dem Läufer hinzugefügt werden.
Beim Oszillieren des Läufers können die Stromflüsse in die erste und die zweite Wicklung hinein nur Wechselstrom sein, der in vorgegebenen Perioden abwechselnd in einander entgegengesetzte Richtungen fließt. Nicht nur die Sinuswellen-Spannung, sondern auch Sägezahnwellen-Spannung, Dreieckwellen-Spannung oder Rechteckwellen-Spannung können an die erste und die zweite Wicklung angelegt werden.
Des Weiteren können die erste und die zweite Wicklung in dem Läufer vorhanden sein, und der erste sowie der zweite Permanentmagnet können in dem Ständer vorhanden sein, so dass sich die Wicklungsseite bewegen kann.
Die vorliegende Patentbeschreibung basiert auf den japanischen Patentanmeldungen Nr. 2009-098601 , eingereicht am 15. April 2009 sowie Nr. 2009-293915 , eingereicht am 25. Dezember 2009, deren gesamter Inhalt durch Verweis ausdrücklich einbezogen wird.
Industrielle Einsetzbarkeit
Das Linearmotor-Stellglied der vorliegenden Erfindung weist hohe Steifigkeit auf und kann auch in einem Bereich hoher Geschwindigkeit angesteuert werden. Daher kann es auf verschiedenen technischen Gebieten, wie beispielsweise Stellgliedern für Konsumgüter, Messeinheiten, Handwerksmaschinen, Kraftfahrzeugen, medizinischen Maschinen, Robotern und Industriemaschinen eingesetzt werden. Es eignet sich besonders zum Einsatz bei der Ansteuerung zum Fokussieren in Kameras, für Handwerkzeuge, Pumpen, Die-Bond-Vorrichtungen, Prüfstifte für Leiterplatten-Testvorrichtungen und dergleichen. Wenn es groß dimensioniert ist, kann es als Dämpfvorrichtung eingesetzt werden.
Der Linearmotor der vorliegenden Erfindung kann geeigneterweise als ein oszillierendes Stellglied eingesetzt werden, das eine größere Amplitude im Bereich von 0 bis 200 Hz hat. Wenn eine Kodiereinrichtung eingesetzt wird, um einen Stromfluss in die erste und die zweite Wicklung hinein zu steuern, ist es möglich, die Position des Läufers zu steuern.
Bezugszeichenliste

1a, 31a, 51a...: erste Wicklung
1b, 31b, 51b...: zweite Wicklung
52...: dritte Wicklung
2, 32, 50, 61...: Ständer
3a, 53a, 67a...: erster Permanentmagnet
3b, 53b, 67b: zweiter Permanentmagnet
3c, 41...: mittiger Permanentmagnet
4, 34, 56, 62...: Läufer
121, 12b...: paarige abstoßende Magnete (Rückstell-Permanentmagnete)
13a...: dritter Permanentmagnet
13b...: vierter Permanentmagnet
38...: Ringmagnet (Rückstell-Permanentmagnete)
55a, 55b...: paarige Ringmagnete (Rückstell-Permanentmagnete)
61...: Wicklung

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

JP 2009-098601 [0113]
JP 2009-293915 [0113]

Claims

Linearmotor-Stellglied, das umfasst: einen Läufer oder einen Ständer, der wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert ist, wobei das andere Element von dem Läufer und dem Ständer eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgeben und in der Achsenrichtung angeordnet sind, Wechselströme mit gleichen Phasen durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung geleitet werden und sich ein Mittenabstand zwischen einer Mitte der ersten Wicklung und einer Mitte der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung von einem Polabstand von Magnetpolen des Läufers oder des Ständers so unterscheidet, dass die Phase des in der ersten Wicklung erzeugten Schubs und die Phase des in der zweiten Wicklung erzeugten Schubs zueinander versetzt sind.
Linearmotor-Stellglied nach Anspruch 1, wobei der Läufer oder der Ständer als den wenigstens einen Permanentmagneten, einen ersten Permanentmagneten und einen zweiten Permanentmagneten aufweist, die in der Achsenrichtung so angeordnet sind, dass die gleichen Magnetpole einander zugewandt sind, und sich der Polabstand äußerer Magnetpole des ersten Permanentmagneten und des zweiten Permanentmagneten oder der Polabstand innerer Magnetpole des ersten Permanentmagneten und des zweiten Permanentmagneten von dem Mittenabstand der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung unterscheidet.
Linearmotor-Stellglied nach Anspruch 2, wobei sich der Polabstand der äußeren Magnetpole des ersten Permanentmagneten und des zweiten Permanentmagneten von dem Mittenabstand der ersten und der zweiten Wicklung unterscheidet, und außerhalb des ersten Permanentmagneten und des zweiten Permanentmagneten ein dritter Permanentmagnet und ein vierter Permanentmagnet, die mit N- und S-Polen in der Achsenrichtung magnetisiert sind, so angeordnet sind, dass die äußeren Magnetpole des ersten Permanentmagneten und des zweiten Permanentmagneten verstärkt werden.
Linearmotor-Stellglied nach Anspruch 2 oder 3, wobei das andere Element von dem Läufer und dem Ständer mit einem Rückstell-Permanentmagneten versehen ist, mit dem der Läufer an eine Mitte eines Hubs zurückgestellt wird, wenn kein Strom durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung geleitet wird.
Linearmotor-Stellglied nach Anspruch 4, wobei der Rückstell-Permanentmagnet ein Paar Ringmagnete aufweist, die im Inneren der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung angeordnet sind und den ersten Permanentmagneten sowie den zweiten Permanentmagneten umgeben, und jeder der Ringmagnete mit N- und S-Polen in der Achsenrichtung magnetisiert ist.
Linearmotor-Stellglied nach Anspruch 5, wobei in dem anderen Element von dem Läufer und dem Ständer die Ringmagnete so angeordnet sind, dass gleiche Pole einander zugewandt sind, und eine dritte Wicklung zwischen den Ringmagneten angeordnet ist.
Linearmotor-Stellglied nach Anspruch 2, wobei bei dem Läufer oder dem Ständer ein mittigen Permanentmagnet zwischen dem ersten Permanentmagneten und dem zweiten Permanentmagneten angeordnet ist, der Polabstand zwischen Magnetpolen des mittigen Permanentmagneten in der Achsenrichtung kürzer ist als Innenabmessungen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung, und wenn sich der Läufer bis zu einem Ende in der Achsenrichtung bewegt, ein Magnetpol des mittigen Permanentmagneten in die erste Wicklung oder die zweite Wicklung gelangt und, wenn sich der Läufer bis zu einem gegenüberliegenden Ende in der Achsenrichtung bewegt, ein anderer Magnetpol des mittigen Permanentmagneten in eine andere von der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung gelangt.
Linearmotor-Stellglied nach Anspruch 1, wobei der Läufer oder der Ständer als den wenigstens einen Permanentmagneten einen mittigen Permanentmagneten aufweist, der mit N- und S-Polen in der Achsenrichtung magnetisiert ist und zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung angeordnet ist, und der Polabstand zwischen Magnetpolen des mittigen Permanentmagneten in der Achsenrichtung kürzer ist als Innenabmessungen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung.
Linearmotor-Stellglied, das umfasst: einen Läufer oder einen Ständer, der wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert ist, wobei das andere Element von dem Läufer und dem Ständer eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgeben und in der Achsenrichtung angeordnet sind, Wechselströme mit unterschiedlichen Phasen durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung geleitet werden und ein Mittenabstand zwischen einer Mitte der ersten Wicklung und einer Mitte der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung einem Polabstand von Magnetpolen des Läufers oder des Ständers entspricht, so dass die Phase des in der ersten Wicklung erzeugten Schubs und die Phase des in der zweiten Wicklung erzeugten Schubs zueinander versetzt sind.
Linearmotor-Stellglied, das umfasst: einen Läufer oder einen Ständer, der wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert ist, wobei das andere Element von dem Läufer und dem Ständer eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgeben und in der Achsenrichtung angeordnet sind, Wechselströme mit unterschiedlichen Phasen durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung geleitet werden und sich ein Mittenabstand zwischen einer Mitte der ersten Wicklung und einer Mitte der zweiten Wicklung in der Achsenrichtung von einem Polabstand von Magnetpolen des Läufers oder des Ständers so unterscheidet, dass die Phase des in der ersten Wicklung erzeugten Schubs und die Phase des in der zweiten Wicklung erzeugten Schubs zueinander versetzt sind.
Linearmotor-Stellglied, das umfasst: einen Läufer oder einen Ständer, der eines ersten Permanentmagneten und einen zweiten Permanentmagneten aufweist, die mit N- und S-Polen in einer Achsenrichtung magnetisiert sind und mit einem zwischen ihnen ausgebildeten Zwischenraum so angeordnet sind, dass gleiche Pole einander zugewandt sind, wobei ein anderes Element von dem Läufer und dem Ständer eine Wicklung aufweist, die den Läufer oder den Ständer umgibt, und ein Abstand von N-Pol zu N-Pol oder ein Abstand von S-Pol zu S-Pol äußerer Magnetpole des ersten Permanentmagneten und des zweiten Permanentmagneten größer ist als eine Länge der Wicklung in der Achsenrichtung, und sich der Läufer, wenn ein Wechselstrom durch die Wicklung geleitet wird, relativ zu dem Ständer bewegt, und wenn sich der Läufer bis zu einem Ende des Hubs bewegt, der erste Permanentmagnet in die Wicklung gelangt, und wenn sich der Läufer zu einem entgegengesetzten Ende des Hubs bewegt, der zweite Permanentmagnet in die Wicklung gelangt.