DE2654075A1

DE2654075A1 - Linearmotor

Info

Publication number: DE2654075A1
Application number: DE19762654075
Authority: DE
Inventors: Johann Von Der Dipl Ing Heide; Georg Fr Papst
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1976-11-29
Filing date: 1976-11-29
Publication date: 1978-06-01
Also published as: US4151447A

Description

PATENTANWALT DIVL.-lNC. GERHARD SCHWAN

BÜRO: 8000 MÜNCHEN 83 · ELfENSTRASSE 32

Papst Motoren KG
7742 St. Georgen / Schwarzwald

Linearmotor

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit zwei parallelen,
ferromagnetischen Schienen, die mit einer Magnetanordnung verbunden sind, sowie mit einer in der Längsrichtung der Schienen relativ zu diesen bewegbaren und dabei die magnetischen Feldlinien schneidenden, stromdurchflossenen Spulenanordnung, insbesondere für Antriebsaufgaben in Peripheriegeräten der Datentechnik.

Bei einem bekannten Motor dieser Art (DT-OS 2 309 750) ist an
mindestens einem Ende der beiden ferromagnetischen Sc hienen
ein Magnet angepaßt, der zwischen den Schienen ein gerichtetes Feld erzeugt. Auf den Schienen ist eine stromdurchflossene Spule beweglich geführt. Bei diesem Motor treten jedoch je Krafteinheit zwangsweise hohe Verluste auf, weil zur Krafterzeugung nur ein kleiner Leiterteil der stromdurchflossenen Spule beiträgt. Es sind große Eisenquerschnitte und damit ein hohes Eisengewicht erforderlich, da rasch eine Eisensättigung eintritt.

Bei einer anderen bekannten Ausbildung eines Linearmotors (US-PS 3 899 699) ist ein stabförmiger, langgestreckter Dauermagnet

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FERNSPRECHER: 0811/6012039 ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

vorgesehen, der in einem im wesentlichen U-förmigen Eisenrückschlußteil sitzt. Parallel zu dem senkrecht zu seiner Längsabmessung magnetisierten Dauermagneten ist ein ferromagnetischer Stab angeordnet, der von einer stromdurchflossenen Zylinderspule umfaßt wird, die auf einem zur Flußrückführung herangezogenen Wagen montiert ist. Auch bei dieser Anordnung trägt nur höchstens die halbe Spule zur Krafterzeugung bei. Der Fluß sammelt sich im Wagen, was zur Folge hat, daß der Wagen für eine brauchbare Flußrückführung schwer ausgebildet sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearmotor zu schaffen, bei dem ein großer Teil der Spule zur Krafterzeugung beiträgt und der mit einer vergleichsweise geringen Eisenmasse auskommt .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Innenseite mindestens einer der Schienen eine Reihe von senkrecht zu der Längsrichtung und in dieser Richtung abwechselnd magnetisierten Magneten angeord.net ist, und daß die Spulenanordnung mindestens zwei zwischen der einen Magnetreihe und der anderen Schiene bzw. zwischen den Magnetreihen beider Schienen in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnete Spulen (22,23) aufweist, deren Teilung im wesentlichen der Bedingung

t = — t + nt
.sp pm m

genügt, wobei

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t = Spulenteilung,

t = Magnetteilung,

η = beliebige ganze Zahl,

ρ ·= Phasen- oder Strangzahl.

Bei einem solchen Linearmotor tragen zur Krafterzeugung Leiterteile der stromdurchflossenen Spulen von maximaler Länge bei. Die je Krafteinheit auftretenden Verluste sind besonders klein gehalten. Der Motor kommt mit einem relativ niedrigen Eisengewicht aus, da seine Eisenteile nicht dazu neigen, in die Sättigung zu gehen. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Reihen von Magneten auf den Innenseiten der Schienen so angeordnet) daß ungleichnamigpolige Magneten sich jeweils einander gegenüberstehen. Die beiden Schienen können die Schenkel eines einstückigen, ferromagnetischen U-Profils sein. Dieses U-Profil kann gleichzeitig als tragendes Bauteil der Anordnung dienen.

Die Magneten können zweckmäßig als Dauermagneten ausgebildet sein. Als Spulen werden vorteilhafterweise Flachspulen vorgesehen, deren Breitseiten parallel zu der Spulenbewegungsrichtung liegen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zur lageabhängigen Kommutierung der Ströme in den Spulen vorgesehen. Die Kommutierungseinrichtung kann Magnetfeldsensoren aufweisen, die in Synchronismus mit den Spulen im Luftspalt zwischen .den Magneten bewegbar sind. Statt dessen kann die Kommutierungseinrichtung auch mit einer die jeweilige Spulenstellung ermittelnden op-

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toelektronischen Lagemeßeinrichtung ausgestattet sein.

Es können Mittel zum Betreiben des Linearmotors als Servomotor vorgesehen sein. Die Spulen können auch an einen Lageregler angeschlossen sein, beispielsweise einen Lageregler, der aus der DT-OS 2 543 668 bekannten Art. Dabei kann die Lagerückmeldung zweckmäßig auf optoelektronischem Wege erfolgen. So kann zweckmäßig ein der Lagerückmeldung dienendes Vergleichsnormal unterhalb der Magneten an staubgeschützter Stelle nahe dem Beden des U-förmigen Trägers angeordnet sein.

Wird der Motor zum Antrieb von Druckerwagen in Datenschreibern oder dergleichen eingesetzt, ergeben sich besondere Probleme aus dem bei solchen Anwendungen in größeren Mengen anfallenden Papierstaub, der insbesondere das Arbeiten von optoelektronischen Baugruppen der Anordnung beeinträchtigen kann. Um dem zu begegnen, ist vorzugsweise eine die Spulenbewegung zulassende flexible Staubabdeckung vorgesehen. Dabei kann es sich um ein mit.den Spulen .mitbewegbares Band handeln. Die Staubabdeckung kann aber auch gehäusefest angeordnete Abdeckstreifen aufweisen, die normalerweise in Schließstellung liegen, jedoch einen Durchtritt der Spulenanordnung erlauben.

Zur besseren thermischen Nutzung kann der Spulenanordnung eine Zwangskühlung zugeordnet sein. Dabei ist zweckmäßig ein Gebläse vorgesehen, das in dem Raum zwischen den ferromagnetischen Schienen einen Kühlluftstrom erzeugt. Mittels des Gebläses läßt sich zugleich in diesem Raum ein Überdruck aufrecht erhalten, der in

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Verbindung mit der Staubabdeckung das Eindringen von Staub verhindert.

Das U-Profil kann zugleich das tragende Bauteil eines mit dem Motor ausgestatteten Gerätes, beispielsweise eines Datendruckers, bilden.

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

Fig. 1 eine perspektiphische schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Linearmotors mit zwei Reihen von Magneten,

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilansicht des Motors nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform . des Motors einschließlich Staubabdeckung,

Fig. 4 ein Querschnitt des Motors nach Fig. 3 und

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Kommutierungsschaltung.

Der insgesamt mit 10 bezeichnete Ständer des Linearmotors nach Fig. 1 weist zwei ferromagnetische Schienen 12,13 auf, welche die beiden hochstehenden Schenkel eines U-förmigen Trägers 11 bilden.

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Die Schienen 12, 13 sind an ihrer Innenseite mit jeweils einer Reihe von Dauermagneten 14 versehen. Die Dauermagneten 14 sind in einer quer zum Innenraum des Trägers 11 verlaufenden Richtung magnetisiert. Die Magnetisierung wechselt dabei in der Weise ab, daß die nach innen weisende Breitseite eines Dauermagneten 14 einen magnetischen Südpol und die nach innen weisende Breitseite des in Längsabmessung des Trägers 11 folgenden Dauermagneten einen magnetischen Nordpol bildet. Die Magneten an der Schiene 12 sind mit den an der Schiene 13 angebrachten Magneten in Querrichtung des Trägers 11 ausgerichtet. Einem Südpol an der nach innen weisenden Breitseite eines Magneten an der Schiene 12 steht ein Nordpol gegenüber, der von der nach innen gerichteten Breitseite des betreffenden Magneten an der Schiene 13 gebildet wird, und umgekehrt. Die Magnetteilung t ist in Fig. 2 angedeutet. An den beiden Stirnseiten des Trägers 11 befinden sich Abschlußplatten 15, 16 zwischen denen sich Führungsstangen 17,18 erstrecken.

Der Läufer 20 des Linearmotors umfaßt einen an den Führungsstangeni7,18 gleitbeweglich abgestützten Wagen 21, der zwei stromdurchflossene Flachspulen 22,23 trägt. Die Flachspulen 22,23 liegen in Längsrichtung des Trägers 11 nebeneinander und erstrecken sich in den Luftspalt zwischen den Dauermagneten 14 hinein, wobei ihre Breitseiten parallel zur Längsrichtung des Trägers 11 ausgerichtet sind. Die Flachspulen 22,23 sind derart bemessen, daß die im wesentlichen lotrecht und parallel zur Längsabmessung der Dauermagneten 14 verlaufenden Leiterteile eine Länge haben, die gleich oder größer als die Längsabmessung der Dauermagneten 14 ist. Die Spulenteilung t_sp ist in Fig. 2 eingezeichnet. Sie beträgt bei der

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ΑΛ

veranschaulichten Ausführungsform das 1,5-fache der Magnetteilung

Nimmt man an, daß bei der in Fig. 2 veranschaulichten Stellung des Läufers 20 gegenüber dem Ständer 10 der Strom in der Spule 23 im Uhrzeigersinn, das heißt in den in Fig. 2 linken, im wesentlichen lotrecht stehenden Leiterteilen nach oben und in den rechten, im wesentlichen lotrecht verlaufenden Leiterteilen der Spule nach unten fließt, wird auf den Läufer 20 eine in Fig. 2 nach links gerichtete Kraft ausgeübt; der Läufer führt eine entsprechende Linearbewegung aus.

Jeder der beiden Spulen 22,23 ist eine aus einem Sender 24, bzw. 25 und einem Empfänger 26, bzw. 27 bestehende Lichtschranke zugeordnet, die sich entlang einer gehäusefesten Kommutierungsspur bewegt. Die Kommutierungsspur 29 weist einander abwechselnde Hellzonen 30 und Dunkelzonen 31 auf, deren'Länge jeweils gleich der Magnetteilung t ist. Die Lichtschranken 24, 26 und 25,.27 haben einen gegenseitigen Abstand entsprechend der halben Magnetteilung t . Die Anordnung ist so getroffen, daß die Lichtschranken jeweils die Grenze zwischen einer Hellzone und einer Dunkelzone erreichen, wenn die zugehörige Spule zentrisch mit bezug auf eines der Mag-" netpaare 14 der Schenkel 12, 13 steht.

Erreicht die Lichtschranke 25, 27 in dem vorstehend angenommenen Fall die Grenze zwischen der gerade überlaufenen Hellzone 30 und der sich daran in Fig. 2 nach links anschließenden Dunkelzone 31", spricht die Lichtschranke an, um die Stromrichtung in der. züge-.

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- -er -

ordneten Spule 23 umzukehren. Entsprechendes gilt bezüglich der Kommutierung des durch die Spule 22 fließenden Stromes, der in der Relativlage gemäß Fig. 2 über die Lichtschranke 24, 26 gerade vom Fließen entgegen dem Uhrzeigersinn auf eine Stromrichtung im Uhrzeigersinn umgepolt wird. Zwischen den beiden Spulen 22, 23 besteht also eine elektrische Phasenverschiebung von 90°.

Anstelle der Lichtschranken und der zugehörigen Kommutierungsspur 29 lassen sich für die vorstehend erläuterte Kommutierung auch Magnetfeldsensoren 33, 34 verwenden, die mit Bezug auf die Spulen 22,23 derart angeordnet sind, daß in der Läuferstellung gemäß Fig. 2 der Magnetfeldsensor 33 für die Spule 22 in der Lücke zwischen zwei in der Läuferbewegungsrichtung aufeinanderfolgenden Magneten 14 steht, während der Magnetfeldsensor 34 für die Spule 23 mit einem der den Luftspalt begrenzenden Magnetpaare zentrisch ausgerichtet ist.

Die Fig. 3 und 4 lassen eine Ausführungsform der Staubabdeckung für einen Motor der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art erkennen. Der Einfachheit halber sind dabei in den Fig. 3 und 4 die Führungen für den Läufer 20 nicht dargestellt. Der Träger 11 und die Abschlußplatten 15, 16 sind durch ein im wesentlichen U-förmiges Gehäuse 40 ersetzt, das ringsum geschlossen ist und nur an seiner Oberseite einen Längsschlitz 41 freiläßt, innerhalb dessen sich der Läufer 20 bewegen kann. Um das Eindringen von Staub in das Gehäuse 40 über den Längsschlitz 41 zu verhindern, ist ein Band 42 vorgesehen, das über Umlenkrollen 43 geführt ist, die an beiden Längsseiten des Gehäuses 40 im oberen bzw. unteren Bereich

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- Sjr -

Xb

des Gehäuses sitzen. Die Enden des Bandes 42 sind mit dem Wagen 21 verbunden. In dem dem Schlitz 41 benachbarten Bereich ist das Band 42 zusätzlich in einem von Gehäuseteilen 44 begrenzten Dichtungsspalt 45 geführt. Das Band 42 sorgt daher für einen ständigen Verschluß des Längsschlitzes 41, während es die Bewegung des Läufers 20 mitmacht.

In den Fig. 3 und 4 ist außerdem angedeutet, daß die Kommutierungsspur 29 auf einem Maßstab 47 ausgebildet sein kann, der unterhalb der Spulen 22,23 gehäusefest angebracht ist. Eine der Lichtschranken ist schematisch als Sender 24 in Form einer Leuchtdiode und Empfänger 26 in Form eines Fototransistors veranschaulicht. Die Sender und Empfänger der beiden Lichtschranken 24, 26, 25 und 27 befinden sich im unteren Teil des Läufers 20 auf gegenüberliedenden Seiten des Maßstabes 47.

Anstelle der Staubabdeckung in Gestalt eines mit dem Läufer· 20 mitbewegten Bandes 42 können auch in nicht näher dargestellter Weise gehäusefest angeordnete Abdeckstreifen vorgesehen sein, die den Läufer durchlassen und die sich vor und hinter dem Läufer selbsttätig wieder schließen. Derartige Anordnungen, sind für andere Zwecke bereits bekannt (US-PS 2 981 824 und DT-AS 2 121 406); sie bedürfen daher vorliegend keiner näheren Erläuterung. Statt eines von der einen zur anderen Läuferseite reichenden Bandes 42 können auch zwei Bandabschnitte benutzt werden, deren eines Ende jeweils mit einer Stirnseite des Wagens 21 verbunden ist und deren anderes Ende entgegen einer elastischen Rückstellkraft von einer jedem Bandabschnitt zugeordneten Aufwickelrolle abgespult wird.

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νΰ -

4η

Auch eine solche Lösung ist an sich bekannt (Fig. 5 der DT-PS 1 269 750) .

Fig. 5 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung, die es erlaubt, den Linearmotor nach Art eines Servomotors zu betreiben. Eine Steuergleichspannung U₀ wird an einer Klemme 49 angeliefert. Sie geht zum einen über eine Leitung 50 unmittelbar an die eine Seite eines elektronischen Umschalters 51, dessen Betätigungsglied bei 52 angedeutet ist. Der anderen Seite des elektronischen Umschalters 51 wird die Steuergleichspannung über einen Inverter 53 zugeleitet. Vom Ausgang des Umschalters 51 gelangt die Steuerspannung über einen Verstärker 54 zu der einen Spule 22. Die Klemme 49 steht ferner zum einen unmittelbar sowie zum anderen über den Inverter 53 mit den beiden Seiten eines weiteren elektronischen Umschalters 55 in Verbindung, dessen Ausgang über einen Verstärker 56 an die zweite Spule 23 angeschlossen ist. Das Betätigungsglied des Umschalters 55 ist bei 57 dargestellt. Die Betätigungsglieder 52, 57 stehen jeweils mit einem Kommutierungshilfsmittel 58 bzw. 59 in Verbindung. Es kann sich dabei insbesondere um die Lichtschranken 24, 26 und 25, 27 oder um die Magnetfeldsensoren 33 bzw. 34 handeln. Die Schaltungsanordnung läßt erkennen, daß die Wirkungsweise des beschriebenen Motors einem zweisträngigen kollektorlosen Gleichstrommotor entspricht, dessen Spulen sich bewegen. Die Verbindung zwischen den Verstärkern 54 und 56 sowie den Spulen 22 bzw. 23 kann über Schleppkabel hergestellt werden.

Um den erläuterten Linearmotor als Schrittmotor oder Positionierantrieb einsetzen zu können, braucht nur eine entsprechende Ein-

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As

richtung zur Beaufschlagung der von den beiden Spulen 22, 23 gebiIHo ton Mo Lore Lrünyo rni L oinor ontsprochondon Steuerspannung vorgesehen zu werden. Besonders geeignet ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung der aus der DT-OS 2 543 668 bekannten Art. Die dabei für die Lageregelung erforderlichen Lagespuren lassen sich in einem solchen Fall gleichfalls auf dem Maßstab 47 unterbringen, wie dies in Fig. 3 bei 62 und 63 angedeutet ist. Es versteht, sich, daß dann am Läufer Sender- und Empfängerpaare ange-. ordnet sind, die mit den Lagespuren 62, 63 zusammenwirken.

Im einzelnen nicht veranschaulichte Mittel können vorgesehen sein, um die Bestromung der Läuferspulen jeweils am Ende der linearen Bewegungsbahn zu verhindern. Für diesen Zweck können beispielsweise Endschalter verwendet werden, die den in den Spulen fließenden Strom abschalten.

Entsprechend einer vereinfachten Ausführungsform kann eine der beiden Magnetreihen, beispielsweise die der Schiene 12 zugeordnete Reihe von Magneten 14, weggelassen sein. Anstelle von Dauermagneten können grundsätzlich auch Elektromagneten vorgesehen sein.

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Jt-

Leerseite

Claims

An s ρ r U c he
1. Linearmotor mit zwei parallelen, ferromagnetischen Schienen, die

mit einer Magnetanordnung verbunden sind, sowie mit einer in der Längsrichtung der Schienen relativ zu diesen bewegbaren und dabei die magnetischen Feldlinien schneidenden, stromdurchflossenen Spulenanordnung, insbesondere für Antriebsaufgaben in Peripheriegeräten der Datentechnik, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite mindestens einer der Schienen (12,13) eine Reihe von senkrecht zu der Längsrichtung und in dieser Richtung abwechselnd magnetisierten Magneten (14) angeordnet ist, und daß die Spulenanordnung mindestens zwei zwischen der einen Magnetreihe und der anderen Schiene bzw. zwischen den Magnetreihen beider Schienen in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnete Spulen (22,23)- aufweist, deren Teilung im wesentlichen der Bedingung

sp ~ ρ m m
genügt, wobei .

t = Spulenteilung,

t = Magnetteilung,

η = beliebige ganze Zahl, .

ρ == Phasen-oder Strangzahl.

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ORIGINAL INSPECTED

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- ts -
2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reihen von Magneten (14) auf den Innenseiten der Schienen (12, 13) so angeordnet sind, daß ungleichnamigpolige Magneten sich jeweils einander gegenüberstehen.
3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schienen (12,13) die Schenkel eines einstückigen, ferromagnetischen U-Profils sind.
4. Linearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das U-Profil gleichzeitig als Träger (11) des Motors' dient.
5. Linearmotor nach einem der vorhergendenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Magneten (14) Dauermagneten vorgesehen sind.
6. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (22, 23) als Flachspulen ausgebildet sind, deren Breitseiten parallel zur Spulenbewegungsrichtung liegen.
7. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet; durch eine Einrichtung (24 bis 34) zur lageabhängigen Kommutierung der Ströme in den Spulen (22,23).
8. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung Magnetfeldsensoren (33,34) aufweist,

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die in Synchronismus mit den Spulen (22,23) im Luftspalt zwischen den Magneten (14) bewegbar sind.
9. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung eine die Spulenstellung ermittelnde optoelektronische Lagemeßeinrichtung (25 bis 31) aufweist.
10. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (49 bis 59) zum Betreiben des Linearmotors als Servomotor.
11. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (22,23) zur Verwendung des Motors als Schritt- oder Positionierantrieb an einen Lageregler angeschlossen sind.
12. Linearmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerückmeldung auf optoelektronischem Wege erfolgt.
13. Linearmotor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein der Lagerückmeldung dienendes Vergleichsnormal (47), das unterhalb der Magneten (14) an staubgeschützter Stelle nahe dem Boden des U-förmigen Trägers (11,40) angeordnet ist.
14. Linearmotor .nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, die Spulenbewegung zulassende flexible Staubabdeckung (42).

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15. Linearmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Staubabdeckung ein mit den Spulen (22,23) mitbewegbares Band (42) vorgesehen ist.
16. Linearmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Staubabdeckung gehäusefest angeordnete Abdeckstreifen aufweist, die normalerweise in Schließstellung liegen, jedoch einen Durchtritt der Spulenanordnung erlauben.
17. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Spulenanordnung (22,23) zugeordnete Zwangskühlung.
18. Linearmotor nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein Gebläse zum Erzeugen eines Kühlluftstromes in dem Luftspalt zwischen den Magneten (14).
19. Linearmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Gebläses in dem Luftspalt ein Überdruck aufrechterhaltbar ist.
20. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Träger (11,40) zugleich das tragende Bauteil eines mit dem Motor ausgestatteten Gerätes bildet.

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