DE2847393B2 - Linearer Schwingspulenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen Schwingspulen- π motor mit einem Permanentmagneten, der in Richtung der Schwingspulenbewegung magnetisiert ist und die Schwingspule im zylindrischen Luftspalt zwischen Polschuhen sowohl des die Anordnung umgebenden Gehäuses als auch des Permanentmagneten angeordnet m> ist, wobei die axiale Länge der Schwingspule geringer ist als die axiale Länge der Polschuhe.

Lineare Schwingspulenmotoren werden in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt, die damit auch die besondere Konstruktion der Schwingspule des Magne- hs ten und die Art und Weise bestimmen, mit der die Bewegung der Schwingspuie nach dem zu bewegenden oder einzustellenden Bauteil übertragen wird.

So ist beispielsweise aus der DE-AS 11 19 992 ein elektrodynamischer Schwingankerantrieb mit einer von Wechselstrom durchflossenen Spule verhältnismäßig großer Induktivität bekannt, die von einem elektrisch nicht leitenden Spulenkörper getragen wird und dem Magnetfeld eines permanenten Magneten in einem kreisförmigen Luftspalt schwingt und z. B. den Kolben eines Kompressors einer Kältemaschine antreibt.

Ein weiteres Anwendungsgebiet, bei dem lineare Schwingspulenmotoren in großem Umfang eingesetzt wurden, ist in Magnetplattenspeichern für die Einstellung der Magnetköpfe auf ausgewählte, einer Anzahl konzentrischer Aufzeichnungsspuren auf einer kontinuierlich umlaufenden Magnetplatte. In einem Aufsatz in IBM Journal of Research and Development vom November 1974 mit dem Titel »Engineering Design of a Disk Storage Facility with Data Modules« werden einige Entwicklungsüberlegungen und Anforderungen für Plattenspeicher und für dabei verwendete Schwingspulenantriebe besprochen. Dabei muß ein Schwingspulenmotor im allgemeinen in zwei Betriebsarten arbeiten, nämlich beim Zugriff zu einer Spur und beim Nachlauf in der Spur. Beim Zugriff zu einer Spur muß die Schw'ngspule mit rascher Beschleunigung und ebenso rascher Verzögerung in der Größenordnung von Millisekunden von einer Spur auf eine andere eingestellt werden. Beim Spurnachlauf muß die Schwingspule lediglich über sehr kleine Strecken in der Größenordnung von lOOstel bis lOtel Millimetern bei Verfolgung der Mittellinie einer aufgezeichneten Spur bewegt werden. Die Ansprechzeit der Schwingspule und des Magnetkopfträgers auf durch das Einstellsystem erzeugte Signale wird dabei ebenso wichtig wie äußere Einwirkungen, die den Magnetfluß im Luftspalt oder den die Spule durchfließenden Strom ändern könnten.

Die nunmehr möglichen höheren Aufzeichnungsdichten für Daten auf Magnetplatten und die ebenfalls mögliche genauere Einstellung der Magnetköpfe und die sich daraus ergebende wesentlich höheren Spurdichte hat zu immer kompakteren Plattenspeichern geführt, indem man nicht nur die Anzahl der Platten im Plattenstapel, sondern auch die Größe der Platten verringern konnte. Das wiederum hat einen Bedarf an wesentlich kleineren linearen Stellmotoren zur Folge gehabt. Man hat dabei erkannt, daß es durchaus vorteilhaft sein kann, mehr als eine lineare Stellvorrichtung je rotierenden Plattenstapel einzusetzen, vorausgesetzt, daß dadurch die Kosten für die Datenspeicherung oder die Kosten für die Plattenstapel nicht erhöht werden. Wenn außerdem ein Magnetplattenspeicher mit einer Anzahl von linearen Stellmotoren versehen ist, dann ist es erwünscht, die Stellmotoren mit der Achse der Schwingspulen in einer Ebene anzuordnen, so daß man dann, wenn der Stellmotor in den Plattenstapel eingebaut ist, die aus Magnetkopf und Platten bestehende Anordnung und die Schwingspulen des Schwingspulmotors herausnehmen kann, ohne daß man dabei den relativ schweren Magneten herausnehmen muß, wie dies die US-Patentschrift 40 34 411 zeigt. Ordnet man die Schwingspulenachse in der gleichen Ebene an, dann können die Schwingspulen auf dem Magnetkopftragarm und der Magnetplattenanordnung angebracht werden, wodurch das Herausnehmen der Kopf-Plattenanordnung in einer Richtung parallel zur Ebene der Schwingspiilcnachse erleichtert wird.

Wird jeder zylindrische Polschuh von einem einem gemeinsamen Permanentmagneten entstammenden Magnetfluß durchflossen und ist jeder Polschuh in

Verbindung sowohl mit dem Magneten als auch einem benachbarten Polschuh, dann wirkt auf jede der Schwingspulen eine gleichförmigere magneto-motorische Kraft ein. Es wurde gemäß der Erfindung festgestellt, daß man durchaus eine Schwingspule im Spurnachlaufbetrieb betätigen kann, ohne daß dabei die Arbeitsweise der anderen Schwingspule bei der Einstellung auf eine Spur beeinträchtigt wird, selbst dann, wenn sie aus einer gemeinsamen Quelle für die magneto-motorische Kraft gespeist werden. ι ο

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst gedrängt aufgebaute, lineare Antriebsvorrichtung mit einer Anzahl von einander unabhängigen, innerhalb ringförmiger Flußspalte angeordneter Schwingspulen zu schaffen, deren Achsen in der gleichen Ebene liegen ohne daß die Erregung einer Schwingspule das Arbeiten der anderen Schwingspule beeinflußt. Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung können den Umeransprüchen entnommen werden.

Die Erfindung wird nunmehr anhand einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht der verbesserten linearen Antriebsvorrichtung in Form eines linearen Schwingspulenmotors,

F i g. 2 die Anwendung der linearen Antriel svorrichtung gemäß F i g. 1 in einem Plattenspeicher,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit 3 Schwingspulen und

Fig.4 eine Draufsicht auf die lineare, mit 3 Schwingspulen arbeitende Antriebsvorrichtung gemäß F i g. 3 zur Darstellung der radialen Schlitze in jedem Polschuh.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Wie im einzelnen aus Fig. 2 zu sehen, besteht die Antriebsvorrichtung aus einer Anzahl für sich bewegbarer Schwingspulen 10a und 10b und einem feststehenden Aufbau 11, der die ringförmigen Flußspalte 12a und 126 bildet, in denen die Schwingspulen 10a und 106 angeordnet sind.

Der feststehende Aufbau 11 besteht aus einer Grundplatte 15, einem Permanentmagneten 16, einer Anzahl von Polschuhen 17a, 176, und einem aus einem Stück bestehenden Gehäuse 18, das an einer Stelle eine Anzahl ringförmiger öffnungen 19a, 196 aufweist. Jede dieser ringförmigen öffnungen 19a und 196 bildet mit einem der Polschuhe 17 einen ringförmigen Luftspalt 12, in dem sich die Schwingspule 10 bewegt. Die übrigen Teile des Gehäuses 18 erstrecken sich bis auf die Grundplatte 12 und umgeben die Polschuhe 17 und den Permanentmagneten 16 vollständig.

Wie man aus F i g. 1 erkennt, ist der Permanentmagnet 16 rechteckig und mit seiner Oberfläche 20 an der Grundplatte 15 befestigt. Die gegenüberliegende Oberfläche 21 des Magneten 16 dient der Aufnahme der Polschuhe 17a, 176, wobei die Achse des zylindrischen Abschnittes des Polschuhs auf der Oberfläche 20 t>o senkrecht steht. Der aus einem Stück bestehende Polschuh 17 weist in seinem unteren Abschnitt 26 einen rechteckigen Querschnitt auf, der in einen zylindrischen Abschnitt 27 übergeht. Der rechteckige Abschnitt 26 ist an dem Permanentmagneten befestigt und stellt eine h> Verbindung geringen magnetischen Widerstandes zwischen dem Pe'rnanentmagneten und dem Polschuh her. Der untere Abschnitt 26 eines jeden Polschuhs bildet eine Seitenfläche 29, wobei Seitenflächen 29 benachbarter Polschuhe einander berühren.

Theoretisch ist die Einern jeden Polschuh zugeführte magneto-motorische Kraft gleich groß. In der Praxis treten jedoch aus verschiedenen Gründen Unterschiede in der Größe der dem unteren Abschnitt 26 eines jeden Polschuhs zugeführten magneto-motorischen Kraft auf. Dieser Unterschied kann bei handelsüblichen Magneten bis zu plus oder minus 10% betragen. Obgleich es möglich ist, Permanentmagnete mit engeren Toleranzen zu beschaffen, so nehmen doch mit abnehmenden Toleranzen die Kosten für solche Magnete wesentlich zu. Aus Gründen einer vereinfachten Fertigung wird auch der magnetische Block erst dann magnetisiert, wenn der gesamte Aufbau einschließlich des Gehäuses zusammengebaut ist Die gesamte Anordnung wird dazu einem starken, theoretisch gleichförmigen Magnetfeld ausgesetzt.

In der Praxis ist jedoch weder das magnetische Material noch das magnetisierende Feld gleichförmig. Außerdem ist stets ein Unterschied in dem magnetischen Widerstand zwischen dem Permanentmagneten und dem einen bzw. anderen Polschuh vorhanden. Indem man die Seitenflächen benachbarter Polschuhe miteinander in Berührung bringt, wird zwischen den beiden 'parallelen magnetischen Stromkreisen ein magnetischer Nebenschluß hergestellt. Eine solche Anordnung stellt eine gleichmäßigere Flußverteilung in dem ringförmigen Luftspalt sicher, da sich in dem zylindrischen Teil des jeweiligen Polschuhs unmittelbar anschließend an jeden der ringförmigen Luftspalte eine Flußsymmetrie ausbildet. Der magnetische Widerstand der Verbindung der beiden Polschuhe an den Seitenflächen ist beträchtlich kleiner als der magnetische Widerstand eines jeden der ringförmigen Luftspalte.

Der obere Abschnitt 27 eines jeden Polschuhs 17 ist zylinderförmig und bildet den Innendurchmesser des ringförmigen Flußspaltes 12. Die Achse des zylindrischen Abschnittes 27 steht dabei im wesentlichen senkrecht auf der flachen Oberfläche des rechteckigen unteren Abschnitts 26.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen, weist der zylindrische Abschnitt 27 drei sich in axialer Richtung erstreckende Schlitze 30 auf, die am Umfang jeweils einen Winkel von 120° miteinander bilden. Der Zweck dieser Schlitze im Polschuh 17 und die Art und Weise, wie die Schwingspule 10 an dem Kopfträgerschlitten befestigt ist, soll im Zusammenhang mit F i g. 2 erläutert werden. Die Schwingspule 10 ist an einem ringförmigen Bauteil 48 angebracnt, das drei in radialer und axialer Richtung sich erstreckende Rippen 49 aufweist, die in die drei in axialer Richtung sich erstreckenden Schlitze 30 passen. Obgleich in F i g. 1 nur ein Ring 48 mit Schwingspule 10 gezeigt ist, ist doch für jeden Polschuh eine solche Anordnung vorgesehen.

Das Gehäuse 18 weist einen Abschnitt 40 auf, das den vorderen Polschuh der Antriebsvorrichtung bildet und mit einer Anzahl kreisförmiger öffnungen 19a und 196 versehen ist, die jeweils den äußeren Durchmesser des ringförmigen Luftspaltes 12 bilden. Der verbleibende Teil des einstückigen Gehäuses bildet einen magnetischen Pfad geringen magnetischen Widerstandes nach d°m Umfang der Grundplatte 15.

Die Dicke des den vorderen Polschuh bildenden Abschnittes 40 des Gehäuses reicht im Zusammenwirken n.'t einem der zylindrischen Polschuhe für die Bildung eines ringförmigen Luftspaltes 12 aus, dessen axiale Länge wesentlich jMößer ist als die axiale Länge

der Schwingspule 10, so daß die Schwingspule 10 an beiden Endpunkten ihrer Bewegung stets innerhalb des Luftspaltes 12 liegt.

F i g. 2 zeigt den Einsatz des in F i g. 1 gezeigten linearen Schwingspulenantriebs auf die Einstellung von magnetischen Wandlern in einem Magnetplattenspeicher. Der Magnetplattenspeicher ist in F i g. 2 schematisch dargestellt und besteht aus einer Anzahl von Magnetplatten 60, die auf einer rotierenden Welle 61 gelagert sind. Die Welle 61 ist in zwei Lagern 62 und 63 gelagert, die ihrerseits an einer tragenden Konstruktion bei 64 und 6.5 angebracht sind. Ein Paar mit Tragarmen und Magnetköpfen ausgerüstete Wagen 66 und 67 mit einer Anzahl von Magnetköpfe tragenden Tragarmen 68 sind auf dsr Tragkonstruktion auf Schienen gleitend angeordnet. Die Tragkonstruktion 64 und 65 kann dabei die Form einer insgesamt abnehmbaren Magnetkopf/ Magnetplatten-Anordnung aufweisen, die vollständig abgeschlossen ist, mit Ausnahme des Teils des Wagenaufbaus, der mit dem stationären Teil der Antriebsvorrichtung zusammenwirkt.

Jeder Wagenaufbau ist dabei mit einem ringförmigen Bauteil 48 versehen, auf dem eine der Schwingspulen 12 angebracht ist. Eine Erregung der Schwingspule 12 durch ein Stellsystem 70 bewirkt eine Bewegung des Wagens in radialer Richtung bezuglich der Achse der Spindel 61. Man sieht, daß der Aufbau des stationären Teils der mit mehreren Spulen arbeitenden Antriebsvorrichtung, bei der die Achse der ringförmigen Luftspalte in der gleichen Ebene liegt wie die Achse der Spindel 61, daß die Schwingspulen der Antriebsvorrichtung ständig mit dem abnehmbaren Plattenstapel verbunden sein können, und daß die gesamte Anordnung in Richtung der Ebene der Schwingspulenachsen herausgenommen werden kann.

Da es erwünscht ist, den Wagenaufbau über seinen Massenschwerpunkt anzutreiben, um schädliche Einwirkungen einer mechanischen Resonanz zu vermeiden, die sich aus einer Folge von Zugriffsoperationen ergeben könnte, wird die Möglichkeit, den Mittenabstand zwischen den Poischuhen zu verändern, von Bedeutung. Der axiale Abstand der Magnetplatten auf der Spindel bestimmt den Abstand der Magnetkopf/Magnetarm-Anordnungen auf dem Wagen, was wiederum die Konstruktion des Wagens für Magnetkopf und Tragarm beeinflußt und damit auch seinen Massenschwerpunkt bestimmt. Will man einen Plattenstapel möglichst gedrängt aufbauen, dann wird ein Kompromiß zwischen diesen Abständen, die voneinander abhängen, bedeutsam.

Der Mittenabstand der Polschuhe bestimmt damit praktisch die Materialmenge aus Weicheisen in dem Bereich der kreisförmigen öffnungen 19a und 196. Da dieser Bereich gegen Sättigung und eine Wechselwirkung der Polschuhe besonders empfindlich ist, besteht an dieser Stelle die Gefahr, daß der magnetische Fluß an diesem Punkt im Flußspalt in bezug auf den verbleibenden Teil des Flußspaltes schwankt. Ist dies der Fall, dann wird dieser Abschnitt der Schwingspule anders reagieren, so daß ein Biegemoment auf die Schwingspule einwirken würde und damit auch auf den Wagenaufbau und schließlich auf die Magnetköpfe. Dieses Biegemoment tritt um eine auf der Achse der Schwingspule senkrecht verlaufende Linie in der radialen Ebene auf,

κι die die unterschiedliche Flußdichte enthält. Es wurde festgestellt, daß sich aus einer möglichen Sättigung des Bereichs zwischen den öffnungen ergebende Auswirkungen auf die Spule dadurch kleingehalien werden können, daß man einen der in axialer Richtung sich

ij erstreckenden Schlitze des Polschuhs in der Nachbarschaft dieses Bereichs anbringt.

Wenn die Bewegung der Schwingspule auf das einzustellende Bauteil über eine Anordnung gemäO F i g. 1 und 2 übertragen wird, bei der der die

2(i Schwingspule tragende Ring mit in radialer Richtung sich erstreckenden Rippen versehen ist, dann kann die Umfangsposition der Rippen und der Schlitze in der Polschuhen so angeordnet werden, daß jeder Einwirkung auf die Bewegung der Schwingspule dadurch, daC

ein Bereich zwischen den ringförmigen öffnungen zui Sättigung neigt, entgegengewirkt werden. Wie aus F i g. 1 zu erkennen, sind die Schlitze in benachbarter Polschuhen so angeordnet, daß sie in diesem Bereich einander gegenüberliegen und daß die beiden übriger

jü radialen Schlitze eines jeden Polschuhs so angeordnei sind, daß die Einwirkung auf die Schwingspule symmetrisch ist.

Durch diese Art der Konstruktion kann de; Mittenabstand der Polschuhe kleiner sein, so daß mar

J5 bei der Anordnung des Abstandes der Magnetplatter dem Ort der Magnetkopf/Tragarm-Anordnungen aul den Wagen und bei der Konstruktion des Wagens selbst mehr Freiheit hat.

F i g. 3 zeigt einen linearen Schwingspulenantrieb mil

■»ο mehreren Schwingspulen. Die Anordnung ist der mil zwei Schwingspulen ausgerüsteten Anordnung gemäC F i g. 1 ähnlich, nur daß hier ein weiterer Polschuh vorgesehen und die Anordnung der Schlitze in der Polschuhen unterschiedlich gewählt ist. Wie sich dies noch deutlicher aus Fig.4 erkennen läßt, weist dei mittlere Polschuh 100 zwei einander diametral gegenüberliegende Schlitze 101 und 102 in einer Ebene auf, die die Achsen aller drei kreisförmigen Polschuhe enthält Wie gezeigt, können außerdem zwei weitere Schlitze 103 und 104 vorgesehen sein, wenn der mit dem Wager verbundene, die Spule tragende Ring mit vier gleiche Abstände aufweisenden Rippen ausgerüstet ist.

Die Arbeitsweise des in F i g. 3 und 4 dargestellter magnetischen Aufbaus ist mit der in Verbindung mil F i g. 1 und 2 beschriebenen Arbeitsweise identisch.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche:

1. Linearer Schwingspulenmotor mit einem Permanentmagneten, der in Richtung der Schwingspulenbewegung magnetisiert ist und die Schwingspule im zylindrischen Luftspalt zwischen Polschuhen sowohl des die Anordnung umgebenden Gehäuses als auch des Permanentmagneten angeordnet ist, wobei die axiale Länge der Schwingspule geringer ist als die axiale Länge der Polschuhe, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer parallel arbeitender Schwingspuien (10a, lOojder am Permanentmagneten (16) angeordnete Polschuh entsprechend der Zahl der Schwingspulen geteilt ist, die Teilpolschuhe (17a, i7b) aneinander anliegen und der Polschuh des Gehäuses (18) dementsprechend mehrere kreisförmige Öffnungen (ISa, 196J aufweist.

2. Schwingspulenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Sättigung zwischen den Polschuhen in jedem der Polschuhe anschließend an den zwischen den kreisförmigen Öffnungen (19a, Wb) des Gehäuses (18) liegenden Bereich mindestens ein axialer Schlitz (30) vorgesehen ist.

3. Schwingspulenmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schwingspule auf einem ringförmigen Bauteil (48) angebracht ist, das eine Anzahl radialer Rippen (49) aufweist, die in einer entsprechenden Anzahl radialer Schlitze der Polschuhe zu gleiten vermögen.

4. Schwingspulenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitz eines jeden Polschuhs in einer Ebene liegt, die die Achsen der Polschuhe enthält und anschließend an den Bereich 3·> zwischen den kreisförmigen Öffnungen (19a, i9b) liegt.

5. Schwingspulenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Polschuhe vorgesehen sind, daß dabei jeder zwischen zwei Polschuhen liegende Polschuh mit mindestens zwei radial einander gegenüberliegenden Schlitzen (101, 102, 103, 104) versehen ist und daß alle Schlitze in einer Ebene angeordnet sind, die die Achsen der Polschuhe enthält.

6. Schwingspulenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Polschuh mit zwei sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitzen versehen ist, die in der die Achse der Polschuhe enthaltenden Ebene liegen.