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Gleichstromlinearmotor
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(Zusatz zu P 31 49 214.2) Die Erfindung betrifft einen Gleichstromlinearmotor
mit einer einen ferromagnetischen Rückschluß aufweisenden Dauermagnetanordnung und
einer mehrsträngigen Wicklung, die gegeneinander bewegbar sind, insbesondere für
Antriebe in der Datentechnik, wobei die Wicklung aus mehreren in der Bewegungsrichtung
aufeinanderfolgenden, in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbaren Spulen besteht,
die jeweils um einen Pol mindestens eines zusammen mit der Dauermagnetanordnung
einen im wesentlichen ebenen Luftspalt bildenden, genuteten Flußführungsteils mit
zur Bewegungsrichtung senkrecht stehender Spulenachse überlappungsfrei herumgelegt
sind.
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Ein solcher Motor ist Gegenstand einer älteren Patentanmeldung (P
31 23 441.0).
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Bekannt ist ein Gleichstromlinearmotor (DE-OS 26 54 075), bei dem
auf der Innenseite mindestens einer von zwei parallelen ferromagnetischen Schienen
eine Reihe von senkrecht zu der Längsrichtung und in dieser Richtung abwechselnd
magnetisierten Magneten angeordnet ist. Eine relativ zu den Schienen bewegbare stromdurchflossene
Spulenanordnung weist mindestens zwei zwischen der einen Mnetreihe und der anderen
Schiene bzw. zwischen den Magnetreihen beiden Schienen in Längsrichtung zueinander
versetzt angeordnete Flachspulen auf, deren Breitseiten
parallel
zur Spulenbewegungsrichtung liegen und deren Teilung bei dreisträngigem Motor zur
Magnetteilung im Verhältnis 4:3 steht.
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Mit der eingangs genannten Lösung der älteren Anmeldung wird ein Gleichstromlinearmotor
erhalten, der sich im Vergleich zu dem bekannten Motor mit kleinem Luftspalt und
damit hoher Leistung besonders einfach aufbauen läßt. Auch bei dem Gleichstromlinearmotor
der älteren Anmeldung werden jedoch von den in der Bewegungsrichtung außen liegenden
Endflächen der Wicklungspole zusätzlich Magnet felder eingefangen. Da beide Endflächen
nur in bestimmten Stellungen der Wicklungspole zu den Magnetpolen symmetrisch sind,
entstehen relativ starke, die Bewegung des Läufers störende Reluktanzkräfte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrphasigen
Linearmotor mit ausgeprägten Wicklungspolen diese störenden Reluktanzkräte mindestens
teilweise zu unterdrücken.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich
der in der Bewogungsrichtung liegenden Seiten der Endpole ferromagnetische Hilfspole
angebracht sind. Mit Hilfe solcher Hilfspole lassen sich die Reluktanzkräfte weitestgehend
zum Verschwinden bringen.
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Die Hilfspole können durch Verlängern des äußeren Teils der Endpolschuhe
gebildet sein. Es ist aber auch möglich, als Hilfspole von den Wicklungspolen getrennte
Pole vorzusehen, Im letztgenannten Fall können die Hilfspole zweckmäßig von nach
außen bevorzugt rechtwinklig abgebogenen Enden eines U-förmigen ferromagnetischen
Teils gebildet sein. Die Hilfspole können in Blickrichtung senkrecht zur Bewegungsebene
des Läufers rechteckig ausgebildet sein. Als besonders günstig erwiesen sich aber
Hilfspole, die in Bewegungsrichtung gesehen. keilförmig ausgebildet sind. In bevorzugter
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist fcrner der Luftspalt zwischen den Hil-fspolen
und den Polflächen der Dauermagnetanordnung keilförmig. Dabei kann die Aufbiegehöhe
der Hilfspole zweckmäßig gleich dem 0,1- bis 0,5-fachen, und vorzugsweise im wesentlichken
g-leich dem 0,2-fachen, der Spulenteilung sein. Der Überstand der Hilfspole ist
vorzugsweise gleich dem 0,8- bis 1,2-fachen der Spulenteilung. Die Hilfspole können
in der Bewegungsrichtung mit einem Krümmungsradius gekrümmt sein, der zweckmäßig
gleich dem 0,2- bis 3-fachen der Spulen teilung ist. Vorteilhaft kann der Schrägungswinkel
der keilförmigen ilfspele 100 bis 400 betragen, während der von den Hilfspolen und
der Polfläche der Dauermagnetanordnung begrenzte mittlere Keilwinkel vorzugsweise
zwischen 200 und 50 liegt.
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Die Wicklungspole sind im Interesse einer wirkungsvollen magnetischen
Fluß führung vorzugsweise im wesentlichen T-förmig gestaltet. Die M<gnetpolbreite
ist in der Bewegungsrichtung zweckmäßig mindestens gleich der Größe der Spulenteilung,
während die Wicklung vorzugsweise dreisträngig ausgebildet ist.
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Die Magnetanordnung kann feststehen, während der Läufer mindestens
drei in der Scwegungsrichtung aufeinanderfolgende, jeweils eine Spule tragende Wicklungspole
aufweist. In einem solchen Fall können mindestens zwei Läufer-Flußführungsteile
mit zugehörigon Spulen symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Magnetanordnung
sitzen. Es kann aber auch nur ein Läufer-Flußführungsteil vorgesehen sein, das mit
Bezug auf die Magnetanordnung und eine mit dem Läufer verbundene Last zweckmäßig
so angeordnet ist, daß der gemeinsame Schwerpunkt von Läufer und Last dem Luftspalt
und/oder einer Läuferführungsbahn näher liegt als der Lastschwerpunkt und der Läuferschwerpunkt
jeweils allein.
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Entsprechend einer abgewandleten Ausführungsform kann die Magnetanordnung
als Läufer ausgebildet sein. Beidseitig des Läufers kann je eine Führungsstange
vorgesehen sein, auf welcher der Läufer mittels einer Dreipunktabstützung gelagert
ist, die vorzugsweise mit zwei in der Bewegungsrichtung des Läufers in Abstand voneinander
angeordneten, mit der einen Führungsstange zusammenwirkenden Doppelkegelrollen sowie
einer mit der anderen Führungsstange zusammenwirkenden Zylinderrolle versehen ist.
Fiir die Führung kann dabei die magnetische Zugkraft ausgenutzt werden. Die Rollen
lassen sich in einem Rahmen drehbar lagern, der auf der von den Rollen abgewendeten
Seite der Führungsstangen eine Abfallsicherung, beispielsweise in Form von die Führungsstangen
übergreifenden Nasen, trägt.
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Der Motor kann kollektorlos ausgebildet sein, und es kann eine elektronische
Kommutierungseinrichtung vorgesehen sein, mittels deren die Spulen in Abhängigkeit
von der Lauferstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbar sind.
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Schließen in einem solchen Fall die einander abwechselnden Pole der
Dauermagnetanordnung entlang der Bewegungslinie des Läufers mehr oder minder lückenlos
aneinander an, kann die Kommutierungseinrichtung im direkten Feld der Dauermagnetanordnung
sitzende, magnetfeldempfindliche Läuferstellungssensoren, beispielsweise Hallgeneratoren,
Feldplatten, Magnetdioden, oder bistabil schaltende Hall-IC, aufweisen. Grundsätzlich
können aber auch optische oder mechanische Kommutierungssensoren vorgesehen sein.
Beispielsweise kann bei stehender Nagnetonordnng die Kommutierung über parallel
in der Teilung der Magnete angeordnete Leitsegmente und drei Bürsten erfolgen, die
in der Teilung der Spulen liegen, um auf diese Weise einen Linearkollektormotor
zu erhalten.
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Besonders günstig ist es, wenn die einander am Luftspalt gegenüberliegenden
Lücken zwischen den Dauermagnetpolen un-d den Polen des genuteten Flußführungsteils
nichtparallel sind, beispielsweise indem die Magnetpollücken oder die Nuten eine
Schrägung aufweisen oder der Schräg. ungswinkel der Magnetpollücken und der Nuten
unterschiedlich bemessen sind.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematischen
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors, Fig. 2 eine Seitenansicht
ähnlich Fig. 1 für eine Ausführungsform mit gesonder tee Hilfspolen,
Fig.
3 eine Ansicht entsprechend der Linie III-III der Fig. 2, Fig. 4 eine Seitenansicht
ähnlich Fig.2, Fig. 5 eine Ansicht entsprechend der Linie V-V der Fig. 4, Fig. 6
eine Seitenansicht für eine weiter abgewandelte Ausführungsform, Fig. 7 eine Seitenansicht
ähnlich Fig.6, Fig. 8 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 7, Fig. 9 einen
Teilschnitt einer weiteren slusaf;hrungsform der Erfindung gemäß der Linie IX-IX
der ,Fig.10, Fig. 10 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 9, und Fig. 11
einen Schnitt entlang der Linie XI-XI der Fig. 9.
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Die in den Figuren veranschaulichten Linearmotoren sind dreisträngig
aufgebaut. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 werden die drei Wicklungsstränge
jeweils von Spulen 10, 11, 12 gebildet, die überlappungsfrei um je einen T-förmig
gestaltet
ten Wicklungspol 13, 13' bzw. 13t' eines genuteten Flußführungsteils
14 herumgelegt sind, bei dem es sich beispielsweise um ein blechpalcet oder um einen
Sinterkörper handeln kann. Pol schuhe 23, 23', 23" der Pole 1f, 13', 132' begrenzen
gemein:iam l1it einer Magnotanordnung 25 einen ebenen Luftspalt 26. Die Magnetanordnung
25 weist eine Folge von Magnetplatten 27 auf, die in einer Richtung abwechselnd
magnetisiert sind, welche sich senkrecht zu der Bewegungsrichtung eines im wesentlichen
von dem Flußführungsteil 14 und den Spulen 10 bis 12 gebildeten Läufers 28 erstreckt.
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In Fig. 1 sind die Spulenteilung mit T und die Magnetteisp lung mit
T bezeichnet. Diese Teilungen stehen im Verhältm nis 2:3. Die Magnetisierung hat
in der Bewegungsrichtung des Läufers einen im wesentlichen rechteckigen oder traperförmigen
Verlauf. Die Dauermnetpolbreite sollte mindestens eine der Spulenteilung T5 entsprechende
Abmessung haben. Über den Nagnetplatten 27 sitzt ein ferromagnetischer Rückschluß
29. An Stelle der einzelnen Magnetplatten 27 kann auch ein entsprechend abwechselnd
magnetisierter Dauermagnetstreifen vorgesehen sein. Für die Magnetanordnung 25 eignen
sich u.a. kunststoffgebundene Magnete oder sogenannte Gummimagnete, d.h. Mischungen
aus Hartferriten und elastischem Material. Es können aber auch Keramikmagnete oder
Magnete aus Samariumkobalt vorgesehen sein.
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Zur Strombeaufschlagung der Spulen 10, 11, 12 kann eine an sich bekannte
(in der Zeichnung nicht dargestellte) elektronische Kommutierungseinrichtung vorhanden
sein.
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Ein Beispiel einer solchen KommuLierungseinrichtung ist in der DE-OS
26 54 075 beschrieben.
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Als magnetfeldempfindliche Läuferstellungssensoren eignen sich dabei
Hallgeneratoren, Hall-ICs, Feldplatten, &Magnetdioden und dergleichen, die unmittelbar
im Feld der Magnetanordnung 25 sitzen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind zur Unterdrückung von störenden
Relutanzkräften die äußeren Teile der Polschuhe 23', 23n der Endpole 13', 13" verlangert,
wodurch Zlilfspole 32, 33 gebildet werden. Bei der abgewandelten Ausführungsform
nach den Fign. 2 und 3 sind die Polschuhe 23 gleich aufgebaut. Als Hilfspole sind
von den Wicklungspolen 13 getrennte Pole 34 an beiden in Bewegungsrichtung liegenden
Enden des Flußführungsteils 36 vorgesehen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Hilfspole
34 in Blickrichtung senkrecht zur Läuferbewegungsebene bzw. zur Ebene des Luftspalts
26 rechteckig.
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Im Falle der Ausführungsform nach den Fign. 4 und 5 ist zusätzlich
zu einem die Wicklungspole 13 bildenden Flußführungsteil 37 ein das Flußführungsteil
37 zusammen mit den Spulen 10 bis 12 übergreifendes U-förmiges ferromagnetisches
Teil 45 vorgesehen. Dieses Teil 45 weist rechtwinklig nach außen gebogene1 die Hilfspole
bildende Enden 57, 58 auf. Die Hilfspolc 57, 58 sind, wie aus Fig. 5 hervorgeht,
in Bewegungsrichtung gesehen keilförmig gestaltet.
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Die Ausführungsform nach Fig. 6 stimmt mit derjenigen nach den Fign.
4 und 5 mit der Ausnahme überein, daß die Hi-lfspole 59, 60 nicht parallel zu der
inen zugewendeten Außenseite der anetplatten 27 verlaufen, sondern derart abgewinkelt
sind, daß die Luftspalte 61, 62 zwischen den Hilfspolen
59, 60
und den Polflächen der Magnetplatten 27 keilförmig sind.
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Die Ausführungsform nach den Fign. 7 und 8 ist wiederum weitgehend
ähnlich derjenigen nach Fig. 6. Das U-förmige ferromagnetische Teil 45 ist zur Bildung
der Hilfspole 63, 64 an seinen Enden mit einem Krümmungsradius R abgebogen, wobei
der Überstand e der Hilfspole 63, 64 gleich dem 0,8-bis 1,2-fachen der Spulenteilung
Tsp und die Aufbiegehöhe h der Hilfspole gleich dem 0,l- bis 0,5-fachen und vorzugsweise
im wesentlichen gleich dem 0,2-fachen der Spulenteilung T ist. Der Krümmungsradius
R kann zweckmäßig gleich sp dem 0,2- bis 3-fachen der Spulenteilung T sein, während
sp der mittlere Keilwinkel X zweckmäßig zwischen 200 und 500 sowie der Schrägungswi
akel der symmetrisch keilförmigen Hilfspole 63, 64 zwischen 100 und 400 betragen
kann.
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Der mechanische Aufbau der vorstehend beschriebenen Linearmotore kann
im übrigen in der im einzelnen in der älteren Anmeldung P 31 23 441.0 veranschaulichten
und erläuterten Weise ausgelegt sein.
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Es versteht sich, daß auch die Wicklung feststehen und der Läufer
von der Dauermagnetanordnung gebildet sein kann.
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Ein Beispiel für eine solche Ausführungsform ist in den Fign. 9 bis
11 dargesteilt. Eine den Läufer des Gleichstromlinearmotors bildende Dauermagnetanordnung
66 weist einen ferromagnetischen Rückschluß 67 auf, an dessen beiden Längsseiten
jeweils eine Führungsstange 68, 69 angebracht ist. Die Fübrungsstangen 68, 69 erstrecken
sich mit ihrer Längsachse in der Bewegungsrichtung des Läufers 66.
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Die Führungsstange 68 ist auf einer um eine gehäuse feste Achse drehbar
gel3ocrten Rolle 70 abgestützt. Die Führungsstange 69 liegt auf zwei gleichfalls
um gehäusefeste Achsen drehbaren Rollen 71, 72 auf. Die Drehachsen der Rollen 71,
72 stehen in einem Winkel zueinander, um gemeinsam mit der Rolle 70 für eine Dreipúnktlagerung
des Läufers 66 zu sorgen. Die Rollen 70, 71, 72 können quer zur Bewegungsrichtung
des Läufers 66 miteinander ausgerichtet oder in der Bewegungsrichtung des Läufers
gegeneinander versetzt sein. Es können auch mehrere Rollen 70 undXoder Paare von
Rollen 71, 72 vorhanden sein. An der Unterseite des Rück~ schlusses 67 sind ?4gnetplatten
27 entsprechend den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen angebracht.
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Ebenso wie die zuvor erläuterten Ausführungsformen ist der Linearmotor
nach den Fign. 9 bis 11 dreisträngig aufgebaut, wobei seine drei Wicklungsstränge
von den Spulen 10-, 11 und 12 gebildet werden. Die Spulen 10, 11, 12 sind jeweils
um einen Wicklungspol 73, 74 bzw. 75 eines Flußführungsteils 76 überlappungsfrei
herumgelegt. Das Flußführungsteil 76 weist ein Blechpaket 77 mit Ausnehmungen 78
auf, in welche die Wicklungspole 7f, 74, 75 im wesentlichen senkrecht zur Hauptebene
des Blechpakets 77 eingesteckt sind. Jeder der Wicklungspole 73, 74, 75 wird seinerseits
von einem Blechpaket gebildet. Die in der Bewegungsrichtung des Läufers 66 außenliegenden
Bleche 79, 80 sind an ihrem vom Blechpaket 77 abliegenden Ende nach außen abgewinkelt,
wodurch im wesentlichen T-för.sioe Wicklungspole 73, 74, 75 entstehen.
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Die Spulen 10, 11, 12 werden auf den Wicklungspolen 73, 74, 75 jeweils
von einem Spulenkörper 81 gehalten.
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Ahnlich wie im Falle der Ausführungsform nach den Fign. 4 und 5 ist
das Flußührungsteil 76 zusammen mit den Spulen 10, 11, 12 von einem U-förmigen ferromagnetischen
Teil 83 umgriffen, das in der Läuforbewegungsrichtung nach außen rechtwinklig abgebogene
Enden hat, welche Hilfspole 84, 85 bilden. Die llilfspole 84, 85 sind, wie aus Fig.
10 hervorgeht, in Bewegungsrichtung gesehen im wesentlichen keilförmig gestaltet.
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Die Funktionsweise des Linearmotors nach den Fign. 9, 10 und 11 entspricht
derjenigen der zuvor erläuterten Ausführungsformen.