DE3885066T2

DE3885066T2 - Linearmotor mit winkelabhängig rastenden Magnetpolen.

Info

Publication number: DE3885066T2
Application number: DE88202708T
Authority: DE
Inventors: Wyatt Seybert Newman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-12-02
Filing date: 1988-11-28
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2008-11-29
Also published as: EP0319096A3; US4837467A; DE3885066D1; EP0319096A2; EP0319096B1; JPH01194854A

Description

Motoren oder Maschinen, die durch die Bewegung zweier Elemente zueinander gegen einen Belastungswiderstand oder eine Kraft eine mechanische Ausgangsleistung erzeugen, fallen generell in zwei Klassen: Linearmotoren und Rotationsmotoren. Wo eine präzise Steuerbarkeit oder extrem lange Lebensdauer erwünscht ist, werden als Primärkraftquelle oft Elektromotoren bevorzugt. Aufgrund zahlreicher Faktoren hinsichtlich der erforderlichen magnetischen Rückwege sowie wegen der Kosten von elektromagnetischen Konstruktionen pro Volumeneinheit ist jedoch in allen Fällen, in denen von einer elektrischen Kraftquelle ausgehend eine verhältnismäßig lange Linearbewegung oder ein solcher Hub erforderlich ist, ein mit einem Getriebe zum Antrieb einer Ritzel-Zahnstangen-Kombination oder einer Schraubspindel-Mutter-Kombination gekoppelter, rotierender Elektromotor die am häufigsten gewählte Lösung. Für den Antrieb von elektrischen Eisenbahnen sind zwar schon mehrpolige Induktions-Linearmotoren vorgeschlagen worden, sie haben sich jedoch in wirtschaftlicher Hinsicht noch nicht als anwendungsreif erwiesen.
Viele lineare Kraftquellen brauchen zur Erzeugung der erforderlichen Leistung nur über eine begrenzte Strecke, beispielsweise ein Drittel bis zum Dreifachen der Hauptabmessung eines herkömmlichen Elektromotors, zu arbeiten. Dieser Arbeits hub ist zu lang für eine wirksame Koppelung mit einem Einpolaggregat wie einer Magnetspule, so daß für diese Anwendungen in der Praxis oft ein Rotationsmotor zum Einsatz kommt, der die Mutter auf einer Schraubspindel verdreht. Wo jedoch eine lange Lebensdauer oder eine sinusförmige Linearbewegung der Abtriebswelle gewünscht wird, bietet diese Konstruktion keine allzu befriedigende Lösung.
Schon vor langer Zeit wurde erkannt, daß sich mit dem Entwurf eines Mehrphasen-Synchronmotors im Grunde ein Linearmotor mit einer linear angeordneten Reihe von Querpolkonstruktionen erzielen ließe. In dem 1985 von der Incremental Motion Control Systems Society veröffentlichten Referat "Commutation and Control of Step Motors" von Ish-Shalom und Manzer, Proceedings of the 14th Annual Symposium "Incremental Motion Control Systems and Devices", wird eine 3-phasige Konstruktion dieses Typs beschrieben. Obwohl erst nach der Konzeption der vorliegenden Erfindung gemäß beigefügten Fig. 1 - 3 veröffentlicht, gibt dieses Referat eine nützliche Beschreibung der Hintergründe der elektronischen Steuerung sowie der einem solchen Linearmotor zugrundeliegenden Prinzipien.
Um die mit dem Einsatz eines Dauermagneten als Feldmagnetismusquelle verbundene hohe Leistungsdichte zu erzielen, wurde der sogenannte "hybrid stepping motor" (Hybridschrittmotor) entwickelt, der z.B. in einer am 9. September 1980 in Waalre, Niederlande, veröffentlichten Dissertation "Static Performance of a Hybrid Stepping Motor with Ring Coils" von Ben H.A. Goddijn beschrieben ist. In einem Hybridmotor dieser Art verläuft ein Feldfluß bei quer zur Arbeitsrichtung des Linearmotors angeordneten Zähnen durch einen ganzen Motor-Magnetkreis, wobei Stander und Läufer die gleiche Zahnteilung haben, bestimmte Zähne jedoch zu einem vollen elektrischen Erregungszyklus um 90º versetzt sind, wodurch sich effektiv ein zweipasiger Elektromotor ergibt. Jede der beiden Treiberspulen wirkt auf jeweils die Hälfte der Ankerzähne, steigert dadurch den Feldfluß in einer Zahngruppe fast bis zur Sättigung und senkt den Feldfluß in den anderen Zähnen gegen Null. Durch die Relativbewegung wird ein Zahn an der Polkonstruktion zum fast zur Sättigung getriebenen Zahn ausgerichtet.
Als Linearkonstruktion ist ein Motor dieser Art eindeutig das lineare Äquivalent zum Synchron-Rotations- oder Schrittmotor gemäß US-Patent 4,206,374. Es ist zwar möglich, eine Konstruktion dieser Art für den Linearbetrieb auszulegen, beim Läufer bzw. linear beweglichen Element ist jedoch mit einer relativ hohen Masse und wegen der großen Zahl der erforderlichen, in Querrichtung anzuordnenden Polzähne auch mit sehr hohen Herstellungskosten zu rechnen. Wenn der Läufer zur Verringerung der beweglichen Masse kürzer als der Ständer ausgelegt wird und die Spulen aus den gleichen Grunde am Ständer angebracht werden, ist eine große Anzahl Wicklungen erforderlich, um die erforderlichen Polaritätswechsel über die Länge des Ständers zu erzeugen. Dadurch wird ein Motor dieser Art extrem teuer, und außerdem müssen die Pole in Längsrichtung in verhältnismäßig großem Abstand voneinander angeordnet werden. Wenn ein Motor dieser Art durch Wechselschaltung der vollen Stromstärke zur einen oder anderen Spule angetrieben wird, entsteht eine verhältnismäßig grobe Schrittbewegung.
Es wird darauf hingewiesen, daß aus JP-A-56-83259 ein linearer Schrittmotor bekannt ist, der mit einer gelagerten und vernuteten Welle sowie mit genutenen Polplatten mit Erregerspulen an beiden Seiten eines Dauermagneten versehen ist. Dieser Motor gibt seine Antriebsleistung in Axialrichtung ab.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen mehrpoligen Linearmotor zu verschaffen, bei dem alle Spulen am Ständer angebracht und äußerst einfach angeordnet sind.
Die Erfindung hat weiter zur Aufgabe, einen Linearmotor zu verschaffen, der eine Vielzahl sehr feiner Schritte ermöglicht, ohne daß eine inkrementierende Schrittschaltung durch Teilerregung jeder Wicklung erforderlich ist.
Die Erfindung hat noch weiter zur Aufgabe, die Herstellung dadurch zu vereinfachen, daß die weichmagnetischen Bauteile des Motors aus Lamellenblechen zusammengestellt werden, die auf einen Dorn gestapelt werden, wobei Spulen in in Längsrichtung angeordnete Schlitze eingesetzt werden.
Die Erfindung hat ferner zur Aufgabe, die bewegliche Masse eines Linearmotors dadurch möglichst gering zu gestalten, daß der Läufer als dünnwandiges Rohr ausgeführt wird.
Die Erfindung hat zusätzlich zur Aufgabe, einen Linear-Hybridmotor zu verschaffen, dessen Läufer aus alternierenden, in einem beiderseits des Feldmagneten kontinuierlichen Muster angeordneten Gliedern besteht. Dadurch kann der Arbeitshub so lang werden, daß bestimmte Läuferglieder am einen Hubende mit Ständergliedern auf einer Magnetseite und am anderen Hubende mit Ständergliedern auf der anderen Magnetseite in Wechselwirkung treten.
In einem erfindungsgemäßen Motor ist ein Läufer für Linearbewegung parallel zu einer Achse angeordnet und trägt eine Vielzahl von in Axialrichtung in bestimmten Abständen voneinander angeordneten magnetisierbaren Elementen mit Flächen parallel zur Achse, wobei die Abstände zwischen den magnetisierbaren Elementen die gleiche axiale Länge haben. Der Ständer erstreckt sich parallel zu derselben Achse und besteht aus einer Vielzahl von magnetisch polarisierenden Elementen mit Polgrenzflächen parallel zu den Flächen der magnetisierbaren Läuferelemente. Die Polgrenzflächen der aufeinanderfolgenden Ständerglieder sind im axialen Abstand und unter einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet. Ein elektromagnestisches Hilfsmittel verstärkt selektiv den Magnetfluß durch die Polgrenzflächen des Ständers in einer ausgewälten Winkelanordnung, um den Läufer in axiale Positionen zu ziehen, in denen die magnestisierbaren Elemente zu den Polgrenzflächen mit verstärktem Magnetfluß ausgerichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens ein erstes und ein zweites Ständerglied axial ausgerichtet und durch mindestens ein drittes Ständerglied getrennt, wobei das erste und zweite Glied in einem bestimmten Winkel versetzte Polgrenzflächen aufweisen, während das dritte Glied mit in einem Abstand von der Position der ersten und zweiten Flächen liegenden winkelversetzten Polgrenzflächen versehen ist, jedoch keine zu denjenigen des ersten und zweiten Glieds ausgerichtete Polgrenzflächen aufweist. Eine Spule im Ständer verstärkt gleichzeitig den Magnetfluß durch die erste und zweite Polgrenzfläche des ersten und zweiten Ständerglieds, oder sie verstärkt den Magnefluß durch die Polgrenzflächen am dritten Ständerglied.
In einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform hat jedes Standerglied die gleiche Länge und n Polgrenzflächen, die in einem bestimmten Winkel als n/2 kreisförmig ausgerichtete Paare nebeneinanderliegender Flächen um die Achse angeordnet sind, wobei diese nebeneinanderliegenden Flächen zueinander 360º/n von Mitte zu Mitte versetzt sind. Die Polgrenzflächen aufeinanderfolgender Ständerglieder sind in der gleichen Richtung 360º/n versetzt. Das obenbeschriebene erste und dritte Ständerglied sind axial durch ein viertes Ständerglied so getrennt, daß eine Polgrenzfläche eines kreisförmigen Paares am vierten Ständerglied axial zur Polgrenzfläche am danebenliegenden ersten Glied ausgerichtet ist, während die andere Polgrenzfläche dieses Paares am vierten Glied axial zur Polgrenzfläche am dritten Glied auf der Gegenseite des vierten Glieds ausgerichtet ist. Die Ständerwicklungen sind so angeordnet, daß sie gleichzeitig den Magnetfluß durch zwei axial nebeneinanderliegende Polgrenzflächen mit der selben Winkelausrichtung verstärken. Die magnetisierbaren Läuferglieder haben Flächen von annähernd gleicher Länge wie zwei aufeinanderfolgende Ständerglieder, so daß sich die magnetisierbare Fläche des Läufers bei einer bestimmten Erregung einer Wicklung gegenüber dem ersten und vierten Ständerglied ausrichtet. Durch Erregung einer bestimmten anderen Wicklung wird der Magnetfluß durch die in einer Richtung um 360º/n versetzten Polgrenzflächen verstärkt, welche Flächen sich am vierten und dritten Glied befinden, so daß der Läufer in eine axiale Schrittbewegung über einen Hub gleich der Länge eines Ständerglieds gezogen wird.
Noch weiter hevorzugt wird eine Ausführung dieses Motors als Hybridmotor mit zwei von einem axial gepolten Dauermagneten getrennten Ständersektionen. Der Läufer ist als dünnwandiges Rohr mit Ringen gleicher Länge abwechselnd aus magnetisierbarem und nichtmagnetischem Material über die Länge des Läufers ausgeführt. Ein zum äußeren Ständer koxialer Innenständer ist mit Innenständergliedern mit gegenüber den Außenständergliedern axial und winklig ausgerichteten Polgrenzflächen ausgeführt. Der Innenständer besteht aus zwei über einen magnetischen Rückweg oder wahlweise durch einen in entgegengesetzter Axialrichtung gepolten Dauermagneten vorbundenen Abschnitten, um den vom Außen- zum Innenständer des einen Abschnitts radial nach innen und vom Innen- zum Außenständer des anderen Abschnitts radial nach außen verlaufenden Feldfluß zu verstärken.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform läßt sich der Läufer leicht aus einem sich axial erstreckenden zylindrischen Körper aus magnetisierbarem Material herstellen, wobei die magnetisierbaren Läuferelemente aus auf dem Läuferkörper angebrachten Ringen bestehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Läuferelemente und magnetisierbaren Flächen am Läuferkörper gebildet.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Hybridmotors mit rohrförmigem Läufer und Innenständer,
Fig. 2 ist eine Perspektivzeichnung des Läufers von Fig. 1, in der nur die alternierenden magnetischen und unmagnetischen Ringe abgebildet sind,
Fig. 3a - 3f sind schematische Darstellungen axial ausgerichteter Außen- und Innenständerglieder, in denen die Wirkung der Erregung verschiedener Wicklungen gezeigt wird, und
Fig. 4 ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Hybridmotors mit massivem Läufer mit integriertem Rückweg.
Die als Beispiele angeführten Ausführungsformen gemäß Fig. 1 - 3 haben einen einfachen, völlig kreissymmetrischen Läufer von geringem Gewicht. Dieser Läufer bewegt sich in Axialrichtung im Spalt zwischen einer inneren Spaltgrenzfläche eines Außenständers und einer äußeren Spaltgrenzfläche eines Innenständers. Sowohl der Außenständer als auch der Innenständer sind mit Polgliedern versehen, die aus einer Vielzahl von axial getrennten Winkelpolgliedern bestehen, wobei die aufeinanderfolgenden Polglieder mit einer Steigung gleich der axialen Dicke eines einzelnen, vorzugsweise als Einfachlamelle ausgeführten Polglieds winkelversetzt und in axialen Abständen angeordnet sind.
Der in Fig. 1 gezeigte Linearmotor 1 umfaßt drei Hauptteile: einen Außenständer 2, der einen Stapel von in der Folge beschriebenen Gliedern oder Lämellen sowie Wicklungen enthält (von denen deutlichkeitshalber hier nur die Endwindungen abgebildet sind), einen Innenständer 3 mit einem gleichermaßen angeordneten Besatz von in der Folge beschriebenen Gliedern oder Lämellen, und einen zwischen Innen- und Außenständer in Axialrichtung frei beweglichen Läufer 4.
Der Außenständer 2 ist in zwei von einem Feldmagneten 7 getrennte Gehäusehälften 5 und 6 eingebaut; der Feldmagnet 7 ist ein axial magnetisierter Ringmagnet. Die vorderen und hinteren Lamellenstapel passen genau in die Gehäuse hälften 5 und 6 und liegen fest an den beiden Polflächen des Magneten 7 an.
Der Innenständer 3 besteht aus zwei auf einen Innenständerdorn 9 aufgesetzten und durch einen dem Feldmagneten 7 axial gegenüberliegenden Rückwegring 10 in der Mitte geteilten Lämellenstapeln. Der Innenständer 3 wird von einem stabilisierten Gußharzblock 12, durch den elektrische Anschlüsse zu den Wicklungen des Außenständers hergestellt werden können, gegenüber dem Außenständer 2 positioniert.
Wie in Fig. 2 deutlicher dargestellt, besteht der Läufer im wesentlichen aus einer Wechselfolge von jeweils in Radialrichtung sehr dünnen Magnetringen 14 und nichtmagnetischen Ringen 15, deren Länge in Axialrichtung jeweils gleich der Dicke zweier aufeinanderfolgender Ständerglieder oder -lamellen ist. Durch die Stirnseite des Motors verläuft eine Welle 16 zum Anschluß eines vom Motor anzutreibenden Leistungsabnehmers.
Zur möglichst weitgehenden Gewichtseinsparung und Verringerung von elektrischen Verlusten können die nichtmagnetischen Ringe 15 aus einem stabilen Gußharz hergestellt werden; sie können aber auch aus einem nichtmagnetischen, mäßig hochfesten Metall oder aus einem keramischen Werkstoff hergestellt werden, das bzw. der sich maschinell formbearbeiten und einwandfrei mit den Magnetringen 14 verkleben läßt.
Die Lämellenanordnung des Motors 1 wird durch Vergleich von Fig. 1 mit Fig. 3a - 3f verdeutlicht. In Fig. 3a, 3b, 3c und 3f sind vier aufeinanderfolgende. zueinander um jeweils 45º im Gegenuhrzeigersinn versetzte Außenständer-Polglieder dargestellt. Jedes dieser Polglieder besteht vorzugsweise jeweils aus einer einzigen, zum Beispiel aus einem dünnen Band eines magnetischen Metalls von hoher Permeabilität wie beispielsweise 2V Permendur, einer Legierung aus 49% Eisen, 49% Kobalt und 2% Vanadium, ausgestanzten Lämelle. Jedes Polglied bzw. jede Pollamelle weist vier nach innen ragende lange Zähne 25 auf, die alle in einer Polfläche 26 über einen Winkel von etwas weniger als 40º um die Achse 18 enden. Die langen Zähne 25 sind als einander gegenüberliegende Paare von je zwei im Abstand von 45º von Mitte zu Mitte nebeneinanderliegenden Zähnen angeordnet. Zwischen den langen Zähnen 25 sind vier kurze Zähne 27 von der gleichen Breite wie die langen Zähne paarweise im Abstand von 45º von Mitte zu Mitte angeordnet. Hierdurch entsteht ein symmetrisches Gebilde aus abwechselnd zwei langen Zähnen, zwei kurzen Zähnen, zwei langen Zähnen und wieder zwei kurzen Zähnen, über den Umfang einer kreisförmigen, einen zylindrischen Spalt bildenden Fläche 28 verteilt, die in Fig. 3c zur Verdeutlichung durch Strichellinien dargestellt ist. Da jeder Zahn weniger als 45º breit ist, entstehen zwischen den Zähnen acht Schlitze 29 in gleichen Abständen als einander diagonal gegenüberliegende Schlitzpaare 29a, 29b, 29d und 29e.
Der Innenständer 3 besteht in ähnlicher Weise aus einer Lamellenreihe 31 - 34, deren aufeinanderfolgende Anordnungen gleichfalls in Fig. 3a, 3b, 3c und 3f dargestellt sind. Jedes Polglied bzw. jede Pollamelle des Innenständers weist zwei lange Zähne 35 auf, die über einen Winkel von etwas weniger als 90º verlaufen und den entsprechenden Polflächenpaaren 26 der nebeneinanderliegenden langen Zähne 25 dem Außenständerglieds 21 - 24 gegenüberliegen. Die langen Zähne 35 jedes Innenständerglieds liegen an einer kreisförmigen, einen zylindrischen Spalt bildenden Fläche 38, die in Fig. 3c durch Strichellinien dargestellt ist. Zwischen den einander diametral gegenüberliegenden Zähnen 35 befinden sich am Innenstander symmetrisch ausgesparte Lücken 37. Die Lücken 37 sind gegenüber der spaltbildenden Fläche 38 zurückgesetzt und die Enden der kurzen Zähne 27 liegen im gleichen Abstand von der spaltbildenden Fläche 28, so daß eine ausreichende Spaltbreite entsteht, um in der spaltbildenden Fläche Bahnen von im Vergleich zu den Bahnen durch die langen Zähne 25 und die Innenständerzähne 35 hohem magnetischem Widerstand zu bilden.
In der in Fig. 1. dargestellten Läge ist einer der Läufermagnetringe 14 axial zu den nebeneinanderliegenden Außenpolgliedern 21 und 22 sowie zu den nebeneinanderliegenden Innenpolgliedern 31 und 32 ausgerichtet. Durch Vergleich mit Fig. 3a und 3b wird deutlich, daß der Magnetring im Ständerspalt zwischen den beiden Polflächen 26 und der Fläche eines langen Zahns 35 des Innenständers liegt. Der Magnetring ist vorzugsweise mit einer radialen Dicke auszuführen, die nur wenig unter der radialen Spaltbreite zwischen den Zähnen 35 und 25 liegt, so däß die Gesamtspallbreite von einem langen Zahn 25 zum axial ausgerichteten Magnetring 14 und von diesem zum Zahn 35 des Innenständers im Vergleich zur Breite des Spalts zwischen den kurzen Zähnen 27 und dem Magnetring 14 oder der Lücke 37 und dem Ring 14 sehr klein ist.
Die Wicklungen 13 sind vorzugsweise als zwei Wicklungssätze anzuordnen, deren einer die in der üblichen Weise als Pfeilspitze und -ende in den Schlitzen 29a und 29b in den Fig. 3a - 3c gezeigte Stromverteilung bewirkt, um den Läufer in eine Stellung einer ersten Stellungsgruppe zu ziehen, und um den Läufer bei Umpolung (d.h. bei entgegengesetzter Stromrichtung) in eine Stellung einer anderen Stellungsgruppe zu ziehen. Der zweite Wicklungssatz bewirkt die auf gleiche Weise in den Schlitzen 29d und 29e in den Fig. 3d - 3f gezeigte Stromverteilung oder die entgegengesetzte Stromrichtung, um den Läufer in die jeweiligen anderen Stellungsgruppen zu ziehen.
Aus Fig. 1 geht hervor, daß der Feldmagnet 7 normalerweise Feldfluß von den vorderen Außenständergliedern nach innen über den Luftspalt zu den vorderen Innenständergliedern, nach hinten durch den zentralen Rückwegring und den Dorn des Innenständers, und dann von den hinteren Innenständergliedern nach außen über den hinteren Luftspalt zu den hinteren Außensländergliedern erzeugt. Das in Fig. 3a gezeigte Glied ist ein vorderes Glied, so däß auf der Hand liegt, daß das gezeigte Strombild einen Feldfluß durch die Zähne 25a erzeugt, der den vom Feldmagneten 7 erzeugten Feldfluß additiv verstärkt während die selbe Stromverteilung den Feldfluß durch die dazu um 90º versetzten kurzen Zähne 27a normalerweise verringert bzw. ihm entgegenwirkt. Wie in Fig. 3b gezeigt, führt diese selbe Stromverteilung auf ähnliche Weise zu einem additiv verstärkten Feldfluß in den langen Zähnen 25b und einem verringerten Feldfluß in den kurzen Zähnen 27b. Demnach übt jedes der einander gegenüberliegenden Glieder 21, 31 und 22, 32 einen starken magnetischen Zug aus, um den Magnetring 14 zu diesen beiden benachbarten Ständergliedern axial zentriert zu halten. Gleichzeitig erzeugt diese Stromverteilung, wie in Fig. 3c gezeigt, wegen des langen Spalts zwischen der zurückgesetzten Fläche von Zahn 27c und der äußeren Spaltgrenzfläche 28, sehr wenig Feldfluß durch die kurzen Zähne 27c des äußeren Ständerglieds 23.
Fig. 3d, 3e und 3f zeigen die Glieder aus Fig. 3b und 3c und das vierte Gliederpaar jeweils mit innerhalb einer elektrischen Periode zeitlich um 90º verschobener Stromverteilung, wenn der Motor als Linear-Synchronmotor betrieben wird, oder mit dem Läufer gemäß Fig. 1 um einen Schritt nach links versetzt, wenn der Motor als Schrittmotor betrieben wird. Die Stromverteilung ähnelt deutlich derjenigen von Fig. 3a - 3c, jedoch im Gegenuhrzeigersinn um 45º verdreht. Das Ergebnis ist ein additiv verstärkter Feldfluß in den langen Zähnen 25d des Außenständerglieds 22 und 25e des Ständerglieds 23, und ein verringerter Feldfluß in den kurzen Zähnen 27d, 27e der Glieder 22 und 23 sowie in den langen Zähnen 25f des Außenständerglieds 24. Dadurch bewegt sich der Läufer um eine axiale Steigungsstufe, die gleich der Dicke eines Ständerglieds ist, nach links, so daß das Magnetglied 14 jetzt zwischen den Gliedern 22, 23 und 32, 33 axial ausgerichtet ist.
In dem in Fig. 1 gezeigten Hybridmotor verläuft der Feldfluß deutlich von der vorderen Außenständersektion radial nach innen zur vorderen Innenständersektion und von der hinteren Innenständersektion radial nach außen zur hinteren Außenständersektion. Da jede Ständerwicklung den Feldfluß in allen von ihr umgebenen Zähnen normalerweise nach innen verstärkt, verstärkt eine Stromverteilung gemäß Fig. 3a - 3c den Feldfluß durch die in der vorderen Ständersektion von Fig. 1 als Schnittbild dargestellten langen Zähne, während sie den Feldfluß durch die Ständerzähne mit der gleichen Winkellage in der hinteren Ständersel:tion abschwächt. Demnach verstarkt ebendiese Stromverteilung den Feldfluß nach außen durch die langen Zähne der Glieder 23 und 24 der hinteren Ständersektion, die zu den dann zwischen den Innen- und Außenständersektionen stehenden magnetisierbaren Elementen 14 axial ausgerichtet werden.
Der Läufer läßt sich auch über Abstände von weniger als einem axialen Steigungsschritt positionieren oder rasten, indem beide Wicklungssätze gleichzeitig mit dem gleichen Strom in jeder Wicklung oder mit verschiedenen Stromstärken erregt werden.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorausgehend beschriebenen dadurch, däß der Rückweg für den magnetischen Fluß einen Bestandteil des Läufers bildet, so däß kein Innenständer erforderlich ist, und weiter darin, däß der Läufer als einteiliger Körper ausgeführt werden kann, da keine nichtmagnetischen Abstandshalter erforderlich sind.
Der in Fig. 4 abgebildete Ständer 2 kann mit demjenigen aus Fig. 1 identisch sein, wobei lediglich der Harzblock 12 gemäß Abb. 1 durch eine Scheibe 42 ersetzt wird, durch die sich die elektrischen Anschlüsse für die Ständerwicklungen führen lassen, und zwischen dem Gehäuseteil 5a und einem Montage- und Lägerteil 5c ein nichtmagnetischer Abstandsring 5c als Sperre für den magnetischen Fluß eingebaut wird.
Der Läufer 40 besteht aus einem einteiligen Magneteisenkörper mit daran abwechselnd im jeweils gleichen Abstand voneinander angebrachten Polflächen 41 und Aussparungen 45, wobei die Längen der Polflächen und Aussparungen jeweils gleich der Länge zweier nebeneinander angeordneter Ständerpolglieder sind. Dieser Läufer ist demjenigen aus Fig. 2 demnach strukturell gleich, nur daß das Innere des Läufers ganz mit magnetischem Material ausgefüllt ist. Damit ist die Schrittfolge der Ausführungsform gemäß Fig. 4 mit derjenigen gemäß Fig. 1 identisch.
Die Ausführungsform mit nur einem Ständer hat im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 den Nachteil einer weitaus größeren Läufermasse. Auch kann die erzeugte axiale magnetische Kraft bei gleichen Abmessungen des Ständers 2 kleiner sein als diejenige der Ausführungsform gemäß Fig. 1, außer daß es aufgrund der einfacheren Herstellung und größeren Starrheit des Läufers möglich sein könnte, dem Motor mit einem kleineren radialen Lüftspiel im Spalt zwischen Ständer und Läufer zu betreiben.
Für einige Anwendungen kann der Motor gemäß Fig. 4 kürzer gebaut werden als derjenige gemäß Fig. 1, wobei er den gleichen Arbeitshub ausführt, da der hintere Teil des Motors ohne weiteres generell spiegelbildlich zu seinem Vorderteil, jedoch mit einer Bohrung für die Axialbewegung des Läufers versehen, ausgeführt werden kann.
Wo die Baulänge extrem kritisch ist, können die Aussparungen 45 des Läufers mit einem nichtmagnetischen Material ausgefüllt werden, vorzugsweise mit einem schlechten elektrischen Leiter, so däß der Läufer eine glatte zylindrische Oberfläche aufweist. Mit dieser Variante lassen sich spezielle Lägerungen an den beiden Enden des Motors vermeiden und kann der Läufer durch die von den Polgliedern im Ständer gebildeten zylindrischen Flächen ganz oder teilweise radial geführt werden.
Die Winkelpolglieder können aus mehreren axial angeordneten dünnen Lämellen bestehen, wobei die ein Glied mit gleicher Winkelanordnung bildenden Lamellen und die das nächste Glied bildenden Lamellen zum ersten Glied sämtlich mit dem gleichen Versatz angeordnet sind. Wenn verhältnismäßig hohe Schrittfrequenzen oder Betriebsfrequenzen im Synchronbetrieb erwünscht sind, werden Wirbelstromverluste durch eine derartige Bauweise stark verringert.
Mit dem Stand der Technik vertraute Fachleute dürften erkennen, daß beiderseits des Magneten 7 nicht unbedingt gleiche Strukturen erforderlich sind. In einer Variante der Ausführungsform gemäß Fig 1, in der die axiale Länge des Motors bei gleichem Arbeitshub kleiner ist, können alle Ständerpolglieder axial an einer Seite des Magneten angeordnet sein, während ein magnetischer Rückweg von minimaler Länge den Innen- und Außenständer mit der anderen Seite verbindet. Ferner liegt auf der Hand, daß der Magnet nicht zwingend gemäß der Abbildung ausgeführt oder nur im Außenständer angebracht zu werden braucht. Ebensowenig braucht als Feldmagnet unbedingt ein Permanentmagnet verwendet zu werden. Der Feldfluß kann von einer Feldwicklung im Zusammenwirken mit der Magnetstruktur erzeugt werden, zum Beispiel von einer Ringspule um ein magnetisches Material oder im Innern einer Magnethülse wie Gehäuse 6. Sowohl ein Permanentmagnet als auch ein Elektromagnet kann Bestandteil des Innenständers sein zum Beispiel anstelle des Rückwegrings 10.
Bei weiteren Varianten können - zusätzlich zu oder anstelle von geschlitzten Lämellen des Außenständers - Wicklungen in Schlitzen im Innenständer angebracht werden. Um eine ungenaue radiale Ausrichtung des Innenständers zum Außenständer zu vermeiden, kann in der Anschlußwelle 16 des Läufers gemäß Fig. 1 eine Reihe von axialen Nuten angebracht werden, in die die Verzahnung eines Innen zahnrings eingreift, um das vordere Ende des Innenständers exakt zum Gehäuseteil 5 des Außenständers 2 zu zentrieren.
Es dürfte einleuchten, däß in Übereinstimmung mit der in den beigefügten Schutzansprüchen beschriebenen Grundkonzeption der Erfindung viele andere Wicklungs- und/oder Magnetpolanordnungen realisiert werden können. So sind bei gleicher Lämellenform verschiedene Spulenverteilungen möglich, bei denen Leiter verschiedener Wicklungen gemeinsam im selben Schlitz verlegt sein können. Die aufeinanderfolgenden Polglieder brauchen nicht in einer bestimmten Richtung fortlaufend gegeneinander versetzt zu sein, und ebensowenig müssen zwei aufeinanderfolgende Polglieder lange, gleichzeitig additiv magnetisierte Polstrecken aufweisen; in einem solchen Fall muß eine entsprechende Länge des Magnetrings des Läufers gewählt werden. Auch ist es nicht erforderlich, daß die magnetischen und nichtmagnetischen Ringe oder die abwechseln den zylindrischen Polflächen 41 und Aussparungen 45 sämtlich die gleiche axiale Länge haben. Wo wegen besonders beengten räumiichen Verhältnissen die Baulänge des Motors zwingend begrenzt ist, kann auch eine Lösung mit zwei konzentrischen Läufern gewählt werden, die sich in zwei Lüftspalten zwischen einem Innen-, Zwischen- und Außenständer bewegen. Der Feldmagnet kann in diesem Fall radial gepolt werden und Bestandteil des Zwischenständers oder in den radialen Rückweg am Ende des Motor eingegliedert sein.

Claims

1. Linearer Hybridschrittmotor mit einem für eine Linearbewegung parallel zu einer Achse (18) angeordneten Läufer (4, 40) und einem sich parallel zu dieser Achse erstreckenden Ständer (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (4, 40) eine Vielzahl von in Axialrichtung in bestimmten Abständen voneinander angeordneten magnetisierbaren Elementen (14, 41) mit Flächen parallel zu obiger Achse trägt, wobei der Ständer eine Vielzahl von magnetisch polarisierenden Elementen (21 - 24) mit Polgrenzflächen (26) parallel zu obigen Flächen der Läuferelemente aufweist, wobei die aufeinanderfolgenden Polgrenzflächen im axialen Abstand und unter einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind und daß Hilfsmittel (13) für die selektive Verstärkung des Magnetflusses durch die Polgrenzflächen dieses Ständers vorhanden, um den Läufer in bestimmte axiale Positionen zu dem genannten Ständer zu ziehen.

2. Motor gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, däß die magnetisierbaren Elemente (41) des Läufers zu obiger Achse koaxiale Umfangsflächen bilden und der Läufer (40) einen axial verlaufenden Körper aus magnetisierbarem Material aufweist, der die magnetisierbaren Elemente miteinander verbindet.

3. Motor gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, däß diese magnetisierbaren Elemente (41) des Läufers an besagtem Körper gebildet werden.

4. Motor gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, däß mindestens eine erste und eine zweite dieser winkelversetzten Ständerpolgrenzflächen axial ausgerichtet sind und jeweils am ersten und zweiten Polglied (21) des Ständers gebildet werden, wobei dieses erste und zweite Glied durch mindestens ein drittes Ständerglied (23) mit in einem Abstand von der Position der vorgenannten ersten und zweiten Flächen iiegenden winkelversetzten, dritten Polgrenzflächen getrennt werden, wobei dieses dritte Glied (23) keine zu denjenigen des ersten und zweiten Glieds axial ausgerichteten Polgrenzflächen aufweist, und wobei

das Mittel für die Feldverstärkung Wicklungen (13) aufweist zur gleichzeitigen Verstärkung des Magnetflusses durch vorgenannte erste und zweite Flächen und zur wahlweisen Verstärkung des Magneflusses durch vorganannte dritte Flächen.

5. Motor gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß alle Ständerglieder die gleiche Länge haben und n Polgrenzflächen (26) aufweisen, die in einem bestimmten Winkel als n/2 kreisförmig ausgerichtete Paare nebeneinanderliegender Flächen um die vorgenannte Achse angeordnet sind, wobei diese nebeneinanderliegenden Flächen 360º/n von Mitte zu Mitte gegeneinander versetzt sind, und wobei

aufeinanderfolgende Ständerglieder in der gleichen Richtung um 360º/n versetzte Polgrenzflächen aufweisen und das vorgenannte dritte Ständerglied (23) mit Zwischenräumen zwischen den Polgrenzflächen des ersten Glieds (21) axial ausgerichtete Polgrenzflächen aufweisen, während diese ersten und dritten Glieder durch ein viertes Ständerglied (22) axial getrennt sind, wobei

die genannte Wicklung gleichzeitig den Magnetfluß durch zwei axial nebeneinanderliegende Polgrenzflächen an axial nebeneinanderliegenden Polgliedern verstärkt und

die vorgenannten magnetisierbaren Flächen des Läufers annähernd die gleiche axiale Länge wie zwei Ständerglieder haben,

wobei in einem bestimmten Erregungszustand besagter Wicklung der Magnetfluß durch ein erstes Paar axial ausgerichteter Ständerpolflächen an besagten ersten und vierten Ständergliedern (21, 22) verstärkt und eine magnetisierbare Fläche des Läufers axial gegenüber dem ersten und vierten Ständerglied ausgerichtet wird und wobei in einem anderen Erregungszustand der Magnetfluß durch ein zweites Paar axial ausgerichteter Ständerpolflächen verstärkt wird, welche Flächen sich an dem gegenüber besagtem ersten Paar axial ausgerichteter Flächen um 360º/n versetzten vierten und dritten Glied befinden, so daß vorgenannte erste Läuferfläche zu diesem vierten und dritten Ständerglied ausgerichtet wird.

6. Linearer Hybridschrittmotor gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, däß

- jedes Magnetpolglied (21 - 24) des Ständers (2) ein Winkelpolglied mit mehreren Zähnen (25) in winklig verteilter Läge um den Umfang einer ersten, sich in einer Relativbewegungsrichtung parallel zur Achse erstreckenden Spaltgrenzfläche (28) ist, wobei diese Zähne durch Zwischenräume (29) getrennt werden und Pole mit Polflächen (26) bilden, die einen Pfad von geringem magnetischem Widerstand zur vorgenannten ersten Fläche bieten, wobei die Winkelpolglieder als koaxialer Ständerstapel und besagte Zähne in sich wiederholender Folge von zueinander winkelversetzten Positionen dieser Zähne angeordnet sind, während dieser Stapel mehrere durch die Zwischenräume (29) gebildete und von den Zähnen (5) begrenzte, gewundene Schlitze aufweist,

- die Ständerwicklung aus mindestens einer ersten und zweiten Wicklung besteht, wobei ein Teil jeder Wicklung in einem zugeordneten Schlitz (29) verlegt ist, und

- der Läufer (4, 40) einen Läuferstapel aus einer Vielzahl von im wesentlicher identischen, senkrecht zu besagter Richtung angeordneten Magnetgliedern (14, 41) umfäßt, wobei diese Magnetglieder des Läufers entlang einer zweiten Spaltgrenzfläche angeordnete Flächen aufweisen, wobei der Spalt zwischen der besagten ersten und zweiten Spaltgrenzfläche ein erster Luftspalt ist, wobei nie Glieder des einen Stapels sind mit einer bestimmten Winkelsteigung axial gegeneinander versetzt sind, während die Glieder des anderen Stapels mit mindestens dem Doppelten der vorgenannten Winkelsteigung axial gegeneinander versetzt sind, wobei der Ständer und der Läufer so angeordnet sind daß der auf eine bestimmte Erregung nur einer der besagten Wicklungen ansprechende Läufer in die erste einer Reihe sich wiederholender stabiler Positionen zum Ständer gezogen wird, wobei ein erstes magnetisches Glied des Läufers zu den Zähnen eines der Magnetpolglieder in einer ersten Winkellage ausgerichtet wird, und wobei auf eine zweite Erregung einer anderen dieser Wicklungen ansprechend der Läufer in eine zweite Position neben besagter erster Position gezogen wird, in welcher zweiten Position eines der Läuferglieder zu Zähnen in einer anderen, zur ersten Winkellage versetzten Winkellage ausgerichtet wird.

7. Motor gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, däß die Ständerpolglieder (21 - 24) identisch und so angeordnet sind, daß jedes nächste Glied zum jewells vorigen Glied um einen bestimmten Winkelabstand verdreht ist, wobei dieser Winkelabstand ein ganzes Vielfaches des Winkelversatzes zwischen besagten Schlitzen (29) ist.

8. Motor gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Motor ein Hybridmotor ist, der folgende Elemente umfaßt:

einen ersten und zweiten Ständerteil mit axialem Zwischenspalt und Feldmagneten (7) zur Erzeugung eines Feldflusses in einer bestimmten Flußrichtung vom ersten Ständer über obigen Luftspalt zum Läufer, und in einer der obigen Flußrichtung entgegengesetzten Richtung vom zweiten Ständer über den Luftspalt zum Läufer.

9. Motor gemäß Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ständerpolglied vier Zähne (25) mit Polflächen aufweist, wobei zwischen nebeneinanderliegenden Zähnen mit Polflächen entlang vorgenannter Spaltgrenzfläche (28) zwei Schlitze gebildet werden, wobei der vorgenannte Winkelabstand dem Winkelversatz zwischen den Schlitzen (29) gleich ist.

10. Linearer Hybridschrittmotor gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ständer ein Innenständerteil (3) und ein Außenständerteil (2) sowie ein Mittel (42) für die starre Montage dieser Ständerteile zueinander aufweist,

- eines der Ständerteile aus den Ständerpolgliedern (21 - 24) besteht, wobei jedes Magnetpolglied ein Winkelpolgfied mit einer bestimmten, der axialen Länge der magnetischen Glieder des Läufers generell gleichen axialen Länge ist; wobei um den Umfang einer ersten Spaltgrenzfläche (28) des länglichen Ständers dieses Winkelpolglied mehrere Zähne (25) im gleichen Winkelabstand aufweist, wobei die Zähne durch Zwischenräume (29) voneinander getrennt sind und Pole mit Polflächen mit Pfaden von niedrigem magnetischem Widerstand zu der besagen ersten Fläche bilden, wobei die Winkelpolglieder als koaxialer Stapel mit mehreren in axialer Richtung verlaufenden, gewundenen Schlitzen angeordnete sind, wobei die aufeinanderfolgenden Polglieder des Stapels in sich wiederholender Winkelfolge von relativen Winkellagen der Zähne mit Pfaden von geringem magnetischem Widerstand angeordnet sind,

- die Ständerwicklung (13) mindestens aus einer ersten und zweiten Wicklung besteht, wobei ein Teil jeder Wicklung in einem zugeordneten Schlitz (29) verlegt ist,

- das andere Ständerteil aus einer entsprechenden Anzahl Winkelpolglieder mit einer entsprechenden Anzahl Zähne in winkelversetzter Lage um den Umfang einer dritten Spaltgrenzfläche besteht, wobei diese Zähne der Glieder des anderen Ständerteils durch Zwischeiiräume getrennt sind und Pole mit Polflächen mit Pfaden von geringem magnetischem Widerstand zu der genannten dritten Fläche bilden,

- die Glieder dieses anderen Ständerteils als koaxialer Ständerstapel angeordnet sind, dessen Zähne Pole mit axial, winkelversetzt und gegenüber entsprechenden Zähnen der Glieder des obigen ersten Ständerteils ausgerichteten Polflächen bilden,

- der Läufer (4) aus einem Läuferstapel abwechselnd aus vielen im wesentlichen identischen rotationssymmetrischen magnetischen Gliedern (14) und im wesentlichen identischen nichtmagnetischen Gliedern (15) koaxial zu der vorgenannten Achse besteht, wobei mindestens einige der vorgenannten magnetischen Glieder in axialer Lage zwischen den Innen- und Außenständerteilen angeordnet sind, und

- die Winkelpolglieder so angeordnet sind, däß der Läufer, auf eine bestimmte Erregung einer der vorgenannten Wicklungen ansprechend, in die erste einer Reihe sich wiederholender stabiler Positionen zum Ständer gezogen wird; und der Läufer auf eine zweite Erregung einer anderen dieser Wicklungen ansprechend, in eine zweite Position neben besagter erster Position gezogen wird, die von dieser um einen Abstand gleich der vorgenannten axialen Länge entfernt ist.

11. Motor gemäß Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Ständerpolglieder (21 - 24) identisch und so angeordnet sind, däß jedes nächste Glied zum jeweils vorigen Glied um einen bestimmten Winkelabstand verdreht ist, wobei dieser Winkelabstand ein ganzes Vielfaches des Winkelversatzes zwischen besagten Schlitzen (29) ist.

12. Motor gemäß Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Motor ein Hybridmotor ist mit:

einem ersten und zweiten Ständerteil mit axialem Zwischenspalt und Feldmagneten (7) zur Erzeugung eines Feldflusses in einer bestimmten Flußrichtung vom ersten Ständerteil über besagten Luftspalt zum Läufer, und in einer der obigen Flußrichtung entgegengesetzten Richtung vom zweiten Ständerteil über den Luftspalt zum Läufer.

13. Motor gemäß Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ständerpolglied vier Zähne (25) mit Polflächen aufweist, wobei zwischen nebeneinanderliegenden Zähnen mit Polflächen (26) entlang besagter Spaltgrenzfläche (28) zwei Schlitze gebildet werden und besagter Winkelabstand dem Winkelversatz zwischen den Schlitzen (29) gleich ist.