DE4217357C2 - Linearmotor - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearmotor mit
zylindrischem Luftspalt und ringförmigen Spulen in Nu
ten des Ständers, wobei der Ständer Ringscheiben, die
in einer Schichtung mit den Spulen abwechseln, und ein
außen anliegendes Ständerjoch und der Läufer Ringschei
ben aufweist.
Bei einem bekannten Linearmotor dieser Art, wie er aus
der US-PS 31 35 879 bekannt ist, bestehen die Spulen
des Ständers aus jeweils einem Wickel. Das eine Ende
des Wickels muß daher seitlich neben dem Wickel radial
nach außen geführt werden, um es mit einer Zuleitung zu
verbinden. Die Spulen liegen mithin nicht großflächig
und dementsprechend nicht stabil an den benachbarten
Ringscheiben an. Die radialen, seitlich neben den Spu
len herausgeführten Wicklungsdrahtabschnitte bedürfen
neben dem üblichen Isolationslack einer zusätzlichen
Isolation, um eine Beschädigung des Isolationslacks
beim axialen Verspannen der Wickel und Ringscheiben zu
vermeiden. Dies ergibt bei einer Vielzahl von Spulen
und entsprechend hoher Nennleistung des Linearmotors
einen axial langen Aufbau. Bezüglich der Ausbildung des
Läufers ist angegeben, daß er zylindrisch oder recht
eckförmig sein oder eine gekrümmte Form aufweisen und
hohl, massiv oder mit Umfangsnuten zur Aufnahme einer
Sekundärwicklung versehen sein kann. Vorzugsweise soll
er gestapelte Bleche aufweisen. In den Nuten sollen
toroidförmige Ringleiter angeordnet sein.
Aus der DE-OS 21 09 241 ist ein Linearmotor mit zylin
drischem Luftspalt, ringförmigen Spulen in Nuten des
Ständers und einem Läufer bekannt, wobei der Ständer
Ringscheiben, die in einer Schichtung mit den Spulen
abwechseln, und ein außen anliegendes Ständerjoch auf
weist. Der Läufer besteht dort jedoch aus einem massi
ven Zylinder mit einem Kern aus Stahl und einem Mantel
aus elektrisch leitendem Metall. Die durch den Ständer
im Läufer induzierten Ströme erzeugen hierbei nur
schwache Magnetfelder im Luftspalt. Mit einem solchen
Motor lassen sich daher nur geringe Axialkräfte auf den
Läufer im Vergleich zur zugeführten Leistung ausüben.
Aus der US-PS 38 52 627 ist ein Ständer eines Linearmo
tors bekannt, der zum Ziehen von Rohren oder derglei
chen dient. Der Ständer besteht aus unlamellierten
Ringscheiben, zwischen denen Spulen angeordnet sind.
Die Spulen sind von Ständerringen mit einem radialen
Abstand von den Spulen umgeben. In die Ringräume zwi
schen den Spulen und Ständerringen wird Kühlluft gebla
sen.
Die DE-AS 19 37 430 zeigt einen Läufer lediglich aus
schrägen Kupferringen mit einer dazwischen angeordneten
Isolation.
Ein herkömmlicher Solenoid-Linearmotor mit zylin
drischem Luftspalt, ringförmigen Spulen in den Nuten
des Ständers und Leiterringen in den Nuten des Läufers
hat gegenüber einem Einzelkamm- oder Doppelkamm-Linear
motor den Vorteil, daß keine Wickelköpfe benötigt wer
den und daher die Spulen und Leiter ringförmig ausge
bildet und in Ringnuten eingelegt werden können. Nach
teile gibt es dagegen in fertigungstechnischer Hin
sicht, und zwar sowohl hinsichtlich der Herstellung von
Ständer und Läufer als auch hinsichtlich des Einbrin
gens der Spulen bzw. Leiterringe in die Nuten. Daher
ist ein solcher Motor bisher noch nicht in die Praxis
eingeführt worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linear
motor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der auf
einfache Weise hergestellt werden kann und einen axial
kompakteren Aufbau hat.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Läufer aus den Ringscheiben, die in einer Schich
tung mit Leiterringen abwechseln, und einem innen an
liegenden Läuferjoch zusammengesetzt ist, daß die Ring
scheiben des Läufers und das Läuferjoch die Nuten für
die Leiterringe bilden, daß das Läuferjoch ein massives
Rohr aufweist und daß die Spulen derart gewickelt sind,
daß sich zwei nebeneinander angeordnete Wickel ergeben,
die innen über eine Windung miteinander verbunden sind
und außen die beiden Anschlußenden aufweisen.
Bei der Herstellung brauchen lediglich die Ringscheiben
mit den Spulen bzw. Leiterringen zu einem Stapel ge
schichtet zu werden, der dann durch das außen bzw. in
nen angesetzte Joch auf einfache Weise zum Ständer bzw.
Läufer vervollständigt wird. Der Luftspalt an der Stoß
stelle zwischen Ringscheiben und Joch spielt im Magnet
kreis im Vergleich zum Arbeits-Luftspalt nur eine un
tergeordnete Rolle und kann daher in Kauf genommen wer
den. Im übrigen läßt er sich durch entsprechende Bear
beitung klein halten.
Bei diesem Vorgehen entfällt nicht nur das schwierige
Einlegen der Spulen und Leiterringe in die Nuten, son
dern auch ein Stanzen von Nuten. Insbesondere gibt es
keine komplizierten und aufwendigen Nutschnitte wie bei
Kamm-Motoren. Die Zahnbreite, Nutteilung oder Poltei
lung läßt sich einfach durch Verwendung unterschiedlich
dicker Ringscheiben und Spulen bzw. Leiterringe ändern.
Alle Teile sind einfach aufgebaut und können in Serie
preiswert hergestellt werden.
Die spezielle Wickelart sorgt dafür, daß die Ring
scheiben und die Spulen dicht aufeinander geschichtet
werden können, weil sich die Anschlußenden außen befin
den und daher kein Anschlußdraht zum Inneren der Spule
hin geführt werden muß.
Wegen der gleichmäßigen Wandstärke des rohrförmigen
Läuferjochs, die auch verhältnismäßig klein gehalten
werden kann, ergibt sich ein kleines Trägheitsmoment in
Bewegungsrichtung.
Günstig ist es, daß die Ringscheiben jeweils aus einem
Stapel ringförmiger Bleche bestehen. Dies führt zu ei
ner einfachen Bauweise mit geringer Nutstreuung. Wir
belströme spielen in axialer Richtung keine wesentliche
Rolle und in Umfangsrichtung nur bei höheren Frequen
zen, die bei vielen Anwendungszwecken, beispielsweise
bei der Axialverstellung von Maschinenelementen bei
Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen u. dgl., gar nicht
erforderlich sind, weil mit 10 Hz bereits eine Ge
schwindigkeit von 1 bis 2 m/s erzielt werden kann.
Für den Fall, daß Wirbelströme in Umfangsrichtung ver
mieden werden müssen, können die Ringscheiben bzw. Ble
che ein- oder mehrfach geschlitzt sein.
Zweckmäßig ist es auch, daß das Ständerjoch und/oder
das Läuferjoch mindestens eine etwa in Achsrichtung
verlaufende Trennfuge aufweist. Diese Trennfuge verhin
dert ebenfalls in Umfangsrichtung verlaufende Wirbel
ströme.
Diese Trennfuge erreicht man insbesondere, wenn das
Ständerjoch und/oder das Läuferjoch aus über den Umfang
verteilten Blechpaketen gebildet ist, die aus in Achs
richtung verlaufenden Blechen bestehen. Außerdem läßt
sich das Joch sehr einfach aus diesen Blechen zusammen
setzen.
Eine Alternative besteht darin, daß das Ständerjoch
und/oder das Läuferjoch aus massivem weichmagnetischen
Eisen oder Stahl besteht. Dies führt zu einer einfachen
stabilen Bauweise, bei der die massiven Joche die
Stützstruktur für den Ständer bzw. den Läufer überneh
men. Sie ist insbesondere bei niedrigen Frequenzen ein
setzbar, insbesondere dann, wenn die Eindringtiefe des
magnetischen Feldes größer ist als die Jochhöhe.
Besonders günstig ist es, wenn auch das Ständerjoch ein
massives Rohr aufweist.
Beim Ständer besteht die Möglichkeit, daß das Ständer
joch einen Doppelmantel aufweist und der Mantelzwi
schenraum mit einer Kühlmittelzu- und -abführleitung
verbunden ist. In ähnlicher Weise besteht beim Läufer
die Möglichkeit, den Innenraum des rohrförmigen Läufer
jochs mit einer Kühlmittelzu- und -abführleitung zu
verbinden, so daß man den Linearmotor mit einem flüssi
gen oder gasförmigen Kühlmittel kühlen kann. Hierdurch
wird die Kraft- und Leistungsdichte erhöht und dadurch
die Motor-Baugröße verkleinert. Bei sehr tiefen Tempe
raturen kann der elektrische Widerstand der Leiter re
duziert werden.
Des weiteren ist es von Vorteil, daß die Leiterringe
des Läufers schräg gestellt sind. Die Ebenen der Ring
scheiben sind daher gegenüber der Querschnittsebene des
Läufers geneigt. Die Schrägung der Leiterringe führt zu
einem gleichmäßigen Antriebsmoment bei der Axialbewe
gung.
Günstig ist es auch, daß die Spulen am Innenumfang
teilweise durch Leitringe aus weichmagnetischem Materi
al abgedeckt sind. Diese liegen an den Ringscheiben des
Ständerjochs an oder sind einteilig mit ihnen ausgebil
det. Hierdurch wird eine bessere Verteilung des Magnet
flusses im Luftspalt erreicht analog der Verwendung von
Nutschlitzen bei rotierenden Asynchronmotoren. Dies
führt zu einer Verbesserung des Carter-Faktors und ei
ner höheren Motorleistung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung
dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Linearmotor,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der wesentlichen
Bauteile des Linearmotors,
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform in der Darstel
lung der Fig. 3 und
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Spule.
Der Linearmotor der Fig. 1 bis 3 weist einen Ständer 1
und einen Läufer 2 auf, die zwischen sich einen zylindri
schen Luftspalt 3 bilden. Der Läufer 2 ist an beiden Enden
mit hohlen Zapfen 4 und 5 versehen, die mittels Wälzla
gern 6 und 7 in Lagerbuchsen 8 und 9 des Stators geführt
sind. Über ein Schraubgewinde 10 am Zapfen 5 kann das
anzutreibende Element, beispielsweise der Support einer
Werkzeugmaschine oder die Legeschiene einer Kettenwirk
maschine, angeschlossen werden. Der Stator 1 weist einen
Stapel aus geschichteten Ringscheiben 11 auf, zwischen
denen sich je eine ringförmige Spule 12 befindet. Dieser
Stapel ist außen durch ein Joch 13 abgedeckt, das hier
aus mehreren achsparallelen Streifen 14 bzw. 14a gebildet
ist. Zwischen den Streifen verbleiben axial verlaufende
Trennuten 15. Die Ständerjochstreifen 14 sind in den Fig.
1 und 2 durch Blechpakete gebildet, deren Bleche in Um
fangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und sich in
Axialrichtung erstrecken. Dies ergibt einen guten magne
tischen Rückschluß, ohne daß im Ständerjoch 13 Wirbelströ
me zu befürchten sind. In Fig. 3 bestehen die Streifen
aus massivem Weicheisen oder Stahl.
Die Ständerwicklung ist
als Drehstromwicklung ausgelegt. Der Ständer 1 kann fer
ner mit einem Rippenkörper 16 zur besseren Wärmeabfuhr
versehen werden, wie es in Fig. 2 angedeutet ist.
Der Läufer 2 weist ebenfalls einen Stapel auf, der aus
Ringscheiben 17, welche mit Leiterringen 18 abwechseln,
zusammengesetzt ist. Die Leiterringe 18 bestehen vorzugs
weise aus Kupfer und die Ringscheiben 17 aus Paketen ring
förmiger Bleche. Als Läuferjoch 19 dient ein massives
Rohr aus Weicheisen, an dessen Enden der hohle Zapfen
4 angeschraubt und der hohle Zapfen 5 angeschweißt ist.
Infolge der inneren Hohlräume 20, 21 und 22 ergibt sich
ein Läufer mit geringer Masse und entsprechend geringer
Trägheit.
Schematisch ist eine Kühlmittelzuleitung 23 und eine Kühl
mittelableitung 24 veranschaulicht, die eine Innenkühlung
des Läufers durch ein gasförmiges oder flüssiges Kühl
mittel erlauben.
Der Zusammenbau dieses Linearmotors ist sehr einfach.
Es brauchen lediglich die Teile des Ständers 1 axial an
einandergefügt und außen mit dem Jochstreifen 14 verse
hen zu werden. In gleicher Weise werden beim Läufer 2
die Teile axial aneinandergefügt und innen mit dem Joch
19 versehen. Dann wird der Läufer in den einseitig noch
offenen Ständer geschoben und schließlich die Lagerbuchse
8 angefügt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist ein Ständer 101
mit Ringscheiben 111 versehen, die aus geschlitzten ring
förmigen Blechen bestehen, so daß sich in Umfangsrichtung
eine Trennfuge 115 ergibt. Das Ständerjoch 113 besteht
in diesem Falle aus einem massiven Rohr 114 aus Weichei
sen oder Stahl.
Der Läufer 102 weist ebenfalls Ringscheiben 117 auf, die
durch Schlitzung eine Trennfuge 115a erhalten. Das Läu
ferjoch 119 ist wiederum als Rohr ausgebildet, besitzt
aber zwei in Axialrichtung verlaufende Trennfugen 115b
zur Unterdrückung der Wirbelströme.
Das massive Rohr 114 ist durch einen weiteren Zylinder
125 zu einem Doppelmantel ergänzt. Der Mantelzwischenraum
126 ist mit einer schematisch gezeichneten Kühlmittelzu
führleitung 123 und einer schematisch veranschaulichten
Kühlmittelabfuhrleitung 124 versehen, so daß der Ständer
101 ebenfalls durch ein gasförmiges oder flüssiges Kühl
mittel gekühlt werden kann.
Fig. 5 zeigt eine Spule 212,
die aus Flachleitern 227 gewickelt ist. Es gibt zwei
nebeneinander angeordnete Wickel 228 und 229, die an der
Innenseite durch eine Windung 230 miteinander verbunden
sind. Das ermöglicht es, beide Anschlußenden 231 und 232
an der Außenseite der Spule vorzusehen, so daß die An
schlußdrähte den Zusammenbau der Stapel nicht behindern.
Der Innenumfang 233 der Spule 212 ist teilweise durch
zwei Leitringe 234 und 235 aus weichmagnetischem Eisen
oder Stahl abgedeckt, so daß zwischen ihnen ein Spalt
236 verbleibt, dessen axiale Breite wesentlich geringer
ist als die Spulenbreite. Die Leitringe liegen nach dem
Zusammenbau des Stapels mit ihren einander abgewandten
Stirnflächen an den Ringscheiben 11 an, die zu diesem
Zweck eine radiale Erstreckung haben, die gleich der Summe
der radialen Erstreckungen von Leitring und Spule ist.
Hierdurch werden die magnetischen Verhältnisse im Luft
spalt ganz wesentlich verbessert.
Von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann in viel
facher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken
der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die
Ringscheiben 11 einstückig mit den Leitringen 234 bzw.
235 ausgebildet sein.
Claims (11)
1. Linearmotor mit zylindrischem Luftspalt und ring
förmigen Spulen (12; 112) in Nuten des Ständers (1;
101), wobei der Ständer (1; 101) Ringscheiben (11;
111), die in einer Schichtung mit den Spulen (12;
212) abwechseln, und ein außen anliegendes Ständer
joch (13; 113) und der Läufer Ringscheiben (17;
117) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Läu
fer (2) aus den Ringscheiben (17; 117), die in ei
ner Schichtung mit Leiterringen (18) abwechseln,
und einem innen anliegenden Läuferjoch (19; 119)
zusammengesetzt ist, daß die Ringscheiben des Läu
fers (2) und das Läuferjoch (19; 119) die Nuten für
die Leiterringe (18) bilden, daß das Läuferjoch
(19; 119) ein massives Rohr aufweist und daß die
Spulen (12; 212) derart gewickelt sind, daß sich
zwei nebeneinander angeordnete Wickel (228, 229)
ergeben, die innen über eine Windung (230) mitein
ander verbunden sind und außen die beiden An
schlußenden (231, 232) aufweisen.
2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Ringscheiben (11, 17; 111, 117) je
weils aus einem Stapel ringförmiger Bleche beste
hen.
3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ringscheiben (111) bzw. Bleche
ein- oder mehrfach geschlitzt sind.
4. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß das Ständerjoch (13) und/
oder das Läuferjoch (119) mindestens eine etwa in
Achsrichtung verlaufende Trennfuge (15; 115b) auf
weist.
5. Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß das Ständerjoch (13) und/oder das Läufer
joch aus über den Umfang verteilten Streifen (14)
in der Form von Blechpaketen gebildet ist, die aus
in Achsrichtung verlaufenden Blechen bestehen.
6. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß das Ständerjoch (13; 113)
und/oder das Läuferjoch (19; 119) aus massivem
weichmagnetischen Eisen oder Stahl besteht.
7. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß das Ständerjoch (113) ein
massives Rohr (114) aufweist.
8. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß das Ständerjoch (113) einen Doppelmantel
(114, 125) aufweist und der Mantelzwischenraum
(126) mit einer Kühlmittelzu- und -abführleitung
(123, 124) verbunden ist.
9. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß der Innenraum (20) des rohrförmigen Läu
ferjochs (19) mit einer Kühlmittelzu- und -abführ
leitung (23, 24) verbunden ist.
10. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Leiterringe des Läu
fers schräg gestellt sind.
11. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die Spulen (212) am In
nenumfang (233) teilweise durch Leitringe (234,
235) aus weichmagnetischem Material abgedeckt sind.
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