DE4243302C1 - Linearmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor, bei dem ein Stab aus ferromagnetischem Material als das bewegliche Teil axial ver­ schiebbar in den magnetischen Feldern eines Magneten sowie mindestens einer elektrischen Spule angeordnet ist derart, daß sich der, in Abstand von dem Stab durch ein Joch geführte, Fluß des Magneten im Bereich des Stabes in zwei gegenläufigen Richtungen auf zwei Abschnitte des Stabes verteilt und den magnetischen Fluß der Spule in Abhängigkeit von deren Strom­ flußrichtung in dem einen Abschnitt verstärkt und in dem anderen mindestens teilweise ausgleicht, und daß die Länge des Stabes derart ausgebildet ist, daß er je nach der ver­ stärkten magnetischen Flußrichtung durch Verschiebung nach der einen oder der anderen Seite einen größeren magnetischen Fluß aufnimmt und sich infolgedessen verschiebt.

Ein solcher Linearmotor ist aus der US-PS 4,785,210 bekannt mit einem einen Spalt aufweisenden Stab in einem hülsenförmi­ gen, radial gepolten Magneten und zwei beidseitig axial an den Magneten anschließenden Spulen; das Joch umschließt den Magneten und die Spulen allseitig, der Stab ragt mit seinen beiden Enden heraus. In der jeweiligen Endstellung des Stabes hat der Spalt eine Lage, daß das bei Umschalten der Strom­ richtung in den Spulen entstehende neue Magnetfeld von dem Spalt geschnitten wird und sein Fluß durch den Stab sich bei Verschiebung des Spalts nach der anderen Endstellung hin vergrößert. Da hierbei das niedri­ gere Energieniveau des Systems erreicht wird, vollzieht sich die Bewegung.

Vergleichbare Anordnungen gehen auch aus der US-PS 3,381,181 und der Zeitschrift "Elektrotechnik", 1984, Nr. 1/2, Seiten 14 bis 17 hervor.

Etwas anders ist ein aus der US-PS 4,486,728 bekannter Linear­ motor konzipiert. Er kann mit einem E-förmigen Joch eine flachere Bauweise haben.

Die Hublänge der bekannten Anordnungen der eingangs genann­ ten Art ist begrenzt durch die axiale Länge des Magneten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auch für größere Hublängen geeignete Anordnung zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird dieser Zweck bei einem Linearmotor der angegebenen Gattung dadurch erfüllt, daß der Magnet ein quer zu dem Stab ausgerichteter Stabmagnet ist, dessen einer Pol mit einem ferromagnetischen Klotz, in dem sich der Fluß auf die genannten Abschnitte verteilt und der den Stab min­ destens teilweise umschließt, verbunden ist und zu dessen anderem Pol zwei Joche zurückführen, die im wesentlichen in der Ebene des Stabmagneten zu verschiedenen Seiten des Klotzes in Abstand von diesem gleichfalls den Stab oder dessen Bewegungsraum mindestens teilweise umschließen.

Die neue Anordnung erlaubt eine Vergrößerung des Hubes bei Bei­ behaltung der Kraft ohne Vergrößerung des Stangenquerschnitts und insoweit der Trägheit der Stange.

Ein Magnet erzeugt mit seiner in Richtung von Pol zu Pol gemes­ senen Länge die magnetische Spannung und mit seinem dazu senk­ rechten Querschnitt den magnetischen Fluß; das Produkt aus bei­ dem ist die in dem Magnetfeld vorhandene Energie. Sie bedeutet in dem Linearmotor die mechanische Arbeit, die dieser bei sei­ nem Hub verrichten kann.

Wird der radial gepolte hülsenförmige Magnet gemäß Stand der Technik axial verlängert, vergrößert dies unter Beibehaltung der gleichen magnetischen Spannung den Querschnitt und damit den magnetischen Fluß. Dies verlangt, den Stabquerschnitt in gleichem Maße zu vergrößern. Der Sättigungsfluß in dem Stab darf nur etwa die Hälfte des Flusses des Magneten betragen. Denn der Stab soll die Summe des Flusses des Magneten und des magnetischen Flusses der Spule(n) aufnehmen können, die etwa gleich bemessen sind.

Nach der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Querschnitt des Magneten nicht mehr unmittelbar bestimmend für die Hublänge. Die mögliche Hublänge hängt ab von der Führung des magnetischen Flusses im Bereich des Stabes durch die Joche. Darauf wird noch näher eingegangen.

Die Konstruktion erlaubt es ferner im Gegensatz zu der bekann­ ten, die einzelnen Baugruppen so auszulegen, daß sie optimal genutzt werden. Die magnetischen Widerstände können derart be­ messen werden, daß der Arbeitspunkt des Magneten nur geringen Schwankungen unterliegt.

Der Stab kann weiterhin den oben erwähnten Spalt und die mit diesem verbundene Funktion haben. Dafür ist der Stab länger als der Abstand zwischen den Außenseiten der Umschließungen durch die beiden letzteren Joche, und der Klotz wird eine T-förmige Verzweigung darstellen, die von dem Durchmesser des Magneten aus in eine größer bemessene axiale Länge der Umschließung des Stabes übergeht. Diese axiale Länge bestimmt hier den Hub.

Es ist aber auch die in verschiedenen Beziehungen vorteilhaftere Weiterbildung der Erfindung möglich, daß an die Stelle des Spal­ tes funktionell die Enden des Stabes treten. Dafür ist der Stab vorzugsweise kürzer als der Abstand zwischen den Außenseiten der Umschließungen durch die beiden Joche, und er ist un­ geteilt.

Aus mechanischen Gründen ist es zweckmäßig, diesen Stab mit Ver­ längerungen aus unmagnetisierbarem Material zu versehen. Der Stab wird abwechselnd aus der einen und der anderen Umschließung durch die Joche herausgezogen. (Die Funktion ist unten aus­ führlich beschrieben.) Die unmagnetischen Verlängerungen füllen dann den Bewegungsraum des Stabes aus, sie verbleiben als Führung und mit ihren in der Regel an den Außenseiten der Joche heraus­ ragenden Enden als Stößel o. a. für die Kraftübertragung.

Vorzugsweise erstrecken sich dann von den Umschließungen durch die Joche aus Flußleitstücke, ggf. von wesentlich ge­ ringerer magnetischer Leitungskapazität als die Joche, auf den Klotz zu, vorzugsweise in Form den Stab bzw. seinen Bewe­ gungsraum umschließender dünnwandiger Hülsen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Führung des Magnetfeldes im Bereich des Stabes durch die Joche noch wei­ ter differenziert:

Die Umschließungen des ungeteilten Stabes durch die Joche und/oder die Flußleitstücke und/oder die Stabenden können mindestens eine das Kraft-Weg-Diagramm des Linearmotors beein­ flussende Erweiterung ihres Innenumfanges bzw. Verengung ihres Außenumfanges aufweisen.

Für den Stab mit Spalt wäre(n) die Umschließung durch den Klotz und/oder der Stab im Bereich des Spaltes in einer das Kraft- Weg-Diagramm des Linearmotors beeinflussenden Weise mindestens einmal am Innenumfang erweitert bzw. am Außenumfang verengt.

Auf solche Weise sind optimale Anpassungen an bestimmte Ein­ satzfälle möglich.

Die erforderliche elektrische Spule ist vorzugsweise in zwei­ facher Anordnung in den beiden Abständen zwischen dem Klotz und den beiden Jochen untergebracht, wo sie den Stab, ggf. ferner die Flußleitstücke, umschließt. Die beiden Spulen können dann auch als Differentialdrossel geschaltet werden zur Stellungsbestimmung des Stabes.

Es kann jedoch auch nur eine Spule vorgesehen sein und einen Kern aufweisen, von dem zu den Umschließungen durch die Joche oder zu gesonderten mindestens teilweisen Umschließungen des Stabes in den Abständen zwischen den Jochen wiederum zwei Joche führen.

Die Zeichnungen geben Ausführungsbeispiele der Erfindung wieder.

Fig. 1 zeigt einen Linearmotor, einige Teile weggelassen, in An­ sicht,

Fig. 2 zeigt den Linearmotor nach Fig. 1 in Seitenansicht gemäß Fig. 1 von links oder rechts,

Fig. 3 bis 11 zeigen die Einzelteile, aus denen der Linearmotor gemäß Fig. 1 zusammengesetzt ist, teils in Ansicht und teils im Schnitt,

Fig. 12 zeigt schematisiert den Linearmotor nach Fig. 1 mit einer Abwandlung,

Fig. 13 zeigt einen weiteren Linearmotor, schematisiert, in Ansicht,

Fig. 14 zeigt abgewandelte Einzelheiten (Flußleitstücke),

Fig. 15 zeigt das zu Fig. 12 zugehörige Kraft-Weg-Diagramm des Linearmotors,

Fig. 16 zeigt ein weiteres Flußleitstück,

Fig. 17 zeigt das zu Fig. 14 zugehörige Kraft-Weg-Diagramm des Linearmotors und

Fig. 18 bis 20 zeigen weitere Gestaltungen zur Flußleitung.

Eine in Fig. 1 nur schematisch strichpunktiert umrissene Spule 1 bildet zusammen mit ihrem Kern 2 einen Elektro-Magneten. Der Kern 2 ist außerhalb der Spule 2 fortgesetzt in der Form eines gegenüber dem Kern 2 verbreiterten Klotzes 3, der senk­ recht zu dem Kern 2 von einer zylindrischen Ausnehmung 4 durch­ zogen ist.

In der zylindrischen Ausnehmung 4 steckt eine Aluminiumhülse 5. Sie ragt an beiden Seiten mit einem zunächst gleichbleibenden Abschnitt heraus, jeweils gefolgt von einem Abschnitt 6 von ver­ kleinertem Außendurchmesser (Fig. 5).

Auf den Abschnitten 6 steckt jeweils ein, gleichfalls hülsenför­ miges, magnetisches Flußleitstück 7 (Fig. 6). Die Flußleitstücke 7 gleichen mit einem Abschnitt 8 schmalerer Wandstärke die Durchmesserverminderung der Aluminiumhülse 5 an deren Abschnit­ ten 6 genau aus. Mit einem verdickten Abschnitt 9, an dessen Ende ein Bund 10 geformt ist, sitzen sie in dazu komplementären Ausnehmungen 11 seitlicher Joche 12.

Die seitlichen Joche 12 (Fig. 8) haben im ganzen die gleiche Form wie der Kern 2 mit dem Klotz 3 (Fig. 7). Die Ausnehmung 11 befindet sich in einem Klotz 13, an den sich ein länglicher Ab­ schnitt 14, jedoch anders als der zylindrische Kern 2 von qua­ dratischem Querschnitt, anschließt.

Die beiden seitlichen Joche 12 sind zu einer starren Einheit verbunden durch eine runde Stange 15 (Fig. 11), die mit axialen Stutzen 16 durch Bohrungen 17 an den Enden der Abschnitte 14 greift und hinter diesen Gewinde 18 aufweist, auf die nicht ge­ zeichnete, die Joche 12 an die Stirnseiten der Stange 15 pres­ sende Muttern aufgeschraubt sind.

Auf der Mitte der Stange 15 sitzt mit einer entsprechenden Aus­ nehmung ein Messingklotz 19 (Fig. 10). Er weist an seiner den Teilen 1 bis 5 zugewandten Seite eine flach-zylindrische Ein­ senkung 20 auf, in der das freie Ende des Kernes 2 steckt. Da­ mit sind die Teile 2 bis 4 und zugleich der Messingklotz 19 als eine mit den seitlichen Jochen 12 parallele mechanische Einheit zwischen der Stange 15 und der Aluminiumhülse 5 gehalten.

Magnetisch ergänzt die Stange 15, gleichfalls aus ferromagneti­ schem Material, die seitlichen Joche 12 und führt sie an den dem Joch 4 gegenüberliegenden, anderen Pol des Magneten 1, 2. Der Messingklotz 19 bildet dabei einen, hier erforderlichen, Spalt als magnetischen Widerstand.

Auf der Aluminiumhülse 5 sind zwei, wiederum nur strichpunktiert umrissen dargestellte, Spulen 21 angeordnet. (Die Spulen 21 und 1 würden mit ihren in Fig. 4 und 9 ohne die Wicklungen darge­ stellten Spulenkörpern ineinanderstoßen. Fig. 1 bis 11 sind je­ doch maßstabgetreu lediglich mit der Ausnahme, daß der Kern 2 und die Abschnitte 14 der seitlichen Joche 12 etwas zu kurz ge­ zeichnet sind. Bei richtiger Darstellung passen Fig. 4 und 9 in Fig. 1.)

Das magnetische Feld der Spulen 21 überlagert sich dem Feld des Magneten 1, 2 in einer noch näher beschriebenen Weise.

In der Aluminiumhülse 5 ist ein Stab 22 aus ferromagnetischem Werkstoff längsverschieblich geführt. Die Länge des Stabes 22 ist gleich dem freien Abstand zwischen den seitlichen Jochen 12. Zwei Verlängerungen 23 des Stabes 22, die aus Aluminium beste­ hen, sind auf axial aus dem Stab 22 herausragende Gewindestifte 24 aufgeschraubt.

Der Stab 22 mit seinen Verlängerungen 23 ist das bewegliche Teil des Linearmotors. Die Kraftübertragung geschieht z. B. durch Stoßen der einen Verlängerung 23 oder beider Verlängerungen 23 auf ein zu bewegendes Vorrichtungsteil.

Die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Linearmotors sei erläutert anhand Fig. 12, in der lediglich der Elektro-Magnet 1, 2 ersetzt ist durch einen Dauermagneten 25.

Das Feld des Magneten ist durch die Pfeile 2-6 (jeweils der inne­ re Ring) erkennbar gemacht. Es teilt sich im Joch 3 und dem Stab 22 in zwei gegenläufige Abschnitte.

Das elektrische Feld der Spulen 21 ist für die eine der beiden Stromflußrichtungen, mit denen die Spulen 21 beaufschlagt werden können, durch die Pfeile 27 kenntlich gemacht. Es ist gleichläu­ fig. Den rechten Abschnitt des Feldes 26 verstärkt es, den lin­ ken hebt es auf.

Es besteht also praktisch nur das von dem Magneten 25 durch den Stab 22 und das rechte Joch 12 gehende Feld.

Der magnetische Fluß dieses Feldes erhält einen erheblichen Wi­ derstand an dem mit 28 bezeichneten Stabende. (Die Pfeile kön­ nen hier nicht als Feldlinien gesehen werden.) Um einen mög­ lichst glatten Feldlinienverlauf und den größtmöglichen magne­ tischen Fluß von dem Magneten 25 über den Klotz 3 durch den Stab 22 zu dem Flußleitstück 7 und dem Joch 12 zu ermöglichen und so das System auf das niedrigste mögliche Energieniveau zu bringen, verschiebt sich der Stab 22 nach rechts bis weitgehend in den Klotz 13 hinein. Dann ist die andere Endstellung erreicht, aus der durch Umkehr der Stromrichtung in den Spulen 21 die ge­ zeichnete Stellung wieder herbeigeführt werden kann.

Die Flußleitstücke 7 halten hinsichtlich des magnetischen Fel­ des Anschluß an das Stabende ohne andererseits die Verschiebung zu früh zu beenden.

In einem Fertigungsprogramm können durch die Auswahl von Stäben verschiedener Länge und Flußleitstücken verschiedener Länge und/oder Innenkontur Linearmotoren verschiedener Hublänge wie auch verschiedener Kraft-Weg-Verläufe hergestellt werden. Es sind verschiedenste Anpassungen möglich, besonders günstig z. B. an Notabschaltungen, zumal angesichts der erwähnten geringen Trägheit des Stabes und der geringen erforderlichen Induktivi­ tät der Spulen 21, mit der sich eine kurze Schaltzeit erzielen läßt.

Auch Anwender können Flußleitstücke austauschen, beispielsweise an Tablettiermaschinen beim Wechsel des Pulvers.

Überhaupt ist der Linearmotor für eine Herstellung im Baukasten­ system äußerst geeignet, was die Einzeldarstellungen der Fig. 3 bis 11 verdeutlichen. Jedes Bauteil ist im wesentlichen nur einer Aufgabe zugeordnet, so daß bei seinem Austausch andere Bauteile weitgehend gleich bleiben können. Der Linearmotor ist außergewöhnlich leicht.

Der Linearmotor nach Fig. 13 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 und 12 vor allem dadurch, daß die beiden Spulen 21 ersetzt sind durch eine einzige Spule 29 mit einem Kern 30, von dem Joche 31 an die Enden der Joche 12 herangeführt sind.

Die Magnetfelder des primären Magneten (Elektromagnet oder Dau­ ermagnet) und des durch die Spule 29 mit dem Kern 30 gebildeten Elektromagneten überlagern sich hier nur in dem Stab 22 und sei­ ner Umgebung und verlaufen im übrigen durch die Joche 12 einer­ seits und die Joche 31 andererseits.

Die Funktion ist im Prinzip die gleiche wie beschrieben.

Fig. 14 zeigt Flußleitstücke 32, mit denen der Linearmotor bei­ spielsweise zu einer Schwingungserzeugung besonders geeignet ist.

Ausgehend von einer normalen Umschließung des Stabendes am An­ fang erweitert sich die Hülse des Flußleitstückes dann bei 33, so daß die Zugkraft auf den Stab 22 erst einmal wieder abnimmt, um schließlich beim Erreichen des, nicht gezeichneten, Joches 12 wieder anzusteigen. Fig. 15 zeigt diesen Kraftverlauf. Er entspricht dem Bedürfnis bei der Schwingungserzeugung, an den Enden der Amplitude anzutreiben.

Das Flußleitstück 34 in Fig. 16 verwirklicht nach dem gleichen Prinzip eine andere Möglichkeit.

In Fig. 18 ist die Umkehrung dargestellt, nämlich durch Veren­ gung, siehe 35, des Stabes.

Fig. 19 zeigt eine konkave Stirnseite 36 eines Stabes. Sie verhin­ dert Streufelder und schafft eine schärfer definierte Kante.

In Fig. 20 ist ein seitliches Joch 37 dargestellt, in dem das Ende der Stange in einer Aluminiumhülse 38 geführt ist und hin­ ter dieser in einen sie eng umfassenden Sitz 39 des Joches un­ mittelbar stößt, wo sie dann mit ihrer Stirnseite anliegt. In dieser Endstellung wird eine magnetische Haltekraft ausgeübt.

Die Flußleitstücke können auch eine Kontur erhalten, mit der bei gleicher Stromzufuhr die erzeugte Kraft für alle Stellungen des Stabes konstant wird. Bei veränderbarem Strom ist damit unabhängig von der Stellung des Stabes die ausgeübte Kraft be­ kannt. Dies erlaubt einfache Regelungen.

Claims (11)

1. Linearmotor, bei dem ein Stab (22) aus ferromagnetischem Material als das bewegliche Teil axial verschiebbar in den magnetischen Feldern eines Magneten (1, 2; 25) sowie minde­ stens einer elektrischen Spule (21; 29) angeordnet ist der­ art, daß sich der, in Abstand von dem Stab (22) durch ein Joch (12) geführte, Fluß (26) des Magneten (1, 2; 29) im Be­ reich des Stabes (22) in zwei gegenläufigen Richtungen auf zwei Abschnitte des Stabes verteilt und den magnetischen Fluß (27) der Spule (21) in Abhängigkeit von deren Stromflußrichtung in dem einen Abschnitt verstärkt und in dem anderen mindestens teilweise ausgleicht, und daß die Länge des Stabes (22) derart ausgebildet ist, daß er je nach der verstärkten magnetischen Flußrichtung durch Verschiebung nach der einen oder der anderen Seite einen größeren magne­ tischen Fluß aufnimmt und sich infolgedessen verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (1, 2; 29) ein quer zu dem Stab (22) ausge­ richteter Stabmagnet (1, 2; 29) ist, dessen einer Pol mit einem ferromagnetischen Klotz (3), in dem sich der Fluß (26) auf die genannten Ab­ schnitte verteilt und der den Stab (22) mindestens teilweise umschließt, verbunden ist und zu dessen anderem Pol zwei Joche (12) zurückführen, die im wesentlichen in der Ebene des Stabmagneten (1, 2; 29) zu verschiedenen Seiten des Klotzes (3) in Abstand von diesem gleichfalls den Stab (22) oder dessen Bewegungs­ raum mindestens teilweise umschließen.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stab (22) länger ist als der Abstand zwischen den Außen­ seiten der Umschließungen durch die beiden Joche (12) und etwa in seiner Mitte einen Spalt aufweist und daß der Klotz (3) eine T-förmige Verzweigung dar­ stellt, die von dem Durchmesser des Magneten (1, 2) aus in eine größer bemessene axiale Länge der Umschließung des Stabes (22) übergeht.

3. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (22) kürzer ist als der Abstand zwischen den Außenseiten der Umschließungen (13) durch die beiden Joche (12) und ungeteilt ist.

4. Linearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (22) mit Verlängerungen (23) aus unmagnetisier­ barem Material versehen ist.

5. Linearmotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich von den Umschließungen (13) durch die letzteren Joche (12) aus Flußleitstücke (7) auf den Klotz (3) zu erstrecken.

6. Linearmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitstücke (7) als den Stab (22) oder dessen Bewegungsraum umschließen­ der Hülsen von derart beschränktem Querschnitt ausgebildet sind, daß sie beim Eindringen des Stabes fortschreitend in Sättigung ge­ hen.

7. Linearmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschließungen durch die Joche (12) und/oder die Flußleitstücke (32; 34) eine das Kraft-Weg-Diagramm des Linearmotors beeinflussende Erweiterung (33) ihres Innenumfanges aufweisen.

8. Linearmotor nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabenden eine das Kraft-Weg-Diagramm des Linearmotors beeinflussende Verengung ihres Außenumfanges aufweisen.

9. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei genannte Spulen (21) in den beiden Abständen zwi­ schen dem Klotz (3) und den beiden Jochen (12) den Stab (22), ggf. ferner die Flußleitstücke (7), um­ schließen.

10. Linearmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen als Differentialdrossel geschaltet sind zur Stellungsbestimmung des Stabes.

11. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine genannte Spule (29) vorgesehen ist und einen Kern (30) aufweist, von dem zu den Umschließungen (30) durch die Joche (12) oder zu gesonderten minde­ stens teilweisen Umschließungen des Stabes in den Abstän­ den zwischen den Jochen (12) wiederum zwei Joche (31) führen.