EP1329015A1 - Linearmotor - Google Patents

Linearmotor

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Publication number
EP1329015A1
EP1329015A1 EP01972094A EP01972094A EP1329015A1 EP 1329015 A1 EP1329015 A1 EP 1329015A1 EP 01972094 A EP01972094 A EP 01972094A EP 01972094 A EP01972094 A EP 01972094A EP 1329015 A1 EP1329015 A1 EP 1329015A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
linear motor
permanent magnets
rotation
axis
motor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01972094A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Lunz
Frank Dürschmied
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHO Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
INA Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INA Schaeffler KG filed Critical INA Schaeffler KG
Publication of EP1329015A1 publication Critical patent/EP1329015A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom

Definitions

  • the present invention relates to linear motors, which can be designed, for example, as synchronous or asynchronous motors. Such linear motors are increasingly used in machine tool construction.
  • a secondary part is composed of several identical secondary parts and is fastened in a machine bed between two guide rails. On this a bridge-like machine slide is guided, which carries the primary part on its underside facing the secondary part of the linear motor.
  • the primary part comprises a block in which electrical coils and lines are accommodated. All existing secondary parts are constructed identically to one another with regard to the magnetic pole arrangement and each have four permanent magnets. Progressively in the longitudinal direction of the secondary part, a north pole follows a south pole and vice versa.
  • the step size of the polar grid i.e. the distance between two poles of the same name is equal to half the length of a secondary component.
  • a linear motor which has a secondary part which has a plurality of permanent magnets arranged one behind the other with alternating orientation of the polarity or excitation windings, which permanent magnets or excitation windings are helically wound around an axis of rotation, and which is provided with a primary part, the current-carrying part of which Winding is arranged parallel to the permanent magnets or excitation windings and around the axis of rotation such that a magnetic traveling field moves helically around the axis of rotation
  • the force of the traveling field acts along the helix. It can be divided into components that act in the axial direction and in the circumferential direction.
  • the component that acts in the axial direction causes the peripheral part to be axially supported on the secondary part.
  • the component that works in the circumferential direction causes a relative rotation between the secondary part and the front part around the axis of rotation.
  • the slope of the wound permanent magnets or excitation windings, i.e. their arrangement around the axis of rotation, can influence, for example, the speed at which the front part and secondary parts move in the axial direction
  • the gradient can be used to influence the torque which is effective in the circumferential direction and which is effective between the primary part and the secondary part.
  • a small gradient means a high torque, and thus significantly increased, axially transmissible forces
  • the present invention combines the advantageous properties of known linear motors with the advantageous properties of ball screws known per se.
  • the primary part moves, which is then called the runner.
  • the secondary part is fixed to the frame and then referred to as the stand.
  • the primary part can be stands and the secondary part can be a rotor.
  • a stator can comprise a threaded spindle and the rotor can comprise a spindle nut, or the rotor can comprise a threaded spindle and the stator can comprise a spindle nut.
  • the winding of the primary part is preferably formed from a plurality of partial windings arranged one behind the other.
  • the division of the permanent magnets or the excitation windings of the secondary part is preferably equal to the division of the partial windings of the primary part.
  • the permanent magnets can be provided along a plurality of turns around the axis of rotation, permanent magnets of the same polarity being arranged in succession parallel to the axis of rotation.
  • the spindle nut is preferably rotatably mounted on the threaded spindle via a radial bearing, in particular roller or slide bearing. This ensures proper positioning of the spindle nut on the threaded spindle.
  • Figure 1 shows a linear motor according to the invention in a schematic representation
  • the linear motor according to the invention has a threaded spindle 1 and a spindle nut 2 rotatably arranged thereon.
  • the threaded spindle 1 and the spindle nut 2 have the same pitch.
  • the spindle nut 2 which is clearly shown in FIG. 2, has a large number of coils 3 arranged one behind the other on its inner circumference, poles of the same name facing each other of adjacent coils 3.
  • the coils 3 arranged one behind the other form a thread.
  • the threaded spindle 1 has on its outer circumference a plurality of permanent magnets 4 arranged one behind the other, which form a thread on the threaded spindle 1. Poles of the same name of adjacent permanent magnets 4 face away from each other.
  • the coils 3 of the spindle nut 2 engage between turns of permanent magnets 4 of the threaded spindle 1.
  • a radial bearing is provided between the spindle nut 2 and the threaded spindle 1 in order to properly support the spindle nut 2 on the threaded spindle 1 in the radial directions. This ensures perfect centering, which enables the linear motor to function properly.
  • the spindle nut 2 is a stationary primary part, i.e. a stand and the threaded spindle 1 forms a rotating secondary part, i.e. rotor.
  • the coils 3 through which flow flows generate a traveling field which acts along the given slope around the axis of rotation.
  • the force of the traveling field can be divided into components that act in the axial and circumferential directions.
  • the axial component causes the primary part to be axially supported on the secondary part without contact.
  • the component acting in the circumferential direction causes the primary part to rotate around the axis of rotation with respect to the secondary part.
  • the torque effective between the primary part and the secondary part at a given magnetic field strength is determined directly via the pitch of the winding permanent magnets 4.
  • Linear motors according to the invention can be used in machine tools, but also in conveyor technology. Linear motors which rotate very quickly are particularly favorable, so that high traversing speeds can be achieved even on a slight slope.
  • Linear motors according to the invention are supported in the axial directions without contact - that is to say without wear - due to the acting magnetic fields and form a gear. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Ein Linearmotor ist mit einem Sekundärteil (1) versehen, das mehrere hintereinander angeordnete Permanentmagnete (4) mit wechselnder Orientierung der Polarität oder Erregerwicklungen versehen. Diese Permanentmagnete (4) oder Erregerwicklungen sind schraubenförmig um die Drehachse herum gewunden. Weiterhin ist ein Primärteil (2) vorgesehen, dessen stromdurchflossene Wicklung (3) parallel zu den Permanentmagneten (4) oder Erregerwicklungen und um die Drehachse herum derart angeordnet ist, daß ein magnetisches Wanderfeld schraubenförmig um die Drehachse herum wandert.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Linearmotor
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Linearmotoren, die beispielsweise als Synchron- oder Asychron-Motore ausgeführt sein können. Derartige Linearmotore finden zunehmend Anwendung im Werkzeugmaschinenbau.
Aus DE 195 47 686 A1 beispielsweise ist ein elektrischer Synchron- Linearmotor bekanntgeworden. Ein Sekundärteil setzt sich aus mehreren zueinander identischen Sekundäreinzelteilen zusammen, und ist in einem Maschinenbett zwischen zwei Führungsschienen befestigt. Auf diesen ist ein brückenartiger Maschinenschlitten geführt, der an seiner dem Sekundärteil des Linearmotors zugewandten Unterseite das Primärteil trägt. Das Primärteil umfaßt einen Block, in dem elektrische Spulen und Leitungen untergebracht sind. Alle vorhandenen Sekundäreinzelteile sind bezüglich der Magnetpolanordnung identisch zueinander aufgebaut und weisen jeweils vier Permanentmagnete auf. In Längsrichtung des Sekundärteils fortschreitend folgt jeweils ein Nordpol einem Südpol und umgekehrt. Die Schrittweite des Polrasters, d.h. der Abstand zwischen zwei gleichnamigen Polen, ist gleich der halben Länge eines Sekundäreinzelteiles.
Derartige Linearmotoren können Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/min erreichen. Allerdings sind die in Verfahrrichtung übertragbaren Kräfte beschränkt. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Linearmotor anzugeben, der diesen Nachteil vermeidet
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch einen Linearmotor gelost, der ein Sekundarteil aufweist, das mehrere hintereinander angeordnete Permanentmagnete mit wechselnder Orientierung der Polarität oder Erregerwicklungen aufweist, welche Permanentmagnete oder Erregerwicklungen schraubenförmig um eine Drehachse herum gewunden sind, und der mit einem Pπmarteil versehen ist, dessen stromdurchflossene Wicklung parallel zu den Permanentmagneten oder Erregerwicklungen und um die Drehachse herum derart angeordnet ist, daß ein magnetisches Wanderfeld schraubenförmig um die Drehachse herum wandert
Die Kraft des Wanderfeldes wirkt entlang der Schraubenlinie Sie laßt sich in Komponenten aufteilen, die in Axialrichtung und in Umfangsπchtung wirken Die in Axialrichtung wirksame Komponente bewirkt, daß das Pπmarteil axial an dem Sekundarteil beruhrungslos abgestutzt ist Die in Umfangsrichtung wirksame Komponente bewirkt, daß sich eine Relativdrehung zwischen dem Sekundarteil und dem Pπmarteil um die Drehachse herum einstellt Über die Steigung der gewundenen Permanentmagnete bzw Erregerwicklungen, also deren Anordnung um die Drehachse herum, kann beispielsweise Einfluß genommen werden auf die Geschwindigkeit, mit der sich Pπmarteile und Sekundarteile zueinander in Axialrichtung bewegen
Ferner kann über die Steigung auf das in Umfangsrichtung wirksame Drehmoment Einfluß genommen werden, das zwischen Pπmarteil und Sekundarteil wirksam ist Eine geringe Steigung bedeutet ein hohes Drehmoment, und somit deutlich erhöhte, axial übertragbare Kräfte Mit der vorliegenden Erfindung werden die vorteilhaften Eigenschaften von bekannten Linearmotore mit den vorteilhaften Eigenschaften von an sich bekannten Kugelgewindetrieben kombiniert.
In den meisten Anwendungen bewegt sich das Primärteil, das dann als Läufer bezeichnet wird. In diesem Fall ist das Sekundärteil gestellfest, und dann als Ständer bezeichnet. Das Primärteil kann alternativ Ständern und das Sekundärteil Läufer sein.
Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann ein Ständer eine Gewindespindel und der Läufer eine Spindelmutter umfassen bzw. der Läufer eine Gewindespindel und der Ständer eine Spindelmutter.
Vorzugsweise ist die Wicklung des Primärteils aus einer Vielzahl hintereinan- der angeordneter Teilwicklungen gebildet. Die Teilung der Permanentmagnete oder der Erregerwicklungen des Sekundärteils ist vorzugsweise gleich einer Teilung der Teilwicklungen des Primärteils.
Die Permanentmagnete können entlang mehrerer Windungen um die Drehach- se herum vorgesehen sein, wobei Permanentmagnete gleicher Polarität parallel zur Drehachse fluchtend hintereinander angeordnet sind.
Die Spindelmutter ist vorzugsweise über ein Radiallager-, insbesondere Wälzoder Gleitlager auf der Gewindespindel drehbar gelagert. Auf diese Weise ist eine einwandfreie Positionierung der Spindelmutter auf der Gewindespindel gewährleistet.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in zwei Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 Einen erfindungsgemäßen Linearmotor in schematischer Darstellung
Figur 2 Die Spindelmutter des erfindungsgemäßen Linearmotors aus Fi- gur 1
Der erfindungsgemäße Linearmotor weist eine Gewindespindel 1 und eine darauf drehbar angeordnete Spindelmutter 2 auf. Die Gewindespindel 1 und die Spindelmutter 2 haben eine gleiche Steigung.
Die in Figur 2 deutlich abgebildete Spindelmutter 2 weist an ihrem Innenumfang eine Vielzahl hintereinander angeordneter Spulen 3 auf, wobei gleichnamige Pole aneinander benachbarter Spulen 3 voneinander abgewandt sind. Im vorliegenden Beispiel bilden die hintereinander angeordneten Spulen 3 einen Gewindegang.
Die Gewindespindel 1 weist an ihrem Außenumfang eine Vielzahl hintereinander angeordneter Permanentmagnete 4 auf, die einen Gewindegang an der Gewindespindel 1 bilden. Gleichnamige Pole aneinander benachbarter Perma- nentmagnete 4 sind voneinander abgewandt. Die Spulen 3 der Spindelmutter 2 greifen zwischen Windungen von Permanentmagneten 4 der Gewindespindel 1.
Es ist vorteilhaft, jedoch nicht dargestellt, daß zwischen der Spindelmutter 2 und der Gewindespindel 1 ein Radiallager vorgesehen wird, um die Spindelmutter 2 auf der Gewindespindel 1 in den radialen Richtungen einwandfrei zu lagern. Damit ist eine einwandfreie Zentrierung gewährleistet, die eine einwandfreie Funktion des Linearmotors ermöglicht.
Nachstehend wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Linearmotors näher beschrieben. Zu diesem Zweck sei angenommen, daß die Spindelmutter 2 ein stillstehendes Primärteil, also einen Ständer und die Gewindespindel 1 ein rotierendes Sekundärteil, also Läufer, bildet.
Die stro durchflossenen Spulen 3 erzeugen ein Wanderfeld, das entlang der gegebenen Steigung um die Drehachse herum wirkt. Die Kraft des Wanderfel- des läßt sich in Komponenten aufteilen, die in Axial- und in Umfangsrichtung wirken. Die axiale Komponente bewirkt, daß das Primärteil axial an dem Sekundärteil berührungslos abgestützt ist. Die in Umfangsrichtung wirksame Komponente bewirkt, daß sich das Primärteil gegenüber dem Sekundärteil um die Drehachse herum dreht. Über die Steigung der gewundenen Permanent- magnete 4 wird direkt das zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil wirksame Drehmoment bei gegebener Magnetfeldstärke bestimmt.
Bei konstanter Drehgeschwindigkeit zwischen Gewindespindel 1 und Spindelmutter 2 und großer Steigung, ergeben sich schnellere axiale Verfahrge- schwindigkeiten zwischen Gewindespindel 1 und Spindelmutter 2, wohingegen bei kleiner Steigung eine langsamere Verfahrgeschwindigkeit zwischen Spindelmutter 2 und Gewindespindel 1 zu erreichen ist. Allerdings ist die axial übertragbare Kraft zwischen Gewindespindel 1 und Spindelmutter 2 dann wegen des erhöhten Drehmoments vergrößert.
Erfindungsgemäße Linearmotoren können in Werkzeugmaschinen, aber auch in der Fördertechnik zum Einsatz kommen. Besonders günstig sind sehr schnell drehende Linearmotoren, so daß auch bei einer geringen Steigung hohe Verfahrgeschwindigkeiten erzielt werden können.
Erfindungsgemäße Linearmotoren sind in den axialen Richtungen berührungslos - also verschleißfrei - aufgrund der wirkenden Magnetfelder abgestützt und bilden ein Getriebe. Bezugszeichenliste
Gewindespindel
Spindelmutter
Spule
Permanentmagnet

Claims

Patentansprüche
1. Linearmotor, mit einem Sekundärteil, das mehrere hintereinander angeord- nete Permanentmagnete (4) mit wechselnder Orientierung der Polarität oder
Erregerwicklungen aufweist, welche Permanentmagnete (4) oder Erregerwicklungen schraubenförmig um eine Drehachse herum gewunden sind, und mit einem Primärteil (2), dessen stromdurchflossene Wicklung (3) parallel zu den Permanentmagneten (4) oder Erregerwicklungen und um die Drehachse herum derart angeordnet sind, daß ein magnetisches Wanderfeld schraubenförmig um die Drehachse herum wandert.
2. Linearmotor nach Anspruch 1 , bei dem ein Ständer eine Gewindespindel (1 ) und der Läufer eine Spindelmutter (2) umfaßt.
3. Linearmotor nach Anspruch 1 , bei dem ein Läufer eine Gewindespindel (1 ) und der Ständer eine Spindelmutter (2) umfaßt.
4. Linearmotor nach Anspruch 1 , bei der die Wicklung des Primärteils (2) aus einer Vielzahl hintereinander angeordneter Teilwicklungen (3) gebildet ist.
5. Linearmotor nach Anspruch 4, bei der eine Teilung der Permanentmagnete (4) oder der Erregerwicklungen des Sekundärteils (2) gleich ist einer Teilung der Teilwicklungen (3) des Primärteils.
6. Linearmotor nach Anspruch 1 , bei der entlang mehrerer Windungen um die Drehachse herum die Permanentmagnete (4) vorgesehen sind, wobei Permanentmagnete (4) gleicher Orientierung der Polarität parallel zur Drehachse fluchtend hintereinander angeordnet sind.
7. Linearmotor nach den Ansprüchen 2 oder 3, bei dem die Spindelmutter (2) über ein Radiallager, insbesondere Wälz- oder Gleitlager, auf der Gewindespindel (1 ) drehbar gelagert ist.
EP01972094A 2000-10-27 2001-10-05 Linearmotor Withdrawn EP1329015A1 (de)

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