DE102005004380B4

DE102005004380B4 - Linearmotor mit Kraftwelligkeitsausgleich

Info

Publication number: DE102005004380B4
Application number: DE200510004380
Authority: DE
Inventors: Dr. Jajtic Zeljko; Christian Volmert
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: DE102005004380A1; WO2006082134A1

Abstract

Linearmotor mit folgenden Merkmalen: – mindestens einem Primärteil (13) und mindestens einem Sekundärteil (5), – das mindestens eine Sekundärteil (5) weist eine Folge von Erregerpolen mit der Polteilung τM auf, – die Länge des mindestens einen Sekundärteils (5) in Bewegungsrichtung des Linearmotors ist größer als die Länge des mindestens einen Primärteils (13), – das mindestens eine Primärteil (13) weist Primärteil-Nuten (16) auf, mit der Nutteilung τN, die zur Aufnahme von ein- oder mehrphasigen Wicklungen vorgesehen sind, – das mindestens eine Primärteil (13) ist aus einem Blechpaket (1) gebildet, und weist an seinen jeweiligen Stirnseiten Mittel zur Reduktion der Kraftwelligkeit auf, wobei ein Kraftwelligkeitsausgleichs(KWA)-Zahn (2) mit einer Breite bKWA durch einen Luftspalt δKWA zusätzlich vom normalen Luftspalt δL beabstandet ist und zu den benachbarten bewickelten Zähnen (17, 18) des Blechpakets (1) einen Abstand τKWA aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (1) des mindestens einen...

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit mindestens einem Primärteil und mindestens einem Sekundärteil, wobei das Sekundärteil eine Folge von durch Permanentmagneten gebildeten Pole aufweist.
Elektrische Maschinen insbesondere Synchronmotoren, die als Stellmotoren eingesetzt werden, sollen eine möglichst gleichmäßige und störungsfreie Drehmomententfaltung aufweisen. Bei rotatorischen Synchronmotoren kommt als Ursache für periodische Kraftschwankungen auch Kraftwelligkeit genannt, im wesentlichen die Nuten des Stators in Betracht. Zur Kompensation dieser Kraftwelligkeit, sowie alle anderen durch die Nutung hervorgerufenen Auswirkungen auf das Drehmoment an der Antriebswelle werden üblicherweise die Rotor und/oder Statorpole über die axiale Länge einer Nut geschrägt.
Bei Linearmotoren ist es z. B. aus der US 4 908 533 A bekannt, zur Verminderung der Kraftwelligkeit die Pole über die Weite einer Nut des bewickelten Primärteils zu schrägen. Da die Kanten der Stirnflächen des Primärteils bei Draufsicht parallel zu dessen Nuten verlaufen, ergibt sich bei der bekannten Nutschrägung eine Anschrägung an den vorderen und hinteren Stirnkanten dieser Pole.
Aus der EP 0 334 645 A1 ist bekannt, die Kraftwelligkeit zu vermindern, in dem der Kern des Primärteils eines Synchronlinearmotors als ferromagnetische Platte ausgebildet ist und im Luftspalt des Linearmotors Spulen so angeordnet sind, dass die Stirnbereiche der Platte über die Luftspaltspulen hinausragen und im Bereich der Mittellängslinie des Linearmotors eine Stufe bilden.
Des Weiteren ist aus der US 4 912 746 A ein Linearmotor bekannt, dessen Zähne im Bereich der Stirnseiten verschiedenartig ausgeprägt sein können, um die Kraftwelligkeit zu reduzieren.
Aus der JP 09074733 A ein Linearmotor bekannt, dessen Primärteil einen zu den Stirnseiten seines Blechpakets hin über mehrere Nuten wachsenden Luftspalt aufweist.
Aus der DE 198 29 052 C1 ist ein Synchronlinearmotor bekannt, bei dem durch Ansätze mit veränderlichem Luftspalt an die Stirnseiten des Blechpakets die Kraftwelligkeit reduziert wird.
Ein Linearmotor mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der JP 2003/199319 A bekannt.
Aus der EP 1 283 586 A1 ist ein Linearmotor mit einem gegenüber dem Primärteil längeren Sekundärteil bekannt, bei dem an den jeweiligen Stirnseiten jeweils ein Kraftwelligkeitsausgleichszahn ausgebildet ist, der über einen größeren Abstand vom Sekundärteil beabstandet ist als die übrigen Zähne des Primärteils.
Aus der JP 2002/209371 A ist eine Beeinflussung der Kraftwelligkeit bei einem Linearmotor durch Verrundung der bewickelten Zähne bekannt.
Aus der WO 2004/112224 A1 ist die Reduktion von Rastkräften bei einem Linearmotor durch keilförmig ausgebildete Endzähne bekannt.
Aus der DE 32 46 064 A1 ist bekannt, zur Unterdrückung von störenden Reluktanzkräften bei Linearmotoren die äußeren Teile der Polschuhe der stirnseitigen Endpole zu verlängern.
Aus der JP 63 077370 A ist es bekannt, auf den Endzahn eines Primärteils eines Linearmotors eine Hilfsspule anzubringen, um die Funktion eines Lagedetektors zu verwirklichen.
Nachteilig ist dabei der Konstruktions- und Montageaufwand bei teilweise unzureichender Reduktion der Kraftwelligkeit. Damit treten weiterhin Vibrationen und ein unruhiger Lauf der elektrischen Maschine auf.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Reduktion der Kraftwelligkeit bei einem Synchronlinearmotor bei reduziertem Konstruktions- und Montageaufwand zu verbessern.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Linearmotor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.
Der KWA-Zahn wird somit vorzugsweise im Raster der Magnetteilung τ_M des Sekundärteils zu dem letzten wicklungstragenden Zahn positioniert. Damit kann, in Verbindung mit einer geeigneten Auslegung von b_KWA und δ_KMA der magnetische Nutzfluss gezielt verstärkt werden. Dadurch wird die induzierte Spannung in den wicklungstragenden Endzähnen des Primärteils angehoben und gleichzeitig die entstehenden Rastkräfte des Synchronlinearmotors erheblich reduziert.
Erfindungsgemäß führt dies bei Linearmotoren zu einer vergleichsweise geringeren Kraftwelligkeit und damit zu einer höheren Positioniergenauigkeit. Aufgrund der höheren Regelgüte des Synchronlinearantriebs wird damit eine größere Dynamik des Linearmotors erreicht.
Der KWA-Zahn oder auch Hilfszahn im Endbereich des Blechpakets des Primärteils ist derart positioniert, dass seine Mittelachse vorzugsweise um eine Magnetteilung τ_M Abstand zur Mittelachse des letzten bewickelten Zahnes aufweist. Dadurch wird der Nutzfluss des letzten bewickelten Zahnes verstärkt und eine ausgeglichene Kraftbildung erreicht.
Für eine bauraumoptimierte Ausführung des erfindungsgemäßen Linarmotors wird τ_KWA kleiner τ_M und eine minimale Breite des KWA-Zahns angestrebt. Um den benachbarten Wicklungsspulen den notwendigen Nutzfluss zuzuführen, muss der Luftspalt δ_KWA des KWA-Zahns verringert werden, aber auf jeden Fall größer als Null sein.
Durch die geometrische Ausgestaltung des Zahnes und dem Abstand zum Sekundärteil durch den zusätzlichen Luftspalt δ_KWA wird der Einfluss auf die induzierte Spannung und die Rastkraft direkt genommen. Somit kann die aktive und passive Kraftwelligkeit nahezu vollständig eliminiert werden. Dies gelingt in den weiteren Ausführungsformen auch wenn die Wicklungen als Zahnspulen ausgebildet sind, die jeweils nur einen Zahn des Blechpaketes umfassen.
Das Primärteil eines Linearmotors kann aus mehreren in Bewegungsrichtung hintereinander angeordneten Blechpaketen bestehen. Demnach haben die mittig angeordneten Blechpakete keinen KWA-Zahn sondern es sind erfindungsgemäß lediglich KWA-Zähne an den jeweiligen Enden, also den Stirnseiten des Primärteils vorzusehen.
Bei Primärteilen mit nur einem Blechpaket, also einteilige Primärteile sind an jedem Ende KWA-Zähne vorzusehen.
Dies würde aber für die Lagerhaltung von den jeweiligen Primärteilen bedeuten, dass Bleche ohne KWA-Zahn, mit beidseitigem KWA-Zahn und Bleche mit links- bzw. rechtseitig vorhandenen KWA-Zahn vorzusehen sind. Deshalb werden nun erfindungsgemäß lediglich zwei unterschiedlich gestaltete Bleche eines Primärteils vorgesehen. Nämlich Bleche ohne KWA-Zahn und Bleche mit links oder rechtsseitigem KWA-Zahn.
Die einteiligen Primärteile sind nunmehr so aufgebaut, dass z. B. nur jedes zweite Blech einen KWA-Zahn an der rechten Seite und jedes zweite Blech dazu versetzt auf der linken Seite aufweist. D. h. jedes Blech weist nur einen KWA-Zahn auf, der einmal nach links oder nach rechts ausgerichtet ist. Die Kraftwelligkeit ist damit gegenüber den bisher bekannten Möglichkeiten zur Kraftwelligkeitsreduktion ausreichend reduziert.
Bei Primärteilen mit mehreren Blechpaketen sind jeweils Bleche ohne KWA-Zahn und Blech mit KWA-Zahn an den Stirnseiten vorzusehen. Durch Drehen eines Bleches mit Rechtsseitigem KWA-Zahn wird ein Blech mit linksseitigem KWA-Zahn, sodass an den Stirnseiten dieser Primärteile lückenlose KWA-Zähne vorhanden sind.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:
1 einen Linearmotor mit KWA-Zähnen,
2, 3 Ausschnitte eines Primärteils,
4 eine Befestigungsweise des KWA-Zahns,
5 eine weitere Ausführungsform eines KWA-Zahnes.
1 zeigt eine Seitenansicht eines prinzipiell dargestellten Synchronlinearmotors, der ein oder mehrere Blechpakete 1 aufweist, deren jeweiligen Bleche parallel zur Zeichenebene geschichtet sind und die ein Primärteil 13 bilden. Die Bewegungsrichtung des Synchronlinearmotors ist durch Pfeile angedeutet. Das Primärteil 13 weist außerdem ein Wicklungssystem auf, das im vorliegenden Fall aus Zahnspulen 14 gebildet ist, d. h. es umschließt eine Zahnspule 14 jeweils einen Zahn 15, derart, dass sich in einer Nut 16 zwei Hälften unterschiedlicher Zahnspulen 14 befinden. Vorzugsweise sind diese Hälften im Primärteil 13 nahezu identisch ausgeführt, was z. B. die Windungszahl der Zahnspule 14 und den Kupferfüllfaktor anbelangt.
Natürlich kann auch in einer anderen Ausführungsform jeder zweite Zahn 15 mit einer dementsprechend dimensionierten Zahnspule 14 bestückt sein, sodass sich gleich Kupferfüllfaktoren ergeben.
Die Stirnseiten des Primärteils 13 weisen jeweils einen KWA-Zahn 2 auf, der einen Abstand δ_KWA zum eigentlichen Luftspalt δ_L des Linearmotors zwischen Primärteil 13 und Sekundärteil 5 aufweist. Das Primärteil 13 ist über einem Sekundärteil 5 angeordnet, das auf einem nicht näher dargestellten Maschinenbett 3 positioniert ist. Es weist unter anderem Permanentmagnete 4 mit einer Polteilung τ_M auf. Die Polteilung τ_M kann sich aber auch durch elektrische Erregung einer im Sekundärteil 5 angeordneten Erregerwicklung ausbilden.
Das Primärteil 13 des Linearmotors, kann aus mehreren einzeln zusammengesetzten Blechpaketen 1 aufgebaut sein, wobei an den Stirnseiten des Primärteils 13 in Bewegungsrichtung die KWA-Zähne 2 vorzusehen sind, um u. a. eine höhere Positioniergenauigkeit des Linearmotors zu erreichen.
Demnach haben die mittig angeordneten Blechpakete 1 keinen KWA-Zahn 2 sondern es sind erfindungsgemäß lediglich KWA-Zähne 2 an den jeweiligen Enden, also den Stirnseiten des Primärteils 13 vorzusehen.
Bei Frimärteilen 13 mit nur einem Blechpaket 1, also einteiligen Primärteilen 13 sind an jedem Ende also an den Stirnseiten KWA-Zähne 2 vorzusehen. Die einteiligen Primärteile 13 sind nunmehr so aufgebaut, dass z. B. nur jedes zweite Blech einen KWA-Zahn 2 an der rechten Seite und jedes zweite Blech dazu versetzt auf der linken Seite einen KWA-Zahn 2 aufweist. D. h. jedes Blech für sich weist nur einen KWA-Zahn 2 auf, der einmal nach links oder nach rechts ausgerichtet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Primärteils 13 eines Linearmotors wird die durch die magnetische Wechselwirkung zwischen den Erregerpolen und dem Primärteil 13 hervorgerufenen Rastkräfte, die auch als Cogging Force bezeichnet werden erheblich reduziert.
Es reduziert sich außerdem die stromabhängige Kraftwelligkeit, die auch als Pulsating Force bezeichnet wird, indem nunmehr der Linearmotor eine symmetrisch induzierte Spannung aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die an den Stirnseiten befindlichen Zahnspulen 14 nunmehr über die KWA-Zähne 2 einen magnetischen Rückschluss aufweisen.
2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Primärteile 13, insbesondere der Ausprägungen ihrer Enden in Bewegungsrichtung. 3 ist gegenüber der Ausführungsform bauraumoptimiert, da nahezu kein ungenutzter Raum zwischen der letzten Zahnspule 14 und dem KWA-Zahn vorhanden ist.
Im Detail ist damit δ_KWA,2 kleiner als δ_KWA,1; b_KWA,2 ist kleiner als b_KWA,1 und τ_KWA,2 ist kleiner als τ_KWA,1.
4 zeigt, dass der KWA-Zahn 2 nicht unbedingt einteilig mit dem Blechpaket 1 verbunden sein muss. Er ist vorteilhafterweise durch geeignete mechanische Verbindungen wie z. B. Schwalbenschwanzverbindungen 10 am Blechpaket befestigt. Der nunmehr zwischen Blechpaket 1 und KWA-Zahn 2 vorhandene minimale Luftspalt 19, reduziert die Wirksamkeit des KWA-Zahns 2 nur unwesentlich.
5 zeigt in einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Primärteils 13 einen KWA-Zahn 2 mit Ausnehmungen, die auch einseitig, oder symmetrisch zur Längsachse des KWA-Zahns 2 ausgebildet sein können. Die Ausnehmung 11, insbesondere wenn sie tailliert ausgeführt ist, dient der Aufnahme einer Hilfsspule 12, z. B. für einen Boost-Betrieb, indem die Hilfsspule 12 mit der Hauptwicklung also den Zahnspulen 14 geschaltet wird, sodass gezielt Einfluss auf die induzierte Spannung genommen werden kann. Damit kann zusätzliche Leistung zur Verfügung gestellt werden. Die Ausnehmungen 11 sind auch oderzusätzlich zur Aufnahme von Sensoren und ggf. deren Auswerteeinrichtungen geeignet.
Der KWA-Zahn 2 an einem Ende des Primärteils 13 kann auch über die Breite des Blechpakets 1 in einem oder mehrerer der folgenden Parameter unterschiedlich ausgeführt sein: Breite b_KWA des KWA-Zahns 2, Luftspalt δ_KWA des KWA-Zahns 2 und Abstand τ_KWA zum benachbarten bewickelten Zahn 17, 18.

Claims

Linearmotor mit folgenden Merkmalen: – mindestens einem Primärteil (13) und mindestens einem Sekundärteil (5), – das mindestens eine Sekundärteil (5) weist eine Folge von Erregerpolen mit der Polteilung τ_M auf, – die Länge des mindestens einen Sekundärteils (5) in Bewegungsrichtung des Linearmotors ist größer als die Länge des mindestens einen Primärteils (13), – das mindestens eine Primärteil (13) weist Primärteil-Nuten (16) auf, mit der Nutteilung τ_N, die zur Aufnahme von ein- oder mehrphasigen Wicklungen vorgesehen sind, – das mindestens eine Primärteil (13) ist aus einem Blechpaket (1) gebildet, und weist an seinen jeweiligen Stirnseiten Mittel zur Reduktion der Kraftwelligkeit auf, wobei ein Kraftwelligkeitsausgleichs(KWA)-Zahn (2) mit einer Breite b_KWA durch einen Luftspalt δ_KWA zusätzlich vom normalen Luftspalt δ_L beabstandet ist und zu den benachbarten bewickelten Zähnen (17, 18) des Blechpakets (1) einen Abstand τ_KWA aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (1) des mindestens einen Primärteils (13) mehrere Bleche aufweist, wobei jedes Blech nur einen KWA-Zahn (2) aufweist, welcher einmal nach links oder nach rechts ausgerichtet ist, derart, dass nur jedes zweite Blech einen KWA-Zahn (2) an der rechten Seite und jedes zweite Blech dazu versetzt auf der linken Seiten einen KWA-Zahn (2) aufweist.
Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand τ_KWA des KWA-Zahns (2) zum benachbarten bewickelten Zahn (17, 18) des Blechpakets (1) zwischen τ_KWA = (τN + b_KWA)/2 und τ_KWA = τ_M liegt
Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des KWA-Zahns (2) zwischen δ_L und δ_M liegt.
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Luftspaltfläche zugewandte Fläche des KWA-Zahns (2) parallel zur Luftspaltfläche verläuft.
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Luftspalt δ_L zugewandten Ecken des KWA-Zahns (2) mit einem vorgegebenen Radius abgerundet sind.
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen als Zahnspulen (14) ausgebildet sind.
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der KWA-Zahn (2) mit seinem benachbarten Blechpaket (1) einteilig ausgebildet ist.
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der KWA-Zahn (2) in seinem Verlauf über die Dicke des Blechpakets (1) unterschiedlich breit ausgeführt ist.
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der KWA-Zahn (2) über seine Höhe unterschiedlich breit ausgeführt ist.