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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen mit einem elektrischen Direktantrieb arbeitenden
Linearantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
gattungsgemäßer Linearantrieb
ist aus der
DE 203
16 493 U1 bekannt. Dieser zur Erzeugung von im Wesentlichen
geradlinigen Bewegungen entlang einer vorbestimmten Bewegungsachse
vorgesehene elektrische Linearantrieb weist eine Statorbaugruppe
sowie eine relativ zu dieser bewegliche Läuferbaugruppe auf. Die Statorbaugruppe
ist mit einem U-förmigen
Gehäuse
versehen, das zwei Schenkel aufweist, an denen Magnete angeordnet sind.
Die Läuferbaugruppe
weist eine Wicklung auf, die sich zwischen den Schenkeln des Gehäuses befindet
und ist durch zwei Linearlager geführt, von welchen sich eines
im Bereich der Öffnung
des Gehäuses
und das andere im Bereich eines die Schenkel verbindenden Verbindungsschenkels
befindet. Mit diesem aufwändi gen
Aufbau soll ein auch bei hoher Dynamik schwingungsarmer Linearmotor
bereitgestellt sein.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen mit elektrischem Direktantrieb
arbeitenden Linearantrieb anzugeben, der sich bei kompaktem Aufbau
durch besonders günstige
Verhältnisse
der Kraftverteilung auszeichnet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen elektrischen Linearantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Dieser Linearantrieb setzt sich zusammen aus einem Läufer, an
dem eine zu bewegende Last befestigbar ist, sowie einer einen U-förmigen Querschnitt
aufweisenden Statorbaugruppe. An den durch eine so genannte Basis
verbundenen U-Schenkeln der Statorbaugruppe sind Magnete angeordnet,
welche zur Wechselwirkung mit dem mittels einer Führungsvorrichtung
relativ zur Statorbaugruppe beweglich gelagerten, zumindest teilweise
zwischen den U-Schenkeln angeordneten Läufer vorgesehen sind. Die Führungsvorrichtung
ist gebildet durch eine einzige, an der Basis des U-förmigen Querschnitts
der Statorbaugruppe angeordnete Linearführung. Ein Kraftfluss von der
zu bewegenden Last zur Statorbaugruppe ist ausschließlich über den
mittels dieser Linearführung
gelagerten Läufer herstellbar.
Hierbei ist die Linearführung
auch zur Aufnahme einer Torsionsbelastung in Längsrichtung des U-Profils geeignet.
Unter einer solchen Torsionsbelastung wird ein zwischen dem Läufer und
der Statorbaugruppe wirkendes Drehmoment verstanden, das parallel
zur Erstreckung der Linearführung
ausgerichtet ist.
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Die
zentral angeordnete, alleinige Linearführung ermöglicht eine gleichmäßige Krafteinleitung vom
Läufer
in die Statorbaugruppe. Der Läufer
hat eine Doppel funktion, nämlich
einerseits eine elektrische Funktion als Teil eines Direktantriebs
und andererseits eine mechanische Funktion als einzig verbindendes
Teil zwischen dem die zu bewegenden Last tragenden Läufer und
der Statorbaugruppe. Zudem befindet sich die an der Basis der im
Querschnitt U-förmigen Statorbaugruppe
angeordnete Linearführung
in besonders geschützter
Position. Der Entfall weiterer Linearführungen hat ferner den Vorteil,
dass besonders viel Raum für
die Magneten sowie den mit diesen zusammenwirkenden Läufer zur
Verfügung steht.
Der elektrische Linearantrieb weist damit ein besonders günstiges
Verhältnis
zwischen benötigtem Bauraum
und erzeugbaren Kräften
und Beschleunigungen auf.
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In
einer ersten Ausführungsform
weist die Linearführung
eine Führungsschiene
auf, deren Breiten/Höhen-Verhältnis mindestens
2 und höchstens
5 beträgt.
Vorzugsweise liegt das Breiten/Höhen-Verhältnis der
Führungsschiene
zwischen 3,5 und 4,5. Das um die Bewegungsachse des Linearantriebs aufnehmbare
Drehmoment ist damit im Vergleich mit Führungsschienen mit sonst üblichen
Breiten/Höhen-Verhältnissen
(ca. 0,9 bis 1,7) etwa verdreifacht. Als Höhe der einen Teil der Statorbaugruppe
bildenden Führungsschiene
wird dabei deren Ausdehnung in Erstreckungsrichtung der U-Schenkel
bezeichnet. Die Führungsschiene
ist entweder an der Basis der Statorbaugruppe befestigt oder einteilig
mit der Basis ausgebildet. Im letztgenannten Fall wird als Höhe der Führungsschiene
diejenige Abmessung bezeichnet, um die die Führungsschiene die umgebenden
Abschnitte der Basis überragt.
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In
einer zweiten Ausführungsform
weist die Linearführung
Laufbahnen auf, welche direkt an den U-Schenkeln jeweils im Bereich
zwischen den Magneten und der Basis angeordnet sind. In beiden Ausführungsformen
bildet die Basis mit den U-Schenkeln vorzugsweise ein einteiliges
Profil. Dieses ist beispielsweise aus Leichtmetall, Stahl oder einem
faserverstärkten
Kunststoff gefertigt.
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Das
Verhältnis
zwischen der Höhe
der U-Schenkel und der hierzu in orthogonaler Richtung gemessenen
Breite der Basis wird als Seitenverhältnis der Statorbaugruppe bezeichnet.
Die Abweichung von einem quadratischen Seiten verhältnis beträgt vorzugsweise
weniger als 50%, insbesondere weniger als 25%.
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Die
an den U-Schenkeln der Statorbaugruppe befestigten Magnete können entweder
unmittelbar oder unter der Zwischenschaltung einer Platte am jeweiligen
U-Schenkel gehalten sein. Im letztgenannten Fall dient die Platte
der Leitung des für
den elektrischen Direktantrieb benötigten Flusses. Liegen die
Magnete dagegen direkt an den U-Schenkeln an, so sind diese vorzugsweise
aus magnetisch leitendem Material gefertigt. In diesem Fall weisen
die U-Schenkel vorzugsweise
Nuten auf, in denen die Magnete angeordnet sind. Mit einer derartigen
Anordnung der Magnete verbleibt innerhalb des U-Profils ein besonders
breiter Raum für
den Läufer
sowie die Linearführung,
sodass diese Teile insbesondere auch für die Aufnahme hoher Kippbelastungen
ausgelegt werden können:
Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung ist in den elektrischen Linearantrieb
ein Messsystem, beispielsweise mit magnetischer oder optischer Maßverkörperung,
integriert. Ebenso ist ein Brems- oder Klemmelement in den elektrischen
Linearantrieb integrierbar. Der elektrische Linearantrieb ist in
jeglicher Einbausituation einsetzbar.
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Nachfolgend
werden mehrere Ausführungbeispiele
der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 bis 6 jeweils
einen elektrischen Linearantrieb im Querschnitt,
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7 und 8 im
Querschnitt verschiedene Grundformen einer Statorbaugruppe eines
elektrischen Linearantriebs,
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9 bis 11 verschiedene
Ausführungsformen
von Primär-
und Sekundärteil
eines elektrischen Linearantriebs, und
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12 einen
Längsschnitt
des elektrischen Linearantriebs nach 11.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnung
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Einander
entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit
den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt
in einem vereinfachten Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel
eines elektrischen Linearantriebs 1, der sich aus einer
Statorbaugruppe 2 und einem Läufer 3 zusammensetzt.
Die Statorbaugruppe 2 weist eine U-förmige
Grundform mit zwei Schenkeln 4 und einer diese verbindenden Basis 5 auf.
An den Innenseiten der U-Schenkel 4 sind Magnete 6 befestigt,
wobei die Nord- und Südpole
in Längsrichtung
des die tragende Grundkonstruktion der Statorbaugruppe 2 bildenden,
mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichneten U-Profils wechselnd
hintereinander angeordnet sind. An der Außenseite des U-Profils 7 befinden
sich verschiedene Haltekonturen 8, um eine einfache Befestigung
der Statorbaugruppe 2 an einer nicht dargestellten Anschlusskonstruktion
zu ermöglichen.
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An
der Innenseite der Basis 5 der Statorbaugruppe 2 befindet
sich eine Linearführung 9,
welche eine am U-Profil 7 befestigte Führungsschiene 10 sowie
mindestens einen auf diese linearbeweglich gelagerten Führungswagen 11 umfasst.
In der Regel sind auf der einzigen Führungsschiene 10 mehrere
Führungswagen 11 angeordnet.
Die Linearführung 9 ist in
prinzipiell bekannter Weise als Linear-Wälzlager mit Kugeln oder Rollen
als Wälzkörper aufgebaut. Insbesondere
bei großer
Länge des
U-Profils 7 ist es zweckmäßig, die Führungsschiene 10 mit
einer Beweglichkeit in Längsrichtung
auf der Basis 5 zu befestigen. Allgemein ist zur Befestigung
der Führungschiene 10 im
U-Profil 7 beispielsweise eine Verschraubung, eine Verklebung
oder eine Klemmverbindung geeignet.
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Auf
dem Führungswagen 11 ist
als Teil des Läufers 3 ein
Primärteil 12 mit
hier nicht dargestellten bestrombaren Wicklungen befestigt. Das
Primärteil 12 ist
sandwichartig zwischen den Magneten 6 angeordnet und bildet
damit einen Doppelkammmotor 13 als elektrischen Direktantrieb.
Unmittelbar auf dem Primärteil 12 ist
eine mit dem elektrischen Linearantrieb 1 zu bewegenden
Last 14 befestigt. Die Last 14 ist nicht direkt,
sondern ausschließlich über das
Primärteil 12 an
der Statorbaugruppe 2 abgestützt. Somit dient allein die
Linearführung 9 der
Führung
der Last 14 relativ zur Statorbaugruppe 2. Sämtliche Kräfte, die
von der Last 14 in die Statorbaugruppe 2 eingeleitet
werden, werden über
das Primärteil 12 des
Dopplekammmotors 13 sowie über die Linearführung 9 geleitet.
Dies gilt auch, falls die Last 14 Belastungen ausgesetzt
ist, die zu einem Drehmoment zwischen dem Läufer 3 und der Statorbaugruppe 2 in Längsrichtung
des U-Profils 7 führen.
Somit dient die Linearführung 9 auch
dazu, so genannte Rollbewegungen des Läufers 3 relativ zur
Statorbaugruppe 2 zu verhindern. Unter einer Rollbewegung
wird eine Schwenkbewegung um eine parallel zum U-Profil 7 ausgerichtete
Achse bei gleichzeitiger Vorwärtsbewegung
des Läufers 3 verstanden.
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Die
Führungsschiene 10 weist
eine Breite BF auf, die etwa das 2,5-fache
deren Höhe
HF beträgt. Damit
ist die Linearführung 9 besonders
zur Aufnahme von Torsionsbelastungen der vorstehend beschriebenen
Art geeignet. Das gesamte U-Profil 7 weist einen annähernd quadratischen
Querschnitt mit einer Breite Bu und einer
Höhe Hu auf. Innerhalb des U-Profils 7 befindet
sich im Bereich der Basis 5 ein Wegmesssystem 15,
das beispielsweise als optisches oder magnetisches inkrementelles
Messsystem arbeiten kann. Ein nicht dargestellter Messkopf ist beispielsweise
am Führungswagen 11 oder
an sonstiger Stelle des Läufers 3 befestigt.
Zusätzlich oder
alternativ zum Messsystem 15 kann die magnetische Teilung
der Magnete 6 als Maßverkörperung eines
internen Messsystems des elektrischen Linearantriebs 1 genutzt
werden.
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Die 2 bis 6 zeigen
diverse im Rahmen der Erfindung liegende Abwandlungen des Ausführungsbeispiels
nach 1:
Im Ausführungsbeispiel nach 2 sind
die Magnete 6 auf Platten 16 aus magnetisch leitendem
Material befestigt, die ihrerseits an den U-Schenkeln 4 befestigt
sind. Die Platten 16 dienen somit der Leitung des magnetischen
Flusses des Doppelkammmotors 13. Das U-Profil 7 ist
beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Die Führungsschiene 10 ist aus
einem verschleißfesteren
Material als das U-Profil 7, insbesondere aus Stahl, hergestellt.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 3 bildet die Führungsschiene 10 einen
integralen Bestandteil des U-Profils 7. Maßnahmen,
um thermisch bedingte Längenänderungen
der Führungsschiene 10 auszugleichen,
sind hier unabhängig
von der Länge
des U-Profils 7 nicht erforderlich. Die Magnete 6 können entweder,
wie in der linken Hälfte
der 3 dargestellt, über Platten 16 oder,
wie in der rechten Hälfte der
Darstellung gezeigt, unmittelbar an den U-Schenkeln 4 befestigt
sein. Im letztgenannten Fall ist das U-Profil 7 vorzugsweise
aus magnetisch leitfähigem Material
gefertigt.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 4 unterscheidet sich hinsichtlich der Ausbildung
der Linearführung 9 von
den Ausführungsbeispielen
nach den 1 bis 3. Wälzkörper 17 der
Linearführung 9 rollen
nicht auf einer Schiene, sondern direkt auf Laufbahnen 18 an
der Oberfläche
der U-Schenkel 4 ab. Der Abstand zwischen den Laufbahnen 18 der
Linearführung 9 ist
damit maximiert. Je nach Material des U-Profils 7 können die
Wälzkörper 17 direkt
auf diesem Material oder auf einer Zwischenlage aus einem verschleißfesteren
Material abrollen.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 5 ist das U-Profil 7 als Aluminiumprofil
ausgebildet, welches an der Basis 5 eine Basisnut 19 aufweist,
in der die aus Stahl gefertigte Führungsschiene 10 durch
eine Klemmverbindung befestigt ist. die Anordnung und Befestigung
der Magnete 6 entspricht dem Ausführungsbeispiel nach 2.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 6 ist das U-Profil 7 einschließlich der
einstückig
mit diesem ausgebildete Führungsschiene 10 aus
magnetisierbarem Stahl gefertigt. Die Magnete 6 befinden
sich vorzugsweise, wie in der rechten Hälfte der Darstellung gezeigt,
in einer Seitennut 20 an der Innenseite der U-Schenkel 4.
Alternativ ist auch eine Befestigung der Magnete 6 über Platten 16,
wie in der linken Hälfte
von 6 dargestellt, möglich.
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Die 7 und 8 zeigen
vereinfacht zwei mögliche
Querschnitte des U-Profils 7,
wobei das in 8 dargestellte U-Profil 7 mit
nach innen weisenden Fortsätzen 21 an
den Enden der U-Schenkel 4 auch als C-Profil bezeichnet
wird. Die grundsätzliche Funktion
des Doppelkammmotors 13 ist in beiden Fällen gleich.
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Verschiedende
Bauformen eines Doppelkammmotors 13 sind in den 9 bis 12 skizziert.
Während
im Ausführungsbeispiel
nach 9 das Primärteil 12 durchgehende
Einzelnuten 22 aufweist, sind im Ausführungsbeispiel nach 10 geteilte
Nuten 23 sowie ein Verbindungssteg 24 vorhanden.
In der Bauform nach den 11 und 12 ist das
Primärteil 12 aus
zwei spiegelsymmetrischen Motorenteilen 25 zusammengesetzt,
die jeweils bestrombare Wicklungen 26 aufweisen.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnung
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- 1
- elektrischer
Linearantrieb
- 2
- Statorbaugruppe
- 3
- Läufer
- 4
- U-Schenkel
- 5
- Basis
- 6
- Magnet
- 7
- U-Profil
- 8
- Haltekontur
- 9
- Linearführung
- 10
- Führungsschiene
- 11
- Führungswagen
- 12
- Primärteil
- 13
- Doppelkammmotor
- 14
- Last
- 15
- Messsystem
- 16
- Platte
- 17
- Wälzkörper
- 18
- Laufbahn
- 19
- Basisnut
- 20
- Seitennut
- 21
- Fortsatz
- 22
- Einzelnut
- 23
- Nut
- 24
- Verbindungssteg
- 25
- Motorenteil
- 26
- Wicklung
- BF
- Breite
der Führungsschiene
- HF
- Höhe der Führungsschiene
- BU
- Breite
des U-Profils
- HU
- Höhe des U-Profils