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Die Erfindung betrifft einen Lineardirektantrieb mit einem Stator und einem relativbeweglich am Stator gelagerten Läufer, wobei der Läufer und/oder der Stator an einer Oberfläche eine Zahnstruktur aufweisen, die von einem mit Ausnehmungen versehenen Lochblech bestimmt wird, das auf ein Koppelblech aufgebracht ist und mit diesem einen festen Verbund bildet.
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Aus der
DE 2 247 509 ist ein elektromagnetisch betriebener linearer Motor bekannt, dessen bewegliches Element dem Einfluss eines sich bewegenden Magnetfeldes unterliegt und der einen Stator aufweist, der einen massiven Stab aus magnetischem Metall und ein daran befestigtes Band aus einem magnetischen Werkstoff umfasst. Das Band weist Zähne auf, die durch Ausschneiden von rechteckigen Öffnungen aus dem Band erzeugt wurden. Der massive Stab weist eine hohe Stabilität auf, die jedoch mit einem hohen Eigengewicht einhergeht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Läufer und/oder einen Stator mit einem verbesserten, insbesondere kostengünstigeren, Aufbau bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird für einen Lineardirektantrieb der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass das Lochblech und das Koppelblech jeweils aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sind und dass der Verbund aus Lochblech und Koppelblech auf einen in Bewegungsrichtung des Läufers erstreckten Träger aufgebracht ist, der die Kräfte abstützt, die bei einer Bewegung des Läufers auf den Verbund einwirken.
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Durch die Kombination des Verbunds aus Lochblech und Koppelblech mit dem Träger werden die Vorteile einer einfachen Herstellung der Zahnstruktur mittels des Lochblechs und des als Rückschluss dienenden Koppelblechs mit dem Vorteil einer flexible anzupassenden Dimensionierung des Trägers in Abhängigkeit vom Einsatzfall für den Lineardirektantrieb kombiniert. Beispielsweise kann der Träger bei geringen zu erwartenden Kraftrückwirkungen auf den Verbund sehr schlank dimensioniert werden, während bei hohen Kräften im Betriebsfall ein entsprechend stabil dimensionierter Träger eingesetzt wird, ohne dass dazu Anpassungen am Verbund aus Lochblech und Koppelblech notwendig wären. Die Kraftrückwirkungen können beispielsweise durch die zwischen Läufer und Stator auftretenden Magnetkräfte hervorgerufen werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Träger mit wenigstens einer Lagerstruktur für die bewegliche Lagerung des Läufers versehen ist. Hierdurch erhält der Träger eine Doppelfunktion, neben der Abstützung der Magnetkräfte zwischen Läufer und Stator werden auch die Kräfte am Träger abgestützt, die sich durch die Wirkverbindung des Trägers mit einem Abtriebsteil, beispielsweise einer vom Läufer zu bewegenden Maschinenkomponente, ergeben. Exemplarisch kann der Träger als extrudiertes Kunststoffteil oder als stranggepresstes Aluminiumteil mit einer entsprechenden Querschnittsprofilierung ausgeführt werden, um die Stützfunktion für den Verbund und die Lagerfunktion für den Läufer wahrnehmen zu können. Vorzugsweise sind das Lochblech und das Koppelblech und/oder das Koppelblech und der Träger formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verklebt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Träger eine Profilierung aufweist, die zur, insbesondere formschlüssigen, Aufnahme des Verbunds ausgebildet ist. Hierdurch kann eine einfache und präzise Festlegung des Verbunds am Träger erreicht werden. Beispielsweise weist der Träger eine in Bewegungsrichtung erstreckte Nut auf, in die der Verbund eingelegt werden kann. Hierdurch werden insbesondere Ausrichtungsprobleme zwischen Verbund und Träger vermieden. Desweiteren kann die Nut in Abhängigkeit vom gewählten Trägerwerkstoff derart gestaltet werden, dass der Verbund in der Nut kraftschlüssig festlegbar, beispielsweise einwalzbar, wird. Ergänzend oder alternativ kann der Verbund in der Nut auch durch Festlegungsmittel formschlüssig aufgenommen werden und/oder stoffschlüssig mit dem Träger verbunden werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Lagerfläche aus einem Bandmaterial, insbesondere Bandstahl hergestellt ist, das am Träger angebracht ist. Durch die Verwendung von Bandmaterial ist es möglich, eine oder mehrere Lagerflächen am Träger zu geringen Kosten mit hoher Präzision herzustellen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Bandmaterial um Bandstahl mit geschliffener Oberfläche, das als Meterware kostengünstig bezogen werden kann. Eine Anbringung des Bandmaterials kann beispielsweise in gleicher Weise wie für den Verbund vorgesehen sein, indem am Träger entsprechende Profilierungen ausgebildet werden, in denen das Bandmaterial aufgenommen wird. In besonders vorteilhafter Weise kann hierdurch ein Träger aus Kunststoff- oder Aluminiummaterial mit äußerst dauerhaften Lagerstrukturen, insbesondere Lagerflächen, versehen werden, ohne dass der gesamte Träger aus einem Material hergestellt sein muss, das die Anforderungen für Lagerstrukturen von Lineardirektantrieben erfüllt.
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Vorzugsweise sind das Lochblech und das Koppelblech aus dem gleichen ferromagnetischen Material hergestellt. Hierdurch wird vermieden, dass sich in dem Verbund aus Lochblech und Koppelblech aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten unerwünschte innere Spannungen aufbauen, die zu einer Deformation des Verbundes führen könnten. Zudem wird dadurch die Ausbildung einer galvanischen Zelle vermieden, die zur Korrosion eines der Werkstoffe führen könnte.
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Bevorzugt weist eine zwischen Lochblech und Koppelblech angeordnete Klebeschicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lochblechs und/oder des Koppelblechs entspricht. Hierdurch werden innere Spannungen bei Temperaturänderungen vermieden, die im Extremfall zu einer unerwünschten Delamination des Verbundes führen könnten. Hierdurch würde der magnetische Fluss zwischen Lochblech und Koppelblech zumindest teilweise in Frage gestellt. Die Klebeschicht kann zur Gewährleistung einer elektrischen Leitung zwischen Lochblech und Koppelblech mit elektrisch leitenden Partikeln gefüllt sein. Bei ausreichend dünner Ausgestaltung der Klebeschicht kann auf eine Füllung mit elektrisch leitenden Partikeln verzichtet werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Ausnehmungen im Lochblech mit einem Kunststoffmaterial gefüllt sind, mit dem auch die dem Läufer zugewandte Oberfläche des Lochblechs versehen ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Läufer gegenüber dem Stator mittels eines Luftlagers gelagert werden soll, so dass die Oberfläche des Lochblechs hohe Anforderungen an die Ebenheit erfüllen muss und vorzugsweise einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aufweist.
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Zweckmäßig ist es, wenn das Lochblech und/oder das Koppelblech aus einem hochpermeablen, niederkoerzitiven Werkstoff, insbesondere, Silizium-Eisen-Werkstoff, hergestellt sind. Derartige Materialien können mit Trennverfahren wie Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden kostengünstig bearbeitet werden und ermöglichen aufgrund ihrer hohen Permeabilität einen verbesserten Wirkungsgrad für den Lineardirektantrieb. Während also das Lochblech und/oder das Koppelblech aus dem hochpermeablen, niederkoerzitiven Stoff hergestellt sind, kann die Profilierung des aus einem anderen Material, beispielsweise Kunststoff oder Aluminium hergestellten Trägers ideal an die Erfordernisse angepasst werden, die sich aufgrund der Auslegung des Lineardirektantriebs im Hinblick auf die auftretenden Kräfte und die Lagerung des Läufers ergeben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Sensoreinrichtung als Positionsmesseinrichtung zur Abtastung der Zahnstruktur ausgebildet ist. Mit Hilfe der Sensoreinrichtung kann die Position des Läufers gegenüber dem Stator ermittelt werden, wobei hier Gebrauch von der Zahnstruktur des Verbunds gemacht wird.
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Vorzugsweise ist der Träger aus einem, insbesondere nichtmetallischen, Faserverbundwerkstoff herstellt. Somit ergänzt der hochfeste Träger den mit gutem magnetischen Wirkungsgrad ausgestatteten Verbund zu einem vorteilhaften Läufer oder Stator für einen Lineardirektantrieb. Der Träger kann vorzugsweise in einem Extrusionsverfahren unter Beimischung von Faseranteilen wie beispielsweise Kohlenstofffasern oder Glasfasern, hergestellt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der zugehörigen Beschreibung. Hierbei zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Schiene zur Verwendung in einem Lineardirektantrieb, die ein Lochblech, ein Koppelblech und einen Träger umfasst,
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2 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Schiene, bei der der Verbund aus Lochblech und Koppelblech in einem profilierten Träger aufgenommen ist, und
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3 eine Vorderansicht eines Lineardirektantriebs mit einem auf Rollen gelagerten Läufer und einem Stator, der als Schiene gemäß der 2 ausgebildet ist.
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Eine in der 1 dargestellte Schiene 1 kann entweder als Stator oder als Läufer eines nicht näher dargestellten Lineardirektantriebs eingesetzt werden. Die Schiene 1 umfasst ein Lochblech 2, ein Koppelblech 3 und einen Träger 4. In das Lochblech 2 sind längs einer Bewegungsrichtung 6 in vorzugsweise gleicher Teilung vollständig durchbrochene Ausschnitte 5 eingebracht. Die zwischen den Ausschnitten 5 verbleibenden Stege 7 dienen als Zahnstruktur für den nicht näher dargestellten Lineardirektantrieb. Das Lochblech 2 ist mittels einer nicht näher dargestellten Klebeverbindung stoffschlüssig mit dem Koppelblech 3 verklebt und bildet mit diesem einen Verbund 8. Exemplarisch sind sowohl das Lochblech 2 wie auch das Koppelblech 3 aus Silizium-Eisen-Werkstoff hergestellt, wobei die Ausschnitte 5 im Lochblech 2 beispielsweise durch Laserschneiden oder Stanzen eingebracht werden können.
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Der Verbund 8 aus Lochblech 2 und Koppelblech 3 ist mit einer ebenfalls nicht näher dargestellten Klebeverbindung stoffschlüssig mit dem Träger 4 verbunden, bei dem es sich exemplarisch um eine langgestreckte, quaderförmige Kunststoffstruktur mit nicht näher dargestellter Kohlefaserverstärkung handelt. Der Träger 4 kann aus Vollmaterial hergestellt sein oder eine innere Stützstruktur mit reduzierter Dichte, beispielsweise eine Profilierung in Längsrichtung oder eine Wabenstruktur, aufweisen.
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Eine derartige Schiene 1 zeichnet sich durch hohe Stabilität bei geringem Gewicht aus und ermöglicht bei Verwendung für einen Läufer eine hohe Dynamik des Lineardirektantriebs aufgrund der geringen zu beschleunigenden bzw. abzubremsenden Massen. Darüber hinaus weist der entsprechend ausgerüstete Lineardirektantrieb aufgrund der Verwendung von Silizium-Eisen-Werkstoff für das Lochblech 2 und das Koppelblech 3 gegenüber einem gleichartigem Lineardirektantrieb aus konventionellen Werkstoffen einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
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Die in den 2 und 3 darstellte Schiene 9 dient als Stator für einen Lineardirektantrieb und umfasst ein zur Aufnahme des Verbunds 8 vorgesehenes Profil 10, das beispielsweise in einem Endlosprozess, vorzugsweise einem Extrusionsprozess oder einem Strangpressprozess, hergestellt ist. Der Querschnitt des Profils 10 ist derart gewählt, dass der Verbund 8 aus Lochblech 2 und Koppelblech 3 vorzugsweise formschlüssig in einer zentralen Aufnahmenut 11 aufgenommen werden kann. Hierdurch wird eine vorteilhafte Ausrichtung zwischen dem Verbund 8 und dem Profil 10 erzielt. Beispielsweise wird der Verbund 8 von einer Stirnseite her in das Profil 10 eingeschoben. Der im Wesentlichen U-förmige Querschnitt des Profils 10 ist derart ausgebildet, dass an Endbereichen der U-Schenkel jeweils quer zur Bewegungsrichtung 6 erstreckte Führungsträger 12 angebracht sind. Diese können exemplarisch einstückig mit dem Profil 10 ausgebildet sein und umfassen jeweils eine Lagerfläche 15 aus einem metallischen Bandmaterial. Die Lagerflächen 15 sind, beispielsweise durch einen Einwalzvorgang, insbesondere formschlüssig, mit dem jeweiligen Führungsträger 12 verbunden.
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Die beiden an den jeweiligen freien Enden des U-förmigen Querschnitts des Profils 10 angeordneten Lagerflächen 15 bilden eine Lagerstruktur für den in 3 schematisch dargestellten Läufer 16. Der Läufer 16 umfasst exemplarisch mehrere, drehbeweglich an einem Grundkörper 18 aufgenommene und in Bewegungsrichtung 6 hintereinander aufgereihte Lagerrollen 17, die zur Abwälzung auf den Lagerflächen 15 vorgesehen sind und von denen in der 3 jeweils die vorderste der Lagerrollen sichtbar ist. Die Lagerrollen 17 ermöglichen eine reibungsarme Relativbewegung zwischen dem Läufer 16 und dem Profil 10. Ferner umfasst der Läufer 16 mehrere, nicht näher dargestellte und mit elektrischem Strom beaufschlagbare Spulen, die zur Bereitstellung eines zeitlich veränderlichen Magnetfelds ausgebildet sind. Dieses Magnetfeld wirkt unmittelbar auf einen zweiten Verbund 19, der ebenfalls ein Lochblech 20 und ein Koppelblech 21 umfasst. Der Verbund 19 ist derart am Grundkörper 18 angeordnet, dass das Lochblech 20 gegenüberliegend zum Lochblech 2, das im Profil 10 aufgenommen ist, angeordnet ist. Zu Ansteuerung der nicht näher dargestellten Spulen ist eine auch als Controller bezeichnete Steuereinheit 22 im Grundkörper 18 des Läufers 16 integriert. Die Steuereinheit 22 kann über ein Kommunikationsmodul 23 drahtlos, insbesondere nach Standards wie Bluetooth oder Zig-Bee, mit weiteren Läufern 16 und/oder mit einer nicht dargestellten Zentralsteuereinheit kommunizieren. Die Kommunikation umfasst beispielsweise die Übertragung von Steuerbefehlen für die Ansteuerung der Magnetspulen und/oder von Positionssignalen eines am Läufer 16 angebrachten, die Stege 7 abtastenden Positionssensors 24. Eine Energieversorgung der Steuereinheit 22 und der damit gekoppelten, nicht näher dargestellten Spulen ist exemplarisch über zwei am Träger 14 angebrachte Stromschienen 25, 26 vorgesehen. Vorzugsweise sind die korrespondierend zu den Stromschienen 25, 26 ausgebildeten Stromabnehmer 27, 28 für eine kontaktlose Energieübertragung vorgesehen. Dies kann beispielsweise mittels einer induktiven Kopplung zwischen den Stromschienen 25, 26 und den jeweils zugeordneten Stromabnehmern 27, 28 erfolgen.
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Das Lochblech 20 weist eine vom Lochblech 2 abweichende Zahnteilung auf, so dass durch geeignete Beaufschlagung der Magnetspulen eine magnetische Wechselwirkung zwischen den am Lochblech 20 ausgebildeten Zähnen und den am Lochblech 2 ausgebildeten Zähnen dahingehend bewirkt werden kann, dass eine in Bewegungsrichtung ausgerichtete Antriebskraft auf den Läufer 16 einwirkt, der sich somit in Bewegungsrichtung 6 längs des Profils 10 fortbewegen kann.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist der Verbund aus Lochblech und Koppelblech in gleicher Weise wie die Lagerfläche in eine entsprechende Schiene eingewalzt, wodurch eine weitere Vereinfachung der Herstellung erreicht werden kann.
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Bei einer weiteren ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die sich gegenüberliegenden Lochbleche mit einer Kunststoffbeschichtung versehen, die auch die Ausschnitte ausfüllt und die derart eben ausgebildet ist, dass die Oberflächen der Lochbleche als Lagerflächen einer Luftlagerung dienen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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