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Die Erfindung betrifft einen Gleichstromlinearantrieb mit einem permanenterregten Magnetkreis im Stator und einem Läufer mit einer beweglichen Spule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche so genannten elektrodynamischen Linearmotoren sind insbesondere für den kleineren Leistungsbereich mit relativ kurzen Verfahrwegen einsetzbar. Ihre Vorteile liegen vor allem in der hohen Dynamik und der hohen erzeugbaren Kraft.
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Gattungsgemäße Gleichstromlinearmotoren bzw. -antriebe werden häufig auch als Schwingspul-, voice-coil- oder moving-coil-Aktoren bzw. -Motoren bezeichnet. Ihr Wirkprinzip — das elektrodynamische Prinzip — ist bereits seit langer Zeit bekannt. Dabei wirkt eine Kraft (Lorentzkraft) auf eine stromdurchflossene Spule, welche sich in einem Magnetfeld befindet. Die Kraft und Richtung der Bewegung des Läufers ist direkt abhängig von der Richtung und der Stärke des Stromflusses durch die Spule.
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Aus der
US 4 808 901 ist ein gattungsgemäßer Linearmotor mit beweglicher Spule bekannt, bei welchem das Joch mit der Spule seitlich neben der Linearführung der beweglichen Plattform angeordnet ist. Die Spule ist an einem seitlichen Vorsprung mit der Plattform verbunden.
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In der
DE 10 2009 018 866 A1 ist ein Linearantrieb der gleichen Gattung offenbart, bei dem der bewegliche Schlitten über ein Koppelteil mit der Spule verbunden ist und das Joch und der Schlitten in Bewegungsrichtung der Spule ebenfalls nebeneinander liegend angeordnet sind.
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Im genannten Stand der Technik ist es nachteilig, dass die Zwangsführung des Schlittens ein Kippmoment aufnehmen muss, da Zwangsführung und Ursprungsort der Kraft voneinander beabstandet sind. Dementsprechend aufwendig ist die Dimensionierung der Zwangsführung. Insbesondere bei Präzisionsantrieben kommt es auf die hohe Genauigkeit der Positionierung an.
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Aus der
DE 10 2006 052 364 A1 ist ein gattungsgemäßer Linearantrieb bekannt, bei welchem eine Hauptführung und eine Nebenführung des Läufers als Wälzkörperführungen vorgesehen sind. Durch den großen Abstand der beiden Führungen voneinander wird eine hohe Präzision der Bewegung und eine Sicherung des Läufers gegen Verdrehen und Verkanten erreicht. Diese Variante ist durch zwei getrennte Wälzkörperführungen relativ aufwendig und teuer in der Herstellung.
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Bei Synchron- oder Asynchron-Linearmotoren ist das Primärteil zumeist auch als Führungsschiene für das Sekundärteil (Läufer) ausgebildet.
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Aus der
DE 689 09 429 T2 ist ein Linearmotor zur hochgenauen Positionierung einer optischen Leseeinheit bekannt, bei dem das mittlere Joch, das von zwei auf einem Spulenkörper gewickelten Spulen umschlossen wird, in zwei räumlich getrennte, parallele Joche geteilt ist, welche gleichzeitig als Führung für die Spulen dienen, indem sie eine Führungsnut aufweisen, die einen entsprechend gestalteten Durchgang des Spulenkörpers durchdringen, wobei Zwischen der Führungsnut und dem Spulenkörper Wälzkörper vorgesehen sind. Die Joche werden also zur Bildung des magnetischen Kreises und zur Führung des Spulenkörpers verwendet, wodurch eine separate Führung des Spulenkörpers entfallen kann, Dadurch wird eine hohe Dynamik des Antriebes erreicht. Unterschiedliche Jochquerschnitte im Magnetkreis sind problematisch bei der Dimensionierung des Motors und bei der Herstellung der Joche.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen gattungsgemäßen Gleichstromlinearmotor dahingehend zu verbessern, dass der Läufer einerseits ein verringertes Kippmoment aufweist und gleichzeitig eine vereinfachte und preiswert realisierbare Führung des Läufers und eines anzutreibenden Tragschlittens gestattet. Der Gleichstromlinearmotor soll eine kompakte und leichte Bauform haben, um sehr hohe Beschleunigungen erreichen zu können.
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Die Aufgabe wird durch einen Gleichstromlinearantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Gleichstromlinearantrieb umfasst einen Stator, der durch einen Magnetkreis mit Permanentmagneten gebildet ist. Der Magnetkreis umfasst dabei ein mittleres und zwei äußere Joche, die parallel zueinander angeordnet sind. Die äußeren Joche sind an ihren Enden abgewinkelt, um eine magnetisch leitende Verbindung zum mittleren Joch herzustellen. Diese Jochanordnung ähnelt einer "8", die in die Breite gezogen ist. An den äußeren Jochen sind dem mittleren Joch zugewandt, Permenentmagnete angeordnet, die in Richtung ihrer Dicke magnetisiert sind.
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Eine Spule ist in an sich bekannter Weise als Läufer auf dem mittleren Joch, dieses umschließend, angeordnet und in einer Linearführung geführt.
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Erfindungsgemäß ist die Linearführung direkt mit dem mittleren Joch gekoppelt. Sie wird von der Spule mit umschlossen. Die Spule umschließt also das mittlere Joch und die Linearführung. Die Linearführung umfasst einen beweglichen Wagen und eine Leiteinrichtung für den Wagen. Der Wagen dient der Aufnahme der Spule und der Aufnahme eines Adapters für einen Tragschlitten.
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Damit sind Spulenführung und Tragschlittenführung in das Spuleninnere derart verlegt, dass die Lorentzkräfte, die auf die Spule wirken, auch zentral auf den Wagen und damit auf den Tragschlitten wirken. Eine Verkippung ist daher minimiert. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind Wagen und Adapter einteilig ausgeführt.
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Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Führungen für die Spule und den durch die Spule angetriebenen Tragschlitten zentral zur auf die Spule wirkenden Lorentzkraft angeordnet sind, wodurch kein Kippmoment entstehen kann. Außerdem übernimmt das mittlere Joch zusätzlich zur Führungsfunktion für Spule und Tragschlitten auch eine Tragfunktion für den Wagen und Tragschlitten, weshalb die bisher notwendige Gestellplatte, die beide Funktionseinheiten aufnahm, entfallen kann. Da die Jochteile des Magnetkreises direkt mit dem mittleren Joch und der darauf angeordneten Führung verbunden sind, entsteht eine kompakte bauraumminimierte Linearantriebseinheit.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleichstromlinearantriebes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Teile der Linearführung aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt. Besonders geeignet hiefür sind Leichtmetalle und Kunststoffe. Aber auch keramische Werkstoffe sind beispielsweise für Wälzkörper in Umlaufführungen einsetzbar. Durch eine derart gestaltete Linearführung werden der Magnetkreis und die Regelung des Spulenstromes nicht beeinflusst.
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Die Linearführung selbst kann auf alle bekannten Arten ausgeführt sein. In Betracht kommen sowohl rein mechanische Führungen mit Wälz- oder Gleitlagern, aber auch hydrostatische oder hydrodynamische Lagerungen, z. Bsp. Luftlager für den Wagen. Die entsprechende Auslegung kann der Fachmann leicht vornehmen.
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Im einfachsten Fall kann der Wagen auf einer Leiteinrichtung, z. Bsp. einer Schiene gleitgelagert geführt sein. Alternativ ist die Verwendung einer Kugelumlaufführung oder Kugelwälzführung möglich.
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Die Jochteile haben vorzugsweise einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Bei diesen Ausführungsformen können preisgünstige flache Magneten verwendet werden. Außerdem wird die Anbindung der Linearführung an das mittlere Joch erleichtert, da eine plane Oberseite des Joches als Führungsgrundfläche zur Verfügung steht. Außerdem sind rechteckige Jochquerschnitte einfach und preiswert herstellbar.
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Durch die einfache Anbindungsmöglichkeit der Linearführung an den Jochquerschnitt kann die Linearführung in abgewandelten Ausführungsformen auch auswechselbar gestaltet sein und bietet somit die Möglichkeit, diverse geeignete handelsübliche Führungsbaugruppen mit dem System lediglich durch die Änderung der Spulenabmessungen einsetzen zu können.
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In jedem Fall kann der Antrieb durch die Konfiguration der Linearführung und die entsprechende Dimensionierung der Spule sehr einfach auf verschiedene Anwendungsszenarien angepasst werden. Die Dimensionierung der Spule und damit die Bestimmung von Kraft, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Antriebes bereiten dem Fachmann keine Schwierigkeiten. Die Spulenwicklung kann als Kupfer- oder Aluminium-Wicklung ausgeführt sein. Bei der Verwendung von Aluminiumdraht für die Spulenwicklung ergeben sich deutliche Vorteile hinsichtlich des Gesamtgewichts des Antriebes und damit auch eine höhere erzielbare Beschleunigung gegenüber herkömmlichen Linearantrieben.
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Der Gleichstromlinearantrieb umfasst in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch ein Wegmesssystem, um eine genaue Positionierung und ggf. Positionsregelung des Tragschlittens zu ermöglichen. Das Wegmesssystem umfasst dabei vorzugsweise ein Wegmesslineal mit einem inkrementellen Maßstab und einen Wegmesssensor, der auf alle bekannten Arten ausgeführt sein kann. Als besonders geeignet haben sich optische Wegmessverfahren herausgestellt die dem Fachmann bekannt sind. Aber auch induktive, kapazitive oder taktile Messsysteme haben sich bewährt und sind je nach Messaufgabe anwendbar. Der Maßstab kann auf einfache Weise an den Wagen oder den Adapter gekoppelt werden.
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Um den Wagen bei einer Abschaltung des Stromes in einer sicheren Position zu parken, kann eine Festlegung des Wagens in einer Parkposition erfolgen. Dazu ist ein schaltbarer Magnet besonders geeignet. Der schaltbare Magnet gibt vorzugsweise in stromlosem Zustand einen Verriegelungsmechanismus frei, bei dem ein Formschlusselement, beispielsweise ein Riegel, in eine Aussparung im Wagen oder in der Adapterplatte einrastet. So wird der Wagen an jeder unerwünschter Bewegung gehindert, solange kein Strom fließt. Dadurch wird ein unkontrollierter Aufprall des Wagens an einer Endlage mit seinen ggf. sensiblen Funktionselementen bei Stromabschaltung sicher verhindert. Solche Notbremssysteme sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Deren Gestaltung und Dimensionierung wird dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereiten.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichstromlinearantriebes;
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2: eine Draufsicht auf den in 1 dargestellten Gleichstromlinearantrieb;
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3: eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B gemäß 2;
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4: eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A gemäß 2.
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In 1 ist Ein erfindungsgemäßer Gleichstromlinearantrieb – in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die 2 bis 4 zeigen andere Ansichten bzw. Schnittdarstellungen desselben Gleichstromlinearantriebes.
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Der Gleichstromlinearantrieb besitzt in an sich bekannter Weise einen Stator, der einen Magnetkreis bildet. Der Stator umfasst ein mittleres Joch 01 und zwei parallele äußere Joche 02 mit jeweils abgewinkelten Enden, die dem mittleren Joch 01 zugewandt und an diesem befestigt sind. Diese Befestigung erfolgt vorzugsweise form- und kraftschlüssig mittels Schraubstiften 03. Auch andere Verbindungsarten mittels Fortsätzen, Ausnehmungen oder Pass- oder Gewindebohrungen für Stifte und Schraubelemente sind hier möglich.
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An den dem mittleren Joch 01 zugewandten Innenseiten der äußeren Joche 02 sind Permanentmagnete 04 vorzugsweise durch Kleben befestigt. Die Permanentmagnete 04 sind entlang ihrer Dicke magnetisiert und erstrecken sich über den gesamten Verfahrbereich des Antriebes.
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An dem mittleren Joch 01 ist auf einer durchgehend freien, planen Jochfläche eine Linearführung angekoppelt. Die Linearführung umfasst eine Leiteinrichtung 06, welche in dieser Ausführungsform durch zwei parallele Führungsstangen 07 gebildet ist. Auf den Führungsstangen 07 ist ein Wagen 08 geführt. Der Wagen 08 trägt eine Spule 09, welche das mittlere Joch 01 und die Leiteinrichtung 06 aus Führungsstangen 07 und Wagen 08 umschließt.
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Die Kraftwirkung auf die Spule 09 entsteht an den beiden Seiten der Spule 09, die zwischen dem mittleren Joch 01 und den Dauermagneten 04 gelegen sind. Die Führung des Wagens 08 ist nahe der Ebene der Bewegungsrichtung zentral zwischen den Kraftentstehungsorten angeordnet, weshalb eine Verkippung des Wagens nicht oder nur bei äußerst ungünstiger äußerer Beladung oder Gewichtsverteilung auf dem Wagen 08 gestattet.
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Auf dem Wagen 08 ist weiterhin ein Adapeter 11 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Tragschlittens angeordnet.
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Der Adapter 11 dient weiterhin als Träger für ein Wegmesslineal 12, das vorzugsweise einen inkrementellen Maßstab enthält. Dem Wegmesslineal 12 gegenüberliegend ist auf dem einen der äußeren Joche 02 ein Wegmesssensor 13 vorgesehen, um die Signale bzw. Marken des bewegten Wegmesslineals 12 in bekannter Weise zu decodieren. Selbstverständlich kann je nach Anwendungsfall ein absoluter oder relativer Maßstab verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, das Wegmesslineal 12 am Joch und den Wegmesssensor 13 am Adapter 11 vorzusehen, da eine Stromversorgung für die Spule 09 ohnehin auf dem beweglichen Wagen 08 vorhanden sein muss. Dem Fachmann sind diverse Ausführungsformen für solche Sensoren bekannt, daher wird auf eine ausführliche Erläuterung der Wegmessung an dieser Stelle verzichtet.
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Der erfindungsgemäße Gleichstromlinearantrieb kann durch einen Verriegelungsmechanismus in einer stabilen Parkposition gehalten werden, damit bei Stromabschaltung der Wagen nicht ungebremst auf das Ende des Führungsweges aufläuft. Zu diesem Zweck ist ein schaltbarer Verriegelungsmagnet 14 auf dem Stator, d. h. vorzugsweise auf einem der äußeren Joche 02 befestigt. Diese Befestigung erfolgt in der dargestellten Ausführungsform mittels eines Winkels 15, welcher auf dem äußeren Joch 02 justierbar angeordnet ist. Der Verriegelungsmagnet 14 schaltet einen Stößel 16, er sich bei einer Betätigung quer zur Bewegungsrichtung der Spule 09 bewegt und mit dessen Ende in eine Ausnehmung 17 eingreift, die an einem Teil des Läufers, vorzugsweise am Wagen 08 oder am Adapter 11 vorgesehen ist. Mittels einer Positionsregeleinrichtung, welche mit dem Wegmesssystem zusammen arbeitet, kann der Läufer in die gewünschte Parkposition verfahren werden, bevor der Verriegelungsmagnet 13 betätigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Joch, mittleres
- 02
- Joch, äußeres
- 03
- Schraubstift
- 04
- Permanentmagnet
- 05
- -
- 06
- Leiteinrichtung
- 07
- Führungsstange
- 08
- Wagen
- 09
- Spule
- 10
- -
- 11
- Adapter
- 12
- Wegmesslineal
- 13
- Wegmesssensor
- 14
- Verriegelungsmagnet
- 15
- Winkel
- 16
- Stößel
- 17
- Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4808901 [0003]
- DE 102009018866 A1 [0004]
- DE 102006052364 A1 [0006]
- DE 68909429 T2 [0008]