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DE19605412A1 - Electrodynamic DC linear motor with active braking device - Google Patents

Electrodynamic DC linear motor with active braking device

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Publication number
DE19605412A1
DE19605412A1 DE19605412A DE19605412A DE19605412A1 DE 19605412 A1 DE19605412 A1 DE 19605412A1 DE 19605412 A DE19605412 A DE 19605412A DE 19605412 A DE19605412 A DE 19605412A DE 19605412 A1 DE19605412 A1 DE 19605412A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
active
clamping
linear motor
active element
direct current
Prior art date
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Ceased
Application number
DE19605412A
Other languages
German (de)
Inventor
Michael Voss
Wolfgang Schinkoethe
Ralf Hartramph
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Individual
Original Assignee
Individual
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.)
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Publication date
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Priority to DE19605412A priority Critical patent/DE19605412A1/en
Publication of DE19605412A1 publication Critical patent/DE19605412A1/en
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Abstract

The braking device is an active piezoelectric, magnetostrictive or shape memory element (5) which positions the body (6) of the "rotor" with its coil (2) opposite the fixed magnetic circuit comprising a flux guide (3) and permanent magnet (4) in the housing (1) of the stator. The brake is released automatically as soon as current passes through the motor to generate movement. It reshapes the direction of expansion with transmission of force or motion, and is applied within a very short time of attainment of standstill.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromlinearmotor nach dem elektrodynamischen Wirk­ prinzip. Dieser Motor nutzt die Kraft auf bewegte Ladungen einer bestromten Leiterwick­ lung in einem Magnetfeld. Das Magnetfeld kann dabei entweder von einem Permanent­ magneten oder von einer zweiten stromdurchflossenen Leiterwicklung erzeugt werden. Zur Nutzung der zwischen den beiden Teilsystemen wirkenden Relativkraft ist eines der beiden Teilsysteme (z. B. die bestromte Leiterwicklung) ortsfest und somit Stator, und das andere Teilsystem (im Beispielfall der Permanentmagnet oder eine zweite Leiterwicklung) stellt den bewegten Abtrieb der Anordnung also den Läufer dar.The invention relates to a direct current linear motor according to the electrodynamic effect principle. This motor uses the force on moving loads of an energized conductor wick in a magnetic field. The magnetic field can either be from a permanent magnets or generated by a second current-carrying conductor winding. For Use of the relative force acting between the two subsystems is one of the two subsystems (e.g. the energized conductor winding) stationary and thus stator, and that other subsystem (in the example the permanent magnet or a second conductor winding) represents the moving output of the arrangement so the rotor.

Motoren dieser Bauform weisen keine Selbsthemmung auf. Eine Position kann nach deren Erreichen bei Belastung nur durch einen aktiven Regelkreis mit Meßsystem. Stellglied und Regler gehalten werden. Das bedeutet, daß auch während des Stillstandes des Antriebs eine belastungsabhängige elektrische Leistung der Leiterwicklung zugeführt werden muß. Im Stillstand wird die zugeführte elektrische Energie dabei vollständig in thermische Verlustleistung umgesetzt. Dies führt zur Erwärmung des Motors und wegen der be­ grenzten zulässigen Übertemperatur des Motors letztlich auch zu einer Begrenzung der maximalen Haltekraft des Antriebs.Motors of this design are not self-locking. A position can be based on its Can only be reached under load by an active control loop with measuring system. Actuator and Regulator are held. This means that even when the drive is at a standstill a load-dependent electrical power must be supplied to the conductor winding. At standstill, the electrical energy supplied is completely converted into thermal Power loss implemented. This leads to the heating of the engine and because of the be limit permissible overtemperature of the motor ultimately also to limit the maximum holding force of the drive.

Bekannt sind Gleichstromlinearmotoren, die ein stromloses Halten ermöglichen, indem in den beiden Endpositionen permanente Magnetfelder (DT AS 2229332) oder Streufelder (DT AS 2118101) ausgenutzt werden. Ein stromloses Halten in beliebiger Position ist bei diesen Motoren jedoch nicht möglich. Innerhalb der Endlagen, also im normalen Positio­ nierbetrieb, ist ein Halten der Position auch hier nur über einen aktiven Regelkreis mit den genannten Nachteilen realisierbar.DC linear motors are known which enable currentless holding by in the two end positions permanent magnetic fields (DT AS 2229332) or stray fields (DT AS 2118101) can be used. A currentless stop in any position is with not possible with these motors. Within the end positions, i.e. in the normal position nierbetrieb, holding the position is here only via an active control loop with the mentioned disadvantages realizable.

Bekannt sind andererseits Klemmvorrichtungen aus Schrittmotoren mit mechanischer Klemmung (DD AP 91857) und sogenannten Inchworm-Motoren. Sie dienen dabei der Abstützung der Vorschubbewegung auf der Klemmstelle und der Lagefixierung. Zur Durchführung eines Bewegungsschritts sind zwei Klemmvorgänge notwendig. Der ge­ samte Bewegungsvorgang stellt hierbei im Gegensatz zu der kontinuierlichen Bewegung von elektrodynamischen Gleichstromlinearmotoren eine Aneinanderreihung einer Vielzahl von Einzelschritten dar.On the other hand, clamping devices made of stepper motors with mechanical ones are known Clamping (DD AP 91857) and so-called inchworm motors. They serve the Support of the feed movement on the clamping point and the position fixation. For Performing a movement step requires two clamping processes. The ge The entire movement process contrasts with the continuous movement a series of electrodynamic direct current linear motors of single steps.

Aufgrund der technisch realisierbaren Schrittgröße ist die Vorschubbewegung von Schrittantrieben mit Klemmung sehr langsam und für hochdynamische Positionieraufgaben nicht geeignet. Außerdem haben sie wegen der hohen Zahl von Klemmvorgängen je Bewegungsvorgang nur geringe Standzeiten.Due to the technically feasible step size, the feed movement of  Stepper drives with clamping very slow and for highly dynamic positioning tasks not suitable. They also have each because of the high number of clamping operations Movement process only short downtimes.

Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung ist es, unter Beibehaltung des für hochdyna­ mische Bewegungen sehr vorteilhaften Gleichstromlinearmotorprinzips ein leistungsloses oder extrem leistungsarmes Halten nach Abschluß von kompletten Bewegungsvorgängen in beliebigen Positionen mit hohen Haltekräften zu ermöglichen.The object of the solution according to the invention is to maintain the high dynamic Mix movements very advantageous DC linear motor principle a powerless or extremely poor performance after completing complete movements to enable in any position with high holding forces.

Dieses Problem wird bei dem erfindungsgemäßen elektrodynamischen Gleichstromlinear­ motor mit aktiver Klemmung durch die im Patentanspruch 1 und folgende aufgeführten Merkmale gelöst.This problem becomes linear with the electrodynamic direct current linear according to the invention motor with active clamping by those listed in claim 1 and following Features resolved.

Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist der Einbau einer schaltbaren Bremse, durch die der bewegliche Läufer gegenüber dem feststehenden Stator festlegbar ist. Ein sehr schnell ansprechendes Bauelement in dieser Bremse gestattet es, nach Abschluß der Bewegung die Bewegung bis zu einem erneuten Positionswechsel zu behindern oder vollständig zu blockieren.The basic idea of the solution according to the invention is the installation of a switchable brake, through which the movable rotor can be fixed relative to the fixed stator. On very quickly responsive component in this brake allows, after completing the Movement to hinder the movement until a new change of position or to block completely.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors besteht entsprechend Patentanspruch 2 darin, daß die Bestromung des Motors zur Bewegungs­ erzeugung gleichzeitig das Lösen der Bremse bewirkt, und im stromlosen Zustand die Bremse festgesetzt ist.There is an advantageous embodiment of the DC linear motor according to the invention according to claim 2 in that the energization of the motor for movement generation simultaneously releases the brake, and in the de-energized state Brake is set.

Ein erfindungsgemäßer Gleichstromlinearmotor besteht nach den Ansprüchen 3 und 4 beispielsweise aus einem ersten Teilsystem mit daran befestigter Spule und einem zweiten Teilsystem mit einem magnetischen Kreis aus mindestens einem Permanent­ magneten, einem magnetischen Rückschluß und einem Gehäuse, zwischen denen sich bin geringer Luftspalt befindet, und jedes dieser Teilsysteme den bewegten Abtrieb und damit den Läufer bilden kann, wobei das andere Teilsystem dann den feststehenden Stator darstellt.A direct current linear motor according to the invention exists according to claims 3 and 4 for example from a first subsystem with a coil attached to it and one second subsystem with a magnetic circuit of at least one permanent magnets, a magnetic yoke and a housing, between which there are am small air gap, and each of these subsystems the moving output and so that the runner can form, the other subsystem then the fixed one Represents stator.

Die Bremse enthält entsprechend Ansprüchen 5 und 6 zur Festsetzung des Läufers beispielsweise ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Element bzw. ein Element aus einer Formgedächtnislegierung, wobei die Dehnung bzw. Kontraktion des piezoelek­ trischen oder magnetostriktiven Elements bzw. des Elements aus Formgedächtnislegie­ rung (im weiteren als aktives Element bezeichnet) im Stillstand innerhalb sehr kurzer Zeit eine durch reibschlüssige oder formschlüssige Klemmung des Läufers relativ zum orts­ festen Stator in beliebigen Positionen leistungsfrei oder mit verminderter Leistung erfolgt. The brake contains according to claims 5 and 6 for fixing the rotor for example a piezoelectric or magnetostrictive element or an element from a shape memory alloy, the expansion or contraction of the piezoelectric trical or magnetostrictive element or the element from shape memory alloy tion (hereinafter referred to as the active element) at a standstill within a very short time one by frictional or positive locking of the runner relative to the location fixed stator in any position without power or with reduced power.  

Während ein Blockieren durch Formschluß, beispielsweise durch in Bewegungsrichtung wirkende Hinterschneidungen, nur in diskreten Intervallen oder Schritten erfolgen kann, wird bei einer Klemmung durch flächigen Reibschluß die erreichbare Position nicht beein­ flußt. Die Klemmung kann dabei entsprechend der Ausführung nach Anspruch 7 direkt durch Dehnung bzw. Kontraktion eines aktiven Elementes senkrecht zur Berührungsfläche also in Richtung der Flächennormalen oder entsprechend der Ausgestaltung nach An­ spruch 8 und 9 durch Umformen der Dehnungsrichtung und zusätzliche Kraft- bzw. Wegübersetzung realisiert werden.During blocking by positive locking, for example by moving effective undercuts can only be done in discrete intervals or steps, the position attainable is not affected by a clamping by flat friction flows. The clamping can directly according to the embodiment of claim 7 by stretching or contraction of an active element perpendicular to the contact surface So in the direction of the surface normal or according to the design according to An say 8 and 9 by reshaping the direction of expansion and additional force or Path translation can be realized.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors besteht entsprechend Anspruch 10 darin, daß ein aktives Element aus magnetostriktivem Material so in die Antriebsspule des Gleichstromlinearmotors integriert ist, daß das Magnetfeld der bestromten Antriebsspulen selbst die Dehnung des aktiven Elements bewirkt und die Klemmung des bewegten zum ortsfesten Teils während der Bewegung dadurch freigibt und im stromlosen Zustand die Klemmung zwangsläufig wieder schließt.There is a further embodiment of the direct current linear motor according to the invention according to claim 10 in that an active element made of magnetostrictive material is so integrated in the drive coil of the DC linear motor that the magnetic field of the energized drive coils themselves causes the expansion of the active element and the Clamping the moving part to the stationary part during the movement thereby releases and in the de-energized state the clamp inevitably closes again.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors bestehen entsprechend Anspruch 11 in der Ausnutzung von Stellstrom bzw. -spannung zur Ansteuerung des aktiven Elementes der Klemmung durch geeigneten Anschluß an die Antriebsspule über eine Gleichrichterbrücke, so daß unabhängig von der Stromrichtung in der Antriebsspule bei Stromfluß die Klemmung stets gelöst und ohne Stromfluß stets geschlossen ist. Während der Bewegung wird der Abtrieb dadurch zwangsläufig freigege­ ben und nach Abschluß der Bewegung zwangsläufig wieder festgesetzt.Further advantageous refinements of the direct current linear motor according to the invention exist in accordance with claim 11 in the use of actuating current or voltage to control the active element of the clamp by suitable connection to the Drive coil over a rectifier bridge, so that regardless of the current direction in the drive coil always loosened the clamp with current flow and always without current flow closed is. This inevitably releases the downforce during the movement ben and inevitably fixed again after completion of the movement.

Diese zusätzliche temporär wirkende aktive Klemmvorrichtung innerhalb des Motors ermöglicht es so, eine beliebige Position auch unter Belastung ohne oder mit verminderter Verlustleistung zu halten und dabei hohe Haltekräfte zu erzeugen.This additional temporary active clamping device inside the motor thus enables any position even under load without or with reduced Holding power loss and generating high holding forces.

Ausführungsbeispiele der Anordnungen werden in den beigefügten Zeichnungen (Fig. 1 bis 6) näher beschrieben. Es stellen dar:Embodiments of the arrangements are described in more detail in the accompanying drawings ( FIGS. 1 to 6). They represent:

Fig. 1 einen rotationssymmetrisch aufgebauten Gleichstromlinearmotor mit einem piezoelektrischen Rohr zur Klemmung des bewegten Innenteils. Ausgenutzt wird die Vergrößerung des Rohrinnendurchmessers durch die Dehnung des Piezomaterials in Umfangsrichtung. Fig. 1 shows a rotationally symmetrical DC linear motor with a piezoelectric tube for clamping the moving inner part. The enlargement of the inner tube diameter is exploited by the expansion of the piezo material in the circumferential direction.

Fig. 2 einen rotationssymmetrisch aufgebauten Gleichstromlinearmotor mit einem piezoelektrischen Rohr zur Klemmung des bewegten Innenteils. Ausgenutzt wird die Dehnung des Piezorohrs in Achsrichtung, die über ein elastisch verformbares Element das Innenteil klemmt. Fig. 2 shows a rotationally symmetrical DC linear motor with a piezoelectric tube for clamping the moving inner part. The expansion of the piezo tube in the axial direction, which clamps the inner part via an elastically deformable element, is used.

Fig. 3 einen rotationssymmetrisch aufgebauten Gleichstromlinearmotor mit einem Rohr aus magnetostriktivem Material im homogenen Feldbereich der An­ triebsspule. Fig. 3 is a rotationally symmetrical DC linear motor with a tube made of magnetostrictive material in the homogeneous field area of the drive coil.

Fig. 4 vergrößerte Darstellung einer Bauform des Zwischenelements zur mecha­ nischen Gleichrichtung einer vorzeichenbehafteten Dehnung, beispiels­ weise eines vorgespannten magnetostriktiven Materials. Fig. 4 enlarged view of a design of the intermediate element for mechanical rectification of a signed elongation, for example, a biased magnetostrictive material.

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Ansteuerschaltung der Antriebsspule und der Ansteuerung der Klemmeinrichtung mit einem piezoelektrischen aktiven Element. Fig. 5 is a block diagram of the control circuit of the drive coil and the control of the clamping device with a piezoelectric active element.

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Ansteuerschaltung der Antriebsspule und der Ansteuerung der Klemmeinrichtung mit einem aktiven Element aus einer Formgedächtnislegierung. Fig. 6 is a block diagram of the control circuit of the drive coil and the control of the clamping device with an active element made of a shape memory alloy.

Die drei dargestellten Ausführungsvarianten nach Fig. 1 bis 4 bestehen aus zwei relativ zueinander beweglichen Teilsystemen, deren Relativbewegung durch unterschiedlich ausgeführte Klemmstellen gemäß den Patentansprüchen 6 bis 9 unterbunden bzw. behindert werden kann. In den dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt der Abtrieb des Motors über das aus dem Körper (6) und der Spule (2) bestehende bewegte Teilsystem 1 (Innenteile-Läufer). Das feststehende Teilsystem 2 (Außenteile-Stator) des Motors ist ortsfest. Der Körper (6) des Läufers ist ein in Bewegungsrichtung des Motors lang ausge­ dehntes Bauelement, dessen senkrecht zur Bewegungsachse liegender Querschnitt in den dargestellten Beispielen auf der Abtriebsseite über die Bewegungslänge des Motors hinaus verjüngt ist.The three illustrated embodiment variants according to FIGS. 1 to 4 consist of two subsystems which are movable relative to one another, the relative movement of which can be prevented or hindered by differently designed clamping points according to patent claims 6 to 9. In the exemplary embodiments shown, the motor is driven via the moving subsystem 1 (inner part rotor) consisting of the body ( 6 ) and the coil ( 2 ). The fixed subsystem 2 (outer parts stator) of the motor is stationary. The body ( 6 ) of the rotor is a component which is elongated in the direction of movement of the motor, the cross section of which is perpendicular to the axis of movement and is tapered on the output side beyond the length of movement of the motor in the examples shown.

Am gegenüberliegenden Ende besitzt der Körper (6) eine in Bewegungsrichtung über den Bewegungsbereich des Motors ausgedehnte Nut zur Aufnahme einer solenoidförmigen Spule (2). Zwischen der Nut und der von der Abtriebsseite abgewandten Stirnseite des Körpers (6) bleibt ein schmaler Bund zur Fixierung der Spule in Bewegungsrichtung stehen. Die Außenkontur der in die Nut eingebrachten Spule ist gegenüber der maximalen Ausdehnung des Körpers (6) senkrecht zur Bewegungsachse minimal zurückgesetzt. Auf der Spulenseite besitzt der Körper (6) eine stirnseitige, koaxial zur Spulen-Nut-Geometrie eingebrachte Bohrung deren Tiefe größer ist als die Nutbreite einschließlich des stirnsei­ tig verbliebenen Bundes. Die zwischen Bohrung und Nutgrund befindliche Wand ist sehr dünn ausgeführt.At the opposite end, the body ( 6 ) has a groove extending in the direction of movement over the range of movement of the motor for receiving a solenoid-shaped coil ( 2 ). Between the groove and the end face of the body ( 6 ) facing away from the driven side, a narrow collar remains for fixing the coil in the direction of movement. The outer contour of the coil inserted into the groove is minimally set back from the maximum extension of the body ( 6 ) perpendicular to the axis of movement. On the coil side, the body ( 6 ) has an end-side bore which is made coaxially with the coil-slot geometry and whose depth is greater than the slot width, including the collar which remains on the front side. The wall between the hole and the bottom of the groove is very thin.

Der Bereich des maximalen Querschnitts des Körpers (6) bildet die Kontur der Führungs­ fläche zum Teilsystem 2. Über den Bewegungsbereich bleibt der Querschnitt des Körpers (6) konstant.The area of the maximum cross section of the body ( 6 ) forms the contour of the guide surface to the subsystem 2nd The cross section of the body ( 6 ) remains constant over the range of motion.

In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 ist der Querschnitt des Körpers (6) identisch mit der Innenkontur des Führungs- und aktiven Elements (5). Die Länge des Führungsbereichs von (6) beträgt mindestens die Länge des Teils (5) zuzüglich des maximalen Motorhubes.In the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2, the cross section of the body ( 6 ) is identical to the inner contour of the guiding and active element ( 5 ). The length of the guide area of ( 6 ) is at least the length of part ( 5 ) plus the maximum engine stroke.

Das Element (5), das gleichzeitig entweder wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Führungs- und aktives Element oder wie nach Fig. 2 nur ein aktives Element darstellt, ist fest im Gehäuse (1) eingebaut. Das Gehäuse dient als Trägerelement der Bauteile des zweiten Teilsystems und besteht aus magnetisch nichtleitendem Material. Es umschließt den Motor allseitig mit Ausnahme der Abtriebsseite, an der der Körper (6) einen ver­ minderten Querschnitt aufweist. Die Innenform des Gehäuses (1) entspricht der Außen­ kontur des Führungs- und aktiven Elements (5). An der der Abtriebsseite gegenüberlie­ genden geschlossenen Seite des Gehäuses (1) befindet sich ein topfförmiges Flußleitstück (3), das sich in Längsrichtung über den gesamten Spulenbereich erstreckt. Das Flußleit­ stück (3) besteht aus magnetisch gut leitendem Material und dient der Flußführung. Zusammen mit den in die Bohrung des Körpers (6) ragenden Permanentmagneten (4) und einem in Richtung des Bohrungsgrundes aufgesetzten Polschuh bildet das Flußleitstück (3) einen permanenterregten magnetischen Kreis. Zwischen dem Flußleitstück (3) und der Spule (2) beziehungsweise dem Körper ist ein geringer Luftspalt vorhanden, so daß keine Berührung stattfindet.The element ( 5 ), which is either a guide and active element as in the exemplary embodiment according to FIG. 1 or only an active element as shown in FIG. 2, is permanently installed in the housing ( 1 ). The housing serves as a carrier element of the components of the second subsystem and consists of magnetically non-conductive material. It encloses the motor on all sides with the exception of the driven side, on which the body ( 6 ) has a reduced cross section. The inner shape of the housing ( 1 ) corresponds to the outer contour of the guide and active element ( 5 ). On the driven side opposite lying side of the housing ( 1 ) there is a cup-shaped flux guide ( 3 ) which extends in the longitudinal direction over the entire coil area. The Flußleit piece ( 3 ) consists of magnetically good conductive material and serves to guide the flow. Together with the permanent magnets ( 4 ) protruding into the bore of the body ( 6 ) and a pole piece placed in the direction of the base of the bore, the flux guide ( 3 ) forms a permanently excited magnetic circuit. There is a small air gap between the flux guide ( 3 ) and the coil ( 2 ) or the body so that there is no contact.

Bei der Ausführung der Klemmung gemäß Fig. 1 befindet sich zwischen dem Flußleit­ stück (3) und dem Führungs- und aktiven Element (5) eine Distanzhülse (8) mit einer gewissen Nachgiebigkeit, die ebenfalls Führungsaufgaben übernehmen kann. Die drei Bauteile (8), (5) und (3) werden im Gehäuse (1) über eine Spannmutter (7) in Richtung der Bewegungsachse vorgespannt. Berührung zum Körper (6) findet an der Innenfläche des Führungs- und aktiven Elementes (5) und an weiteren Teilen mit Führungsaufgaben, wie beispielsweise der Distanzhülse (8) statt. Das Führungs- und aktive Element (5) besteht bei dieser Variante der Klemmung aus einem piezoelektrischen Tubus mit stirnseitigen Elektroden. Durch Anlegen einer Spannung an den entsprechend polarisierten und axial vorgespannten Piezowerkstoff findet eine Volumenänderung statt, die als Transversal­ effekt zur Aufweitung der Innenform und dadurch zum Lösen des Reibschlusses mit dem Körper (6) führt. Im spannungsbeaufschlagten Zustand kann das Teilsystem 1 eingebaut bzw. relativ zum Teilsystem 2, bestehend aus den Bauteilen (1), (3), (4), (5), (7) und (8) bewegt werden. Die Spannung bleibt bis zum Ende des Bewegungsvorgangs angelegt. Nach Abschalten der Spannung zieht sich die Innenform wieder auf das ursprüngliche Maß zusammen, wodurch das Teilsystem 1 im Führungs- bzw. aktiven Element (5) geklemmt wird. Klemmung findet also im elektrisch spannungsfreien Zustand des aktiven Elementes und damit energiefrei statt.In the embodiment of the clamp according to Fig. 1 is located between the Flußleit piece (3) and the guiding and active element (5) has a spacer sleeve (8) having a certain resilience, which can also take over management tasks. The three components ( 8 ), ( 5 ) and ( 3 ) are preloaded in the housing ( 1 ) via a clamping nut ( 7 ) in the direction of the axis of movement. Contact with the body ( 6 ) takes place on the inner surface of the guiding and active element ( 5 ) and on other parts with guiding tasks, such as the spacer sleeve ( 8 ). The guide and active element ( 5 ) in this variant of the clamping consists of a piezoelectric tube with front electrodes. By applying a voltage to the correspondingly polarized and axially pre-stressed piezo material, a volume change takes place which, as a transverse effect, leads to the expansion of the inner shape and thereby to the release of the frictional engagement with the body ( 6 ). When the voltage is applied, the subsystem 1 can be installed or moved relative to the subsystem 2 consisting of the components ( 1 ), ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ), ( 7 ) and ( 8 ). The tension remains applied until the end of the movement process. After switching off the voltage, the inner shape contracts again to the original dimension, whereby the subsystem 1 is clamped in the guide or active element ( 5 ). Clamping therefore takes place in the electrically voltage-free state of the active element and thus free of energy.

In Fig. 2 wird an Stelle der Distanzhülse (8) ein Verformungskörper (9) zwischen dem aktiven Element (5) und dem Flußleitstück (3) eingebaut. Auch dieser Verformungskörper übernimmt zusätzlich Führungsaufgaben. Durch die in Bewegungsrichtung aufgebrachte Vorspannkraft wird einerseits das aktive piezoelektrische Element (5) mechanisch vor­ gespannt, andererseits wird der Verformungskörper (9) elastisch verformt und weitet sich dadurch senkrecht zur Bewegungsrichtung auf. Teilsystem 1 ist somit geklemmt. Das Anlegen einer entsprechend gepolten Spannung an das piezoelektrische aktive Element (5) führt nun bei richtiger Polung zu einer Kontraktion des aktiven Elements (5) in Bewe­ gungsrichtung. Dadurch wird der Verformungskörper (9) entlastet und die Klemmung freigegeben. Das aktive piezoelektrische Element (5) wird hierbei entweder hinsichtlich des Transversaleffektes ausgenutzt, in diesem Fall liegen die Elektroden an den Zylinder­ flächen außen und innen, so daß die Innenfläche keine zusätzlichen Führungsaufgaben übernimmt. Anderseits kann das aktive piezoelektrische Element (5) auch hinsichtlich seines Longitudinaleffektes ausgenutzt werden, die Elektroden sind dann stirnseitig angeordnet.In Fig. 2, a deformation body ( 9 ) is installed between the active element ( 5 ) and the flux guide ( 3 ) instead of the spacer sleeve ( 8 ). This deformation body also takes on additional management tasks. Due to the biasing force applied in the direction of movement, on the one hand the active piezoelectric element ( 5 ) is mechanically pre-tensioned, on the other hand the deformation body ( 9 ) is elastically deformed and thereby expands perpendicular to the direction of movement. Subsystem 1 is thus clamped. Applying a correspondingly polarized voltage to the piezoelectric active element ( 5 ) now leads to a contraction of the active element ( 5 ) in the direction of movement with correct polarity. This relieves the deformation body ( 9 ) and releases the clamping. The active piezoelectric element ( 5 ) is used either with regard to the transverse effect, in this case the electrodes on the cylinder surfaces outside and inside, so that the inner surface does not take on any additional management tasks. On the other hand, the active piezoelectric element ( 5 ) can also be used with regard to its longitudinal effect; the electrodes are then arranged on the end face.

Notwendige Isolationen sind in den Bildern generell nicht dargestellt, sie müssen ent­ sprechend den in den jeweiligen Anwendungsfällen zulässigen Potentialen zusätzlich eingebracht werden.Necessary isolations are generally not shown in the pictures, they have to be removed corresponding to the potentials permitted in the respective applications be introduced.

Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 und 4 wird das Teilsystem 1 mittels einer Gleitführungsbuchse (10) geführt. Diese Gleitführungsbuchse (10) wird in das Gehäuse (1) eingepreßt. Als aktives Element der Klemmung wird ein Hohlzylinder aus magnetostrikti­ vem Material (13) verwendet. Der Hohlzylinder wird in der Bohrung des Körpers (6) in Bewegungsrichtung vorgespannt. Zwischen Bohrungsgrund und Hohlzylinder (13) befindet sich hierzu eine Distanzhülse (12) und auf der anderen Seite des Hohlzylinders eine Schalthülse (14) mit einer innenliegenden, senkrecht zur Bewegungsachse verlaufenden Nockengeometrie, die als beidseitig wirkender Keil gestaltet ist. Der Kraftfluß wird über ein sich in Bewegungsrichtung anschließendes Tellerfederpaket (15) und eine eingeschraubte Spannmutter (11) geschlossen. Die Spannmutter (11) besitzt einen Klemmbund, der in die Schalthülse (14) ragt und der im Bereich des Schaltnockens linsenförmig erweitert ist, so daß nach außen Berührung zum Schaltnocken und nach innen Berührung zum Teilsystem 2 stattfindet. Die Geometrie des Schaltnockens und des Klemmbundes ist dabei so ausgelegt, daß in der Stellung, in der die sich die linsenförmige Aufweitung des Klemm­ bundes am höchsten Punkt der Nocke befindet, der Klemmbund senkrecht zur Bewe­ gungsrichtung nach innen verformt wird, und Klemmung zwischen Teilsystem 1 und 2 stattfindet.In the embodiment according to Fig. 3 and 4, the subsystem 1 is guided by means of a Gleitführungsbuchse (10). This sliding guide bush ( 10 ) is pressed into the housing ( 1 ). A hollow cylinder made of magnetostrictive material ( 13 ) is used as the active element of the clamping. The hollow cylinder is biased in the direction of movement in the bore of the body ( 6 ). Between the bottom of the bore and the hollow cylinder ( 13 ) there is a spacer sleeve ( 12 ) and on the other side of the hollow cylinder there is a switching sleeve ( 14 ) with an internal cam geometry that runs perpendicular to the axis of movement and is designed as a wedge that acts on both sides. The power flow is closed via a plate spring assembly ( 15 ) which adjoins in the direction of movement and a screwed clamping nut ( 11 ). The clamping nut ( 11 ) has a clamping collar which protrudes into the switching sleeve ( 14 ) and which is widened in the form of a lens in the area of the switching cam, so that contact to the switching cam and contact to subsystem 2 take place from the inside. The geometry of the switching cam and the clamping collar is designed so that in the position in which the lenticular widening of the clamping collar is located at the highest point of the cam, the clamping collar is deformed inwards perpendicular to the direction of movement, and clamping between subsystem 1 and 2 takes place.

Durch Anlegen einer Spannung und Treiben eines Stroms durch die Spule (2) wird sich bei entsprechender Dimensionierung der Spule der magnetostriktive Hohlzylinder (13) je nach Feldrichtung in Bewegungsrichtung dehnen oder zusammenziehen. Bei beiden Verformun­ gen ändert sich die Position der Schalthülse, so daß der Klemmbund an der Spannmutter (11) auffedert und die Klemmung freigeben wird. Die oben genannte Spannung bzw. der Strom stellen die für die Motorbewegung sorgende Spannung bzw. den Strom dar, also keine zusätzliche Steuerspannung bzw. zusätzlichen Steuerstrom. Das Lösen der Klem­ mung findet somit automatisch nur während der Bewegung statt. Nach Abschalten des Spulenstroms erfolgt sofort wieder eine Klemmung. Die Klemmung erfolgt dabei energie­ frei.By applying a voltage and driving a current through the coil ( 2 ), the magnetostrictive hollow cylinder ( 13 ) will expand or contract in the direction of movement depending on the direction of the field if the coil is dimensioned accordingly. In both deformations, the position of the switching sleeve changes so that the clamping collar on the clamping nut ( 11 ) springs open and the clamping is released. The above-mentioned voltage or current represents the voltage or current which provides for the motor movement, that is to say no additional control voltage or additional control current. The release of the clamping takes place automatically only during the movement. After the coil current has been switched off, clamping is carried out again immediately. The clamping is energy-free.

Anstelle des magnetostriktiven Materials könnte das aktive Element (13) bei dieser Aus­ führung auch aus piezoelektrischen Material bestehen, das so polarisiert ist, daß beim Anlegen einer Spannung die gleichen Dehnungen wie beim magnetostriktiven Material auftreten.Instead of the magnetostrictive material, the active element ( 13 ) could also consist of piezoelectric material in this embodiment, which is so polarized that the same strains occur as with the magnetostrictive material when a voltage is applied.

Die Lösungen nach Fig. 1 bis 4 können sowohl mit separat angesteuerter Klemmvor­ richtung als auch mit über den Spulenstrom gesteuerter Klemmung betrieben werden. Bei Betrieb über den Spulenstrom ist eine stromrichtungsunabhängige Ausgestaltung der Anordnung vorzusehen. Dies kann entweder durch die Gestaltung der mechanischen Komponenten gemäß Fig. 3 und 4 erfolgen, die sowohl beim Dehnen als auch beim Zusammenziehen des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Materials die Klemmung freigibt und nur im stromlosen Zustand klemmt oder bei piezoelektrischer Klemmung auch durch Zwischenschalten von Gleichrichtern (z. B. einer Graetz-Gleichrichterstufe) zwi­ schen Spule und Piezoelement realisiert werden.The solutions according to FIGS. 1 to 4 can be operated both with separately controlled Klemmvor direction and with the clamping current controlled via the coil current. When operating via the coil current, a configuration of the arrangement that is independent of the current direction must be provided. This can be done either by the design of the mechanical components according to FIGS. 3 and 4, which releases the clamping both when stretching and when contracting the piezoelectric or magnetostrictive material and only clamps in the de-energized state, or in the case of piezoelectric clamping also by interposing rectifiers (e.g. A Graetz rectifier stage) between the coil and the piezo element.

An Stelle der piezoelektrischen aktiven Elemente (5) bzw. des magnetostriktiven aktiven Elementes (13) können auch aktive Elemente auf thermischer Basis, beispielsweise aktive Elemente aus Formgedächtnislegierung eingesetzt werden, die bei Überschreiten bzw. Unterschreiten von Schalttemperaturen sehr schnell ihre Form ändern. Diese Form­ änderung wird dann in gleicher Weise mit gleichem Aufbau zur Realisierung der Klem­ mung ausgenutzt.Instead of the piezoelectric active elements ( 5 ) or the magnetostrictive active element ( 13 ) it is also possible to use active elements on a thermal basis, for example active elements made of shape memory alloy, which change their shape very quickly when the switching temperatures are exceeded or fallen below. This change in shape is then used in the same way with the same structure for realizing the clamping.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele für die Ansteuerung der Klemmelemen­ te zu den oben dargestellten bzw. beschriebenen Ausführungsbeispielen als Blockschalt­ bild. FIGS. 5 and 6 show embodiments for the control of the Klemmelemen te to the illustrated and above-described embodiments, as a block diagram.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für die Ansteuerung der Klemmung mit piezoelek­ trischen aktiven Elementen dargestellt. Um eine Klemmung bei Stillstand und ein Lösen der Klemmeinrichtung bei Bestromung der Motorspule zu realisieren, wird in dieser Variante eine Ansteuerung der Motorspule mit einem pulsbreitenmodulierten Servover­ stärker vorgeschlagen.In Fig. 5 an embodiment for controlling the clamping with piezoelectric active elements is shown. In order to realize a clamping at standstill and a release of the clamping device when the motor coil is energized, a control of the motor coil with a pulse-width-modulated servo is proposed more strongly in this variant.

Die pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung des Servoverstärkers wird zum einen der Motorspule zugeführt und zum anderen einer Gleichrichterbrücke, z. B. einer Graetz- Schaltung. Diese wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die hier­ durch erzeugte Gleichspannung liegt direkt am Piezoelement an. Da die Wechselspan­ nungsamplitude des Servoverstärkers konstant ist, steht über die Gleichrichtung und eine Glättung immer eine konstante Gleichspannung zur Ansteuerung der Klemmeinrichtung zur Verfügung. Die Kapazität des Piezoelementes wirkt hierbei als Glättungskondensator. Durch Parallelschaltung von Kondensatoren läßt sich der Brummspannungsanteil weiter verringern, verschlechtern sich aber gleichzeitig die dynamischen Eigenschaften der Klemmeinrichtung.The pulse width modulated output voltage of the servo amplifier becomes one of the Motor coil supplied and the other a rectifier bridge, for. B. a Graetz Circuit. This converts the AC voltage into a DC voltage. The one here generated by direct voltage is directly on the piezo element. Since the AC chip voltage amplitude of the servo amplifier is constant, stands above the rectification and a Smoothing always a constant DC voltage to control the clamping device to disposal. The capacitance of the piezo element acts as a smoothing capacitor. The ripple voltage component can be further increased by connecting capacitors in parallel decrease, but at the same time the dynamic properties of the Clamping device.

Bei nichtsymmetrisch arbeitenden 4-Quadrantenpulsstellern besitzt die pulsbreitenmodu­ lierte Spannung jeweils nur eine Polarität gegenüber Masse, d. h. sie ist entweder positiv oder negativ gerichtet, und der Integralwert der Wechselspannung entspricht damit dem Betrag der Gleichspannung. Ohne Zusatzmaßnahmen ist die Servoverstärkerausgangs­ spannung dadurch im Ruhezustand gleich Null und diese Pulsstellervariante ohne Ein­ schränkung nutzbar.With 4-quadrant pulse adjusters that operate asymmetrically, the pulse width modul has voltage only one polarity to ground, i. H. it is either positive or negative direction, and the integral value of the AC voltage corresponds to that Amount of DC voltage. The servo amplifier output is without additional measures voltage is therefore zero in the idle state and this pulse regulator variant without on restriction usable.

Wird ein 4-Quadrantenpulssteller mit symmetrischer Pulsbreitenmodulation eingesetzt, steht eine zur Masse symmetrische, pulsbreitenmodulierte Wechselspannung zur Verfü­ gung, deren Integralwert einer positiven bzw. negativen effektiven Gleichspannung entspricht. In diesem Fall muß dafür gesorgt werden, daß die Ausgangswechselspannung bei Stillstand des Motorsystems zu Null wird, beispielsweise durch Abschalten des Servo­ verstärkers in der Zielposition. If a 4-quadrant pulse controller with symmetrical pulse width modulation is used, there is a pulse width modulated AC voltage that is symmetrical to the ground supply, the integral value of a positive or negative effective DC voltage corresponds. In this case it must be ensured that the AC output voltage when the motor system is at a standstill, for example by switching off the servo amplifier in the target position.  

Ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuerung eines thermisch arbeitenden aktiven Elemen­ tes, z. B. aus Formgedächtnislegierung, zeigt Fig. 6, wobei als Stellglied ein analoger Servoverstärker zum Einsatz kommt.An embodiment of a control of a thermally operating active elemen tes, for. B. from shape memory alloy, shows Fig. 6, wherein an actuator is used as an analog servo amplifier.

Das thermisch arbeitende aktive Element wird beispielsweise direkt als elektrischer Widerstand (R1 oder R2) in den Motorstromkreis geschaltet und heizt sich dabei direkt durch den Spulenstrom auf. Eine indirekte Erwärmung über Heizdrähte, die dann die elektrischen Widerstände darstellen und in den Motorstromkreis eingeschaltet werden, ist ebenfalls möglich. Die Heizdrähte könnten beispielsweise um das aktive Element aus einer Formgedächtnislegierung gewickelt werden.The thermally working active element is, for example, directly as an electrical Resistor (R1 or R2) is connected to the motor circuit and heats up directly through the coil current. Indirect heating via heating wires, which then the represent electrical resistances and are switched into the motor circuit also possible. The heating wires could, for example, around the active element from a Shape memory alloy can be wrapped.

Claims (11)

1. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung mit einem fest­ stehenden Stator und einem beweglichen Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Läufer gegenüber dem feststehenden Stator durch eine schaltbare Bremse festlegbar ist.1. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping with a fixed stator and a movable rotor, characterized in that the movable rotor can be fixed relative to the fixed stator by a switchable brake. 2. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patent­ anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung des Motors zur Bewe­ gungserzeugung gleichzeitig das Lösen der Bremse bewirkt, und im stromlosen Zustand die Bremse festgesetzt ist.2. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to patent Claim 1, characterized in that the energization of the motor for movement generation simultaneously causes the brake to be released, and in the de-energized state Condition the brake is locked. 3. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patent­ anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor aus einem ersten Teilsystem mit einem Körper (6) und daran befestigter Spule (2) und einem zweiten Teilsystem mit einem magnetischen Kreis aus mindestens einem Permanentmagne­ ten (4), einem Flußleitstück (3) als magnetischen Rückschluß und einem Gehäuse (1) besteht.3. Electrodynamic DC linear motor with active clamping according to claim 1, characterized in that the DC motor from a first subsystem with a body ( 6 ) and attached coil ( 2 ) and a second subsystem with a magnetic circuit from at least one permanent magnet ( 4th ), a flux guide ( 3 ) as a magnetic yoke and a housing ( 1 ). 4. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patent­ anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilsystemen ein geringer Luftspalt besteht, und jedes dieser Teilsysteme den bewegten Abtrieb und damit den Läufer bilden kann, wobei das andere Teilsystem dann den feststehenden Stator darstellt.4. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to patent Claim 1 and 3 characterized in that between the subsystems there is little air gap, and each of these subsystems the moving output and so that the runner can form, the other subsystem then the fixed one Represents stator. 5. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patent­ ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse zur Festsetzung des Läufers ein piezoelektrisches (5) oder magnetostriktives (13) aktives Element bzw. ein Element aus einer Formgedächtnislegierung enthält, das sowohl Führungs- als auch aktives Element ist.5. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to claims 1 and 4, characterized in that the brake for fixing the rotor contains a piezoelectric ( 5 ) or magnetostrictive ( 13 ) active element or an element made of a shape memory alloy, which contains both guide as well as an active element. 6. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patent­ ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnung bzw. Kontraktion des piezoelektrischen (5) oder magnetostriktiven (13) aktiven Elements bzw. des Ele­ ments aus Formgedächtnislegierung (im weiteren als aktives Element bezeichnet) im Stillstand innerhalb sehr kurzer Zeit eine durch reibschlüssige oder formschlüssige Klemmung des Läufers relativ zum ortsfesten Stator in beliebigen Positionen lei­ stungsfrei oder mit verminderter Leistung erfolgt. 6. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to claims 1 and 5, characterized in that the expansion or contraction of the piezoelectric ( 5 ) or magnetostrictive ( 13 ) active element or the ele ment of shape memory alloy (hereinafter referred to as the active element ) at a standstill within a very short time a friction-free or form-fitting clamping of the rotor relative to the stationary stator in any position without performance or with reduced performance. 7. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patent­ ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element direkt zu dem relativ zum aktiven Element bewegten Körper (6) eine Berührungsfläche aufweist, die durch Dehnung bzw. Kontraktion des aktiven Elements in Richtung der Flächennor­ malen die Klemmung realisiert.7. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to claims 1 and 6, characterized in that the active element directly to the body moved relative to the active element ( 6 ) has a contact surface which by expansion or contraction of the active element in the direction of Flat norm paint the clamping realized. 8. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patent­ ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aktivem Element (5 oder 13) und den relativ dazu bewegten Bauteilen ein oder mehrere mechanische Bauteile (9 bzw. 11 und 14) eingebaut sind, die eine nicht in Richtung der Flächennormalen der Klemmstelle gerichtete Dehnung des aktiven Elements in eine Bewegung in Richtung der Flächennormalen der Berührungsflächen umsetzen.8. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to claims 1 and 6, characterized in that one or more mechanical components ( 9 or 11 and 14 ) are installed between the active element ( 5 or 13 ) and the components moving relative thereto convert an extension of the active element not directed in the direction of the surface normal of the clamping point into a movement in the direction of the surface normal of the contact surfaces. 9. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patent­ ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aktivem Element (5 oder 13) und den relativ dazu bewegten Bauteilen ein oder mehrere mechanische Bauteile (9 bzw. 11 und 14) eingebaut sind, die entsprechend ihrer Gestaltung eine Kraft- oder eine Wegübersetzung bewirken.9. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to claims 1 and 8, characterized in that one or more mechanical components ( 9 or 11 and 14 ) are installed between the active element ( 5 or 13 ) and the components moving relative thereto, the effect a force or path translation according to their design. 10. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patent­ ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktives Element aus magnetostriktivem Material (13) so in die Antriebsspule (2) des Gleichstromlinear­ motors integriert ist, daß das Magnetfeld der bestromten Antriebsspulen (2) selbst die Dehnung des aktiven Elements (13) bewirkt und die Klemmung des bewegten zum ortsfesten Teils während der Bewegung dadurch freigibt und im stromlosen Zustand die Klemmung zwangsläufig wieder schließt.10. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to claims 1 to 6 and 7 or 8, characterized in that an active element made of magnetostrictive material ( 13 ) is integrated into the drive coil ( 2 ) of the direct current linear motor so that the magnetic field is energized Drive coils ( 2 ) itself causes the expansion of the active element ( 13 ) and thereby releases the clamping of the moving part to the stationary part during the movement and in the currentless state inevitably closes the clamping again. 11. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patent­ anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element der Bremse, das zur Klemmung dient, elektrisch über eine Gleichrichterbrücke so an die Antriebsspule angeschlossen ist, daß unabhängig von der Stromrichtung in der Antriebsspule bei Stromfluß die Klemmung stets gelöst und ohne Stromfluß stets geschlossen ist.11. Electrodynamic direct current linear motor with active clamping according to patent Claim 1 and 2, characterized in that the active element of the brake, the serves for clamping, electrically to the drive coil via a rectifier bridge is connected that regardless of the direction of current in the drive coil Current flow the clamp is always released and is always closed without current flow.
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