DE69501106T2

DE69501106T2 - Linearmotor zur erweiterten Bewegung

Info

Publication number: DE69501106T2
Application number: DE69501106T
Authority: DE
Inventors: Hugh-Peter Granville Kelly
Original assignee: Linear Drives Ltd
Current assignee: Linear Drives Ltd
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2015-09-28
Also published as: DE69501106D1; AU3288295A; JPH08289530A; EP0704955A3; CA2159746A1; GB9419734D0; EP0704955A2; ATE160655T1; GB2294595B; US5703417A; GB2294595A; GB9519726D0; ZA958219B; EP0704955B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrodynamische Maschinen der als Linearmotoren bekannten Art.
Linear-Elektromotoren wurden für den Einsatz bei einer Vielzahl von Maschinen entwickelt. Die Komplexheit und die Baukosten vieler Motoren nach dem bisherigen Stand der Technik in Verbindung mit der Notwendigkeit, Magnetfeldwege bei vielen dieser Konstruktionen durch sperrige Eisenpakete zu vervollständigen, hat deren Leistungsfähigkeit jedoch begrenzt und zu hohe Kosten bewirkt, als daß sie dort, wo eine elektrisch angetriebene Linearbewegung erforderlich ist, zum Industriestandard werden könnten.
Wie bei Rotationsmotoren ist es bei allen Linearmotoren wünschenswert, für die Wechselwirkung zwischen den durch den Stator und Rotor erzeugten Magnetfeldern möglichst viel Kraft zu erzeugen. Soweit es spezielle Linearmotorkonstruktionen anbelangt, bedeutet dies, daß es wünschenswert ist, daß die Wicklungen der Ankertreiberspulen möglichst viel elektrisch leitendes Material (d.h. bei den allermeisten derzeitigen Konstruktionen Kupfer) je Längeneinheit aufweisen, um die verfügbare Magnetfeldstärke zu maximieren. Bei den bestehenden Konstruktionen wird jedoch das, was hinsichtlich des Kupfers je Längeneinheit erreichbar ist, durch die physikalische Konfiguration der Spulen beschränkt.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Linearmotor geschaffen, der folgendes enthält:
einen Anker und einen Stator, die im Verhältnis zueinander längs eines Bewegungswegs beweglich sind und erste bzw. zweite Sätze von Magnetflußgeneratoren aufweisen,
wobei die Magnetflußgeneratoren des ersten Satzes in Paaren angeordnet sind, die in gleichmäßigem Abstand mit einer festgelegten Polteilung längs des genannten Wegs liegen, und wobei die Magnetflußgeneratoren jedes Paars auf gegenüberliegenden Seiten des genannten Wegs einander gegenüberliegen und dazwischen Magnetfelder erzeugen sowie wenigstens einen Statormagnetkreis-Luftspalt definieren, der sich über die Länge des genannten Wegs erstreckt, während die Polaritäten der Felder zwischen aufeinanderfolgenden Magnetflußgenerator- Paaren längs des genannten Luftspalts abwechseln,
wobei der zweite Satz von Magnetflußgeneratoren wenigstens zwei in den genannten Magnetfeldern angeordnete Treiberspulen enthalten und jede Treiberspule einen angrenzenden Satz zylindrischer Unterspulen enthält und die Unterspulen jedes Satzes eine Polteilung aufweisen, die im wesentlichen gleich derjenigen des ersten Satzes von Magnetflußgeneratoren ist und wobei die Unterspulen der jeweiligen Treiberspulen so angeordnet sind, daß sich ihre Achsen unmittelbar seitlich von dem genannten Weg befinden und daß die Achsen der Unterspulen eines Satzes in Längsrichtung des Wegs gegenüber denjenigen des anderen Satzes um einen Betrag versetzt sind, der sich von der genannten Polteilung unterscheidet,
wobei die Unterspulen einer Treiberspule so angeordnet sind, daß ihre Achsen in Längsrichtung des Motors mit einem Abstand angeordnet sind, der im wesentlichen gleich deren Höchstdurchmessern ist, und die so mit Strom versorgt werden können, daß die aneinander angrenzenden Teile der Wicklungen in Langsrichtung aufeinanderfolgender Unterspulen einer Spule Felder der gleichen Polarität erzeugen.
Die Tatsache, daß der Abstand zwischen den Achsen der Unterspulen im wesentlichen gleich deren Durchmessern ist, bedeutet nicht notwendigerweise, daß aneinander angrenzende Unterspulen einander physikalisch berühren, obgleich die Erfindung eine solche Anordnung einschließt. Die Unterspulen können zweckmäßig in einer Reihe zylindrischer Aussparungen oder vorzugsweise in Durchgangslöchern eingebaut sein, die sich seitlich der Motorachse im Anker erstrecken.
Es existiert eine international in Gebrauch befindliche Form des Linearmotors, deren Konstruktion einfach und deren Kosten angemessen gering sind und die auch hohe Leistung bieten. Dies ist in dem mir erteilten Patent GB 2079068 beschrieben.
Bei dieser Motorform ist jedoch der Stator des Motors eine zylindrische Stange oder ein länglicher Stab und die Treiberspulen verlaufen koaxial zu dem Stator und umgeben diesen. Dadurch wird die maximale Länge des Stators begrenzt, da er nur an den Enden gelagert werden kann und sich in der Mitte durchbiegt, wenn er zu lang ist. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Stator, da die Ausrichtung der Magnetflußgeneratoren quer zur Motorachse verläuft, entweder über seine gesamte Länge oder in Abständen gelagert sein, so daß ein Durchbiegen verhindert werden kann. Eine derartige Konstruktion ist in der US-A-5087844 und in der US-A-4749921 beschrieben. Eine besonders zweckmäßige Anordnung kann durch eine Konfiguration des Stators in der Weise erreicht werden, daß ein oder mehrere längliche Kanäle entstehen, in denen sich die Unterspulen der Treiberspulen befinden. Dadurch kann der Anker versteift werden, zum Beispiel durch Verwendung von I- oder C-Träger-Bauelementen zur Abstützung der Magnetflußgeneratoren.
Die Unterspulen einer Treiberspule müssen in Längsrichtung gegenüber denjenigen der anderen oder jeder anderen Treiberspule um einen Betrag versetzt sein, der sich von der Polteilung unterscheidet, so daß ein Nettoschub in einer gewünschten Richtung in jeder beliebigen relativen Längsposition von Anker und Stator erzeugt werden kann. Der Versatz beträgt vorzugsweise das LIN-fache der Polteilung, wobei N die Zahl der Treiberspulen bezeichnet, so daß die Schubänderung mit der relativen Längsposition minimiert wird.
Die Unterspulen jeder Treiberspule sind vorzugsweise so angeordnet, daß sich im wesentlichen an keiner Stelle Unterspulen einer der Spulen befinden, die in der gleichen Längsrichtung des Luftspalts als Unterspulen der anderen Spule oder Spulen angeordnet sind. Diese fehlende Seitenüberlappung macht es möglich, daß jede Unterspule im wesentlichen die gesamte Luftspaltbreite ausfüllt, und dies ist die vorzuziehende Anordnung. Da die aneinanderstoßenden Unterspulen die gesamte Breite des Luftspalts beanspruchen, werden die Vorteile einer Minimierung von Streuverlusten an den Spulenkanten maximiert, im Gegensatz zu den Konstruktionen, bei denen die Unterspule nur einen Teil der Luftspaltbreite (zum Beispiel ein Drittel, wie gemäß der US-A-4839543) einnehmen kann und deshalb ein erheblicher Streuverlust in den Luftspaltschlitz möglich ist. Dies ist sogar noch wichtiger, wenn man den Vorteil berücksichtigt, der sich aus der Tatsache ergibt, daß durch jede aneinanderstoßende Unterspule erzeugte Kraftlinien eine Verbesserung des erzeugten Gesamtfeldes bewirken und an den Spulenperipherien in dem Abschnitt, wo sie im wesentlichen einander berühren, eindeutig kein Streuverlust auftreten kann. Dies geschieht im mittleren Bereich und somit in dem am stärksten konzentrierten Feld des durch die Statormagnete erzeugten Dauermagnetfeldes.
Die Unterspulen jeder Treiberspule können so angeordnet sein, daß die Mittelebenen (d.h. die Ebenen, die auf halber Höhe parallel zwischen den Enden der Unterspule liegen) jedes Unterspulensatzes planparallel sind und sich vorzugsweise mit den Motorachsen decken. In diesem Fall müssen die Treiberspulen separate Längsräume des Ankers einnehmen.
Alternativ können die Unterspulen verschiedener Treiberspulen seitlich der Motorachse (d.h. so daß die Unterspulen eines Satzes seitlich einen Abstand zur Motorachse aufweisen, der mindestens gleich den Spulenbreiten ist) von den Unterspulen der anderen Treiberspule(n) versetzt werden; dadurch können die Treiberspulen einander in Längsrichtung zur Motorachse überlappen und dies wird in Form einer Vielzahl von parallel verlaufenden Luftspalten implementiert.
Der im wesentlichen gleiche Abstand und die im wesentlichen gleichen Durchmesser der Unterspulenachsen bedeutet, daß sich ein Teil einer Hälfte einer Spule gemeinsam mit einem Teil der daran anstoßenden Hälfte der benachbarten Spule ein Magnetfeld teilen, welches durch einen der Magnetfeldgeneratoren des Stators erzeugt wird. Man wird verstehen, daß, wenn man, wie es vorzuziehen ist, davon ausgeht, daß die Unterspulen die Breite des Luftspalts ausfüllen, bei dieser Anordnung im wesentlichen die gesamte Ankerlänge mit aneinander angrenzenden Spulen einer bestimmten Treiberspule gefüllt ist. Dadurch wird der anderen Anordnungen eigene Raumverlust vermieden, bei denen entweder die Unterspulen räumlich voneinander getrennt sein müssen oder die Polteilung der Statorfeldgeneratoren von derjenigen der Unterspulen abweicht, um eine Bewegung zu erzielen, und was daher zu weniger Kraftlinien je Längeneinheit des Motors führt. Darüber hinaus können diese Hälften aneinander angrenzender Unterspulen nützliche Arbeit leisten, wenn sie die durch die Magnetfeldgeneratoren erzeugten Kraftlinien durchschneiden, da sie Felder der gleichen Polarität erzeugen, die daher nicht die Neigung zeigen, die Wirkung der jeweils anderen bei der Interaktion mit dem anderen Satz Magnetflußgeneratoren aufzuheben; vielmehr verstärken sie die gegenseitige Wirkung. Dies ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung und er kann am besten dadurch veranschaulicht werden, daß der Nettoschub eine Anzahl "n" angrenzender Unterspulen, die mit den vom Stator erzeugten Magnetfeldern in Wechselwirkung stehen, größer ist als das "n"- fache der Wirkung einer einzelnen, mit dem gleichen Strom gespeisten Spule. Dies ist einfach darauf zurückzuführen, daß es an der Peripherie einer einzelnen Spule zu Streuverlusten kommen kann, wohingegen ein solcher Streuverlust bei Anordnung neben einer angrenzenden Unterspule, die Magnetfeldlinien in der gleichen Richtung erzeugt, nicht in gleichem Ausmaß auftreten kann. Die Bauweise hat den weiteren Vorteil, daß jeder vorhandene Schubbedarf durch einfaches Hinzufügen weiterer Unterspulen gedeckt werden kann.
Der Satz Magnetflußgeneratoren, der nicht durch die Treiberspulen gebildet wird, ist vorzugsweise ein Satz von Dauermagneten.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthalten die Feldgeneratoren des Stators zwei oder mehr Reihen von Dauermagneten, die in Abständen längs des Laufwegs angeordnet sind und die einander am Laufweg gegenüberliegen und so angeordnet sind, daß sie am Laufweg Felder abwechselnder Polarität erzeugen. Der Abstand zwischen den Magneten und daher der dazwischen verlaufenden Felder ist so angeordnet, daß die Felder die Seiten angrenzender Unterspulen schneiden, wenn sie den Magneten gegenüberliegen. Bei dieser Anordnung kommt es zu einer hochgradigen Nutzung der durch die Feldgeneratoren erzeugten magnetischen Energie.
Bei einer besonderen Realisierungsart dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Dauermagnete getrennte Kreisscheibenmagnete, die entlang der Statorlänge angeordnet und magnetisch miteinander durch einen ferromagnetischen Unterlegstreifen (ein Halteelement) gekoppelt sind, der an jeder "Außenseite" des Stators vorgesehen ist, und die Treiberspulen enthalten einen Satz angrenzender, kreisförmiger Unterspulen. Gemäß der Erfindung sind die Durchmesser der kreisförmigen Unterspulen gleich der Polteilung der Dauermagnete.
Ein Nachteil praktisch aller Linearmotor-Anwendungen besteht darin, daß der potentielle Benutzer unvermeidlich eine bestimmte Lauflänge benötigt, die nicht zu der verfügbaren Länge des Standard-Linearmotors paßt. Bei einer Bauform der obigen Ausführungsart der Erfindung werden die Scheibendauermagnete jeder Reihe des Stators durch wenigstens ein längliches Gehäuse getragen und sind darin enthalten, welches aus einem Strangpreßteil zwischen Magneten auf jede gewünschte Länge zugeschnitten werden kann. Bei der Fertigung kann somit jede beliebige Länge mit einem Minimum an praktischen Schwierigkeiten hergestellt werden.
Die Erfindung wird nunmehr, allerdings nur als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die folgendes darstellen:
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 ist ein horizontaler Querschnitt von Bestandteilen einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors;
Figur 4 zeigt eine Spulenanordnung des Linearmotors aus Figur 3;
Figur 5 zeigt Vorderseiten von Feldgeneratoren des Stators der Motoren aus Figur 3 und Figur 1;
Figur 6 zeigt im einzelnen Ströme, die in angrenzenden Unterspulen der Motoren aus Figur 3 und Figur 1 fließen;
Figur 7 zeigt eine Methode für den Zusammenbau des Motors aus Figur 1;
die Figuren 8a und 8b zeigen eine Schaltfolge für die Spulen des Motors aus Figur 3.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearmotors. Der Stator des Motors enthält zwei längliche, rechtwinklige Stäbe 1a, 1b aus einem nichtferromagnetischen Material, die sich über die Länge des Motors erstrecken und die durch Abstandspfosten oder Stege (nicht dargestellt) oder aber durch eine längliche Platte parallel zueinander gehalten werden, die sich parallel zur Ebene der Figur an einer Seitenkante der Stäbe 1a, 1b erstreckt. Außen an jedem länglichen Stab befestigt sind ferromagnetische Halteelemente 2a und 2b, die vorzugsweise Weicheisenbänder enthalten.
Der Motor 1 ist mit einem Satz Magnetflußgeneratoren versehen, die einander gegenüberliegende Paare 3a, 3b zylindrischer Dauermagnete enthalten, welche innerhalb der Stäbe 1a, 1b zum Beispiel durch Klebstoff fest angebracht sind. Die Polaritäten aufeinanderfolgender Paare der Magnete 3a, 3b wechseln über die Länge des Motors, wie dargestellt, ab. Dieser Wechsel bedeutet, daß ein aneinander angrenzendes Paar der Magnete 3a oder 3b magnetisch durch die dazwischenliegende Länge der Halteelemente 2a oder 2b verbunden sind und einen "Hufeisenmagnet" bilden, so daß sich der Magnetfluß in dem Spalt zwischen dem Magneten 3a und dem gegenüberliegenden Magneten 3b des Paars konzentriert. Infolgedessen wird in dem Bereich auf der anderen Seite des Halteelernents, d.h. über dem Halteelement 2a und unter dem Halteelement 2b aus Figur 1, relativ wenig Magnetstreufluß und zwischen den aneinander angrenzenden Seiten der Magnete relativ wenig Streuverlust erzeugt. Ein wichtiger Vorteil liegt darin, daß jeder der Magnete einen Abstand zum nächsten aufweisen kann, statt tatsächlich mit diesem aneinanderzustoßen. Dies ist der Fall, weil sie nur Felder erzeugen müssen, die die Spulen selbst an den Seiten durchschneiden. Dies bewirkt eine erhebliche Einsparung an Magnetmaterial und daher geringere Kosten gegenüber Motoren nach dem bisherigen Stand der Technik, die mit rechteckigen Magneten arbeiten.
Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die einander gegenüberliegenden Flächen der Magnetpaare 3a, 3b einen Luftspalt G des magnetischen Statorkreises definieren, der sich über die Breite (d.h. die Höhe in Figur 1) des zwischen den Stäben 1a und 1b begrenzten Kanals 40 erstreckt. Sowohl dieser Stator- Luftspalt G als auch der Kanal erstrecken sich über die Länge der relativen Bewegung von Anker und Stator des Motors. Wenn der Anker den Kanal 40 ausfüllt, verbleiben zwischen den Innenflächen der Stäbe 1a und 1b und den Seitenflächen des Ankers 4 minimale Restluftspalte Ga und Gb.
Bei einer Anordnung beträgt die Polteilung der Magnete im wesentlichen das Doppelte ihres Durchmessers und jeder Magnet hat eine Länge, die im wesentlichen ihrem halben Durchmesser entspricht. Die Magnete 3a, 3b jedes Paars sind axial ausgerichtet und ihre einander gegenüberliegenden Flächen weisen einen Abstand zueinander auf, der mit ihren Längen vergleichbar ist, wodurch der Längsspalt G zurückbleibt, durch den sich der Anker 4 erstreckt und bewegt.
Der Stator 1 kann von beliebiger Länge sein. Um seine Starrheit zu verbessern, können dessen längliche Stäbe 1a, 1b, wie bei 1c dargestellt, Teil eines Alu-Strangpreßteils sein. Man wird verstehen, daß das Strangpreßteil 1c bei dieser Statorform zwischen Magneten eingeschnitten sein kann, um nahezu jede gewünschte Statorlänge zu erzielen.
Der Anker 4 ist in Figur 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Er kann die Form eines länglichen, rechteckigen Stabes aus Metall, zum Beispiel aus Aluminium, haben und trägt zwei Spulen 5a und 5b.
Jede der Spulen 5a, 5b enthält zwei oder mehr Unterspulen 6a&sub1;, 6a&sub2;, 6a&sub3; und 6b&sub1;, 6b&sub2;, 6b&sub3;. Diese Spulen sind jeweils in Öffnungen 7a&sub1;, 7a&sub2;, 7a&sub3; bzw. 7b&sub1;, 7b&sub2;, 7b&sub3; gesichert, die durch den Stator 4 hindurch verlaufen. Innerhalb jeder Gruppe von Unterspulen weisen die Öffnungen 7a&sub1;, 7a&sub2;, 7a&sub3; und 7b&sub1;, 7b&sub2;, 7b&sub3; und demzufolge die darin enthaltenen Unterspulen 6a&sub1;, 6a&sub2;, 6a&sub3; und 6b&sub1;, 6b&sub2;, 6b&sub3; in Längsrichtung einen Abstand auf, der im wesentlichen gleich der Längspolteilung der Magnete 3a, 3b am Stator ist. Weiterhin sind die Unterspulen der beiden Spulen in Längsrichtung um die halbe Polteilung des Magneten 3a, 3b versetzt. Im allgemeinen können N solcher Spulen vorhanden sein und man wird daher verstehen, daß der Längsversatz zwischen den Unterspulen der N Spulen im allgemeinen 1/N der Polteilung sein sollte.
Aus Figur 2 ist zu ersehen, daß die von den Unterspulen der Treiberspulen 6a bzw. 6b beanspruchten Längsbereiche 4a und 4b einander nicht überlappen, so daß jede Unterspule im wesentlichen die gesamte Breite des Luftspalts G (außer den Restluftspalten Ga und Gb) ausfüllen kann. In anderen Worten, gibt es keinen Punkt, an dem sich Wicklungen der Unterspulen verschiedener Treiberspulen im gleichen seitlichen Raum des Luftspalts G befinden.
Entsprechend dem Konzept, daß der Motor je Längeneinheit des Motors innerhalb jeder Spule möglichst viel Spulenleitermaterial (Kupfer) aufweisen sollte, sind die Unterspulen so angeordnet, daß in Längsrichtung aneinander angrenzende Spulen im wesentlichen an ihren Peripherien aneinander anstoßen, d.h. der Abstand zwischen ihren Peripherien ist im Vergleich mit ihren Durchmessern vernachlässigbar.
Die Unterspulen jeder Spule sind so angeordnet, daß in den Abschnitten ihrer Wicklungen, die aneinander angrenzen, wie in den Bereichen 8 und 9 sowie 10 und 11, die durch diese Wicklungsabschnitte fließenden Ströme Magnetfelder der gleichen Polarität erzeugen. Dies ist bei der Maximierung des Schubs, den der Motor erzeugen kann, von grundlegender Bedeutung. Die Erzeugung von Feldern der gleichen Polarität bei diesen Abschnitten kann entweder durch wechselnde Wicklungsrichtung der Spulen oder durch entsprechende Wahl der Polarität der elektrischen Verbindungen zwischen diesen oder der Polarität der angewandten Treiberströme erreicht werden.
Die axiale Ausdehnung jeder der Unterspulen ist im wesentlichen gleich der Dicke des Ankers 4 und ist so angeordnet, daß der Luftspalt möglichst gering ist. Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß der mittlere Bereich jeder größeren Fläche des Ankers 4 so bearbeitet werden kann, daß ein flacher Kanal 12 zur Aufnahme von Leitern und Verbindungen zu den Spulen entsteht.
Die Ankerspulen werden durch einen Regler- und Kommutatorkreis 13 gemäß Figur 1 gespeist, der den Ausgang von Hall- Effekt-Magnetfeldstärkendetektoren 14a, 14b oder optische Codiererinformationen (nicht dargestellt, siehe GB 2106644 B) verarbeitet, um die Lgngsposition des Ankers im Verhältnis zum Stator zu bestimmen, und auf Steuersignal reagiert, um eine geschlossene Servoregelung der Position des Ankers im Verhältnis zum Stator zu bewirken. Der Regler kann weiterhin eine Speisung des Ankers in der Weise bewirken, daß bei der Bewegung von einer Position zur anderen ein gewünschtes Geschwindigkeitsprofil eingehalten wird.
Bei dieser Ausführungsform befinden sich die Spulen 5a, 5b (und ihre Unterspulen 6a&sub1;, 6a&sub2;, 6a&sub3;) in separaten Bereichen des Ankers mit Abständen in Längsrichtung. Wie aus der nachstehenden Beschreibung anderer Ausführungsformen hervorgeht, können sie nebeneinander (seitlich vorn Motor) angeordnet werden, so daß sie einander in Längsrichtung des Motors überlappen, ohne daß in der gleichen seitlichen Ausdehnung des Luftspalts G Wicklungen verschiedener Treiberspulen nebeneinander bestehen (d.h. einander überlappen) müssen.
In Figur 3 bilden somit der Stator 1 und seine Dauermagnete jeweils die Kanäle 40&sub1;-40&sub4; und entsprechende Luftspalte G&sub1;-G&sub4; für die einzelnen Unterspulen 6a&sub1;, 6b&sub1;, 6a&sub2; und 6b&sub2;. Diese Anordnung versetzt die "inneren" Dauermagnete 3b&sub1;-3d&sub1; in die Lage, zum Magnetfluß in den Luftspalten G beiderseits beizutragen, und erlaubt gleichzeitig eine Minimierung der Längsausdehnung des Ankers für eine bestimmte Treiberspulenkonfiguration. Mittels einer Variante der Figur 3 kann man eine Anordnung erhalten, bei der ein Kanal je Treiberspule vorhanden ist und die Unterspulen jeder Treiberspule alle in dem der betreffenden Treiberspule zugeordneten Kanal liegen.
Bei der Anordnung nach Figur 3, die für Hochleistungsanwendungen des Motors gedacht ist, ist der Stator als Strangpreßteil mit fünf Hohlräumen ausgebildet, die jeweils mit einer Folge von Magneten ausgefüllt sind. Die Spulen enthalten vier Reihen, von denen zwei für einen Satz Unterspulen und die beiden anderen Reihen für den anderen Satz bestimmt sind. Jede Reihe liegt unmittelbar zwischen einander gegenüberliegenden Magneten. Bei dieser Anordnung ist der verfügbare Schub erheblich größer, da jede Unterspule die volle für den Anker verfügbare Länge einnimmt und daher mehr Windungen enthält, und zweitens ist natürlich die doppelte Spulenzahl aktiv. Wie aus der Figur ersichtlich, bleibt die Grundkonstruktion kompakt und elektrornagnetisch hochwirksam. Zu beachten ist, daß die Spulen von einer Reihe Unterspulen einer Spule in entgegengesetzter Richtung zu der der benachbarten Reihe von Unterspulen angeschlossen werden, damit sie sich mit der Richtung der hindurchfließenden Magnetfelder decken.
Unter weiterer Erläuterung der Figur 3 enthalten die Unterspulen eine Anzahl scheibenförmig gewickelter Mehrschicht- Unterspulen, die, wie in Figur 4 dargestellt, aneinander anstoßen. Unterspulen einer Spule sind als 6a&sub1;, 6a&sub2;, 6a&sub3; usw. Unterspulen der anderen Spule sind als 6b&sub1;, 6b&sub2;, 6b&sub3; dargestellt. Wichtig ist, daß die Unterspulen der beiden Spulen seitlich überlappen, wie in Figur 3 und Figur 4 dargestellt. Die Polaritäten der (dargestellten) Statormagnete sind so beschaffen, daß die Richtung der Polarität der dazwischen fließenden Felder von einem gegenüberliegenden Paar zum nächsten wechselt. Dies geht deutlicher aus Figur 5 hervor, worin die Pfeile, nur zum Zweck der Bezeichnung, die Feldrichtung zwischen den Polflächen definieren. Wie in der in Figur 2 dargestellten Spulenanordnung ist die Richtung der Wicklung jeder Unterspule oder aber die Richtung der gegenseitigen Verbindung jeder Unterspule so angeordnet, daß die Richtung des um eine Seite jeder Unterspule fließenden Stroms die gleiche ist wie diejenige der anstoßenden Seite der benachbarten Spule. Wenn somit diese beiden aneinander anstoßenden Seiten in dem Spalt zwischen einander gegenüberliegenden Magneten liegen, erfährt jede Seite eine Schubkraft in genau derselben Richtung, wie es der Dreifinger-Regel entspricht (siehe Figur 6a). Betrachtet man die nächste Seite der benachbarten Spule, fließt der Strom jetzt natürlich in entgegengesetzter Richtung, ebenso wie der Strom in der Seite der nächsten benachbarten Unterspule in der Linie. Da jedoch das Magnetfeld des nächsten Paars einander gegenüberliegender Magnete ebenfalls in entgegengesetzter Richtung verläuft, entsteht nach wie vor eine Schubkraft in gleicher Richtung; siehe Figur 6b. Somit liefert jede Seite jeder Unterspule zusätzliche Schubkraft in der richtigen Richtung und ermöglicht damit eine elegante und äußerst raumsparende Umwandlung von elektromagnetischer Energie in lineare Kraft, ohne daß Eisen einen Magnetkreis innerhalb des Ankers vervollständigen müßte. Außerdem übt jede Unterspule bei dem Versuch, eine stabile Position gegenüber dem jeweiligen Paar einander gegenüberliegender Magnete zu erreichen, aufgrund der Tatsache eine Kraft aus, daß fast alle ihre Leiter versuchen, sich zentral am Magnet auszurichten. (Die zentrale Ausrichtung einer Spule über einem Magneten bei Energiezuführung ist natürlich allgemein bekannt.)
Zur Erklärung kann das durch jede Windung jeder Unterspule erzeugte Magnetfeld als die Summe einzelner Bögen betrachtet werden, deren Magnetfelder jeweils in Form eines "horizontalen Vektors" parallel zur Bewegungsrichtung und eines "vertikalen Vektors" normiert werden können. Die Summe der durch jeden der getrennten vertikalen Vektoren in Wechselwirkung mit den durch die Dauermagneten erzeugten orthogonalen Feldern erzeugten Magnetfelder liefert eine wirksame seitliche Schubkraft. Es ist zu erkennen, daß, mit Ausnahme derjenigen Teile jeder Unterspule, die tatsächlich parallel zur Bewegungsrichtung liegen, praktisch die gesamte Spule zur Nutz-Schubkraft beiträgt. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu rechteckigen oder quadratischen Spulen, die in Kombination mit kreisförmigen oder quadratischen Magneten arbeiten, bei denen der in Bewegungsrichtung liegende Teil der rechteckigen oder quadratischen Spule verlorengeht. Eine direkte Ableitung zeigt, daß eine zylindrisch gewickelte Spule, wenn die übrigen Dinge gleich sind, wenigstens 13 % mehr Kraft erzeugen kann als die gleiche Spule, wenn sie in quadratischer Konfiguration gewickelt ist, wobei in jedem Fall ein zylindrischer Statormagnet des gleichen Magnetvolumens (und daher des gleichen Preises) verwendet wird.
Somit wird bei dieser Anordnung eine hochgradige Nutzung der an die Spulen gelieferten elektrischen Energie realisiert.
Die Bewegung der Spulen längs den Statormagneten wird dadurch erreicht, daß die Spulen in einer in Figur 8 dargestellten Reihenfolge mit Energie versorgt werden. Die Ströme werden in einer solchen Reihenfolge zugeführt, daß jede Spule versucht, sich in eine Position der geringsten magnetischen Ausprägung im Verhältnis zu den zwischen den Magnetflächen fließenden Feldern zu bewegen. Die Position der geringsten Ausprägung ist dann gegeben, wenn jede Unterspule unmittelbar über einem Paar einander gegenüberliegender Magnete ausgerichtet ist. Die in Figur 8a dargestellte Folge 1 zeigt eine elementare Form der Schaltung, bei der jede Spule so geschaltet wird, daß sie schrittweise Bewegungen des Ankers bewirkt. Zu beachten ist, daß diese Spule mit der Hälfte der Spulen-/Magnetteilung geschaltet wird. Die in Figur 8b dargestellte Folge 2 zeigt eine alternative Reihenfolge zur Herbeiführung kleinerer Bewegungsschritte, wobei das Schalten mit Viertel- Spulenteilung stattfindet. Indem man die Umschaltpunkte in jedem Fall entweder um ein Viertel oder ein Achtel einer Spulenteilung verlagert, kann, wie in Figur 8b dargestellt, ein Schubkontinuum erzielt werden, statt spezifische Schritte auszuführen. Aufgrund dessen liefert der Motor bei einem bestimmten Speisestrom eine im wesentlichen lineare Kraft, ungeachtet der Position der Ankerspulen im Verhältnis zum Stator. Die Spulen können durch optische oder magnetische Sensoren auf bekannte Weise umgeschaltet und können auch mit einem geschlossenen Servo-Positioniersystem geregelt werden, um schnelle und präzise Punkt-zu-Punkt-Bewegungen des Ankers zu gewährleisten.
Was die Bauweise des Motors anbelangt, so enthält Figur 7 eine praktische Konstruktion. Ein nicht-ferromagnetisches Strangpreßteil 15, zum Beispiel eines aus Aluminium, besteht aus zwei durch eine Mittelbasis miteinander verbundenen parallelen Hohlräumen. Die Magnete zur Erzeugung der Feldmuster werden einfach entlang den Hohlräumen eingesetzt, nachdem sie zunächst an ihren magnetischen Halteelementen vorpositioniert wurden. Die Magnete können durch ein nicht-ferromagnetisches Abstandsstück, zum Beispiel aus Kunststoff oder sogar Holz, voneinander getrennt gehalten werden, um den richtigen Abstand der einander gegenüberliegenden Paare über die gesamte Statorlänge zu erzielen. Die beiden Spulen liegen zwischen den einander gegenüberliegenden Innenwänden des Strangpreßteils und werden deutlich von einem Magnetfluß durchströmt. Die Spulen wiederum sind an einem weiteren Strangpreßteil 17 befestigt, welches zum Beispiel durch Außenlager (nicht dargestellt) geführt werden kann. Dies bietet ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren. Der Abstand zwischen den Magnetflächen, wie durch das Strangpreßteil festgelegt, und die Anzahl der Spulenwindungen und ihre Breite sind optimiert und bieten damit eine maximale Kraft für möglichst geringe Zerstreuung.
Man wird verstehen, daß die Bauweise des obigen Motortyps einfach und kostengünstig ist. Es können Linearmotoren beliebiger Länge gebaut werden, da sich die Spulen parallel zum Stator bewegen und diesen nicht umgeben müssen. Der Anker entsteht durch einfache Wicklung einer Anzahl Unterspulen, die an einem Formstück festgehalten werden, und der Stator entsteht durch einfaches Einsetzen von Magnetserien in Längshohlräume im oben erwähnten Strangpreßteil. Teure und spernge Zahnbleche werden vermieden, so daß ein besonders leichter Anker mit entsprechend hoher Reaktionsgeschwindigkeit entsteht.

Claims

1. Linearmotor, enthaltend:

einen Anker (4) und einen Stator (1), die im Verhältnis zueinander längs eines Bewegungswegs beweglich sind und erste bzw. zweite Sätze von Magnetflußgeneratoren aufweisen,

wobei die Magnetflußgeneratoren (3a, 3b) des ersten Satzes in Paaren angeordnet sind, die in gleichmäßigem Abstand mit einer festgelegten Polteilung längs des genannten Wegs liegen, und wobei die Magnetflußgeneratoren jedes Paars auf gegenüberliegenden Seiten des genannten Wegs einander gegenüberliegen und dazwischen Magnetfelder erzeugen sowie wenigstens einen Statormagnetkreis-Luftspalt (G) definieren, der sich über die Länge des genannten Wegs erstreckt, während die Polaritäten der Felder zwischen aufeinanderfolgenden Magnetflußgenerator-Paaren längs des genannten Luftspalts abwechseln,

wobei der zweite Satz von Magnetflußgeneratoren wenigstens zwei in den genannten Magnetfeldern angeordnete Treiberspulen (5a, 5b) enthalten und jede Treiberspule einen angrenzenden Satz zylindrischer Unterspulen (6a1, 6a2, 6a3; 6b1, 6b2, 6b3) enthält und die Unterspulen jedes Satzes eine Polteilung aufweisen, die im wesentlichen gleich derjenigen des ersten Satzes von Magnetflußgeneratoren (3a, 3b) ist und wobei die Unterspulen der jeweiligen Treiberspulen (5a, 5b) so angeordnet sind, daß sich ihre Achsen unmittelbar seitlich von dem genannten Weg befinden und daß die Achsen der Unterspulen eines Satzes in Längsrichtung des Wegs gegenüber denjenigen des anderen Satzes um einen Betrag versetzt sind, der sich von der genannten Polteilung unterscheidet,

wobei die Unterspulen einer Treiberspule (5a, 5b) so angeordnet sind, daß ihre Achsen in Längsrichtung des Motors mit einem Abstand angeordnet sind, der im wesentlichen gleich deren Höchstdurchmessern ist, und die so mit Strom versorgt werden können, daß die aneinander angrenzenden Teile der Wicklungen in Längsrichtung aufeinanderfolgender Unterspulen einer Spule Felder der gleichen Polarität erzeugen.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, bei dem die Unterspulen jeder Treiberspule (5a, 5b) so angeordnet sind, daß Unterspulen irgendeiner der Spulen im wesentlichen an keiner Stelle in der gleichen Längsabmessung des Luftspalts (G) wie die Unterspulen der anderen Spule oder Spulen liegen.

3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jede Unterspule (6a1-6a3; 6b1-6b3) so bemessen ist, daß sie im wesentlichen den Spalt (G) zwischen einander gegenüberliegenden Magnetflußgeneratoren (3a, 3b) des genannten einen Satzes ausfüllen.

4. Linearmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, der N Treiberspulen (5a, 5b) aufweist und wobei die Unterspulen (6a1-6a3; 6b1- 6b3) jeder der Treiberspulen gegenüber denjenigen der anderen Treiberspulen um das 1/N-fache der Polteilung versetzt sind.

5. Linearmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, der einen einzelnen Magnetkreis-Luftspalt (G) aufweist und wobei die Unterspulen (6a1-6a3; 6b1-6b3) jeder Treiberspule (5a, 5b) in getrennten, einander nicht überlappenden Längsbereichen des Ankers (4) liegen und dadurch getrennte, einander nicht überlappende Längsbereiche des Ankers belegen.

6. Linearmotor nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, der zwei Treiberspulen (5a, 5b) enthält, die gegeneinander längs des Ankers (4) um die Hälfte der Polteilung versetzt sind.

7. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem wenigstens zwei solcher Luftspalte (G) durch die Magnetflußgeneratoren (3a, 3b) des ersten Satzes begrenzt sind und die Unterspulen (6a1-6a3; 6b1-6b3) jeder Treiberspule (5a, 5b) in jeweils einem der genannten Luftspalte liegen.

8. Linearmotor nach Anspruch 7, bei dem der Stator wenigstens zwei Kanäle (40) enthält, die längs des Bewegungswegs verlaufen, in denen sich die jeweiligen Magnetflußgeneratoren des Ankers (4) erstrecken, wobei die einander gegenüberliegenden Stator-Magnetflußgeneratoren jedes Paars an einem der genannten Kanäle gegenüberliegen.

9. Linearmotor nach Anspruch 8, bei dem jede Unterspule (6a1- 6a3; 6b1-6b3) in jeweils einem der genannten Kanäle (40) liegt.

10. Linearmotor nach Anspruch 8, bei dem alle Unterspulen (6a1-6a3; 6b1-6b3) jedes Treibers (5a, 5b) im jeweils gleichen der genannten Kanäle (40) liegen.

11. Linearmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Magnetflußgeneratoren (3a, 3b) des Stators Dauermagnete sind.

12. Linearmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Magnetflußgeneratoren (3a, 3b) des Stators Dauermagnete sind und die Magnetflußgeneratoren des Ankers (4) angrenzende Spulen sind.

13. Linearmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Magnetflußgeneratoren Dauermagnete (3a, 3b) von zylindrischer, kreisförmiger Konstruktion sind.

14. Linearmotor nach Anspruch 13, bei dem die Magnete (3a, 3b) durch einen Abstand getrennt sind, der im wesentlichen ihren Durchmessern entspricht.

15. Linearmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Unterspulen (6a1-6a3; Gb1-6b3) jeder Treiberspule (5a, 5b) jeweils als kreisförmiger Ring gewickelt sind.

16. Linearmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Stator wenigstens ein längliches Element (1a, 1b) enthält, woran die entsprechenden Magnetflußgeneratoren (3a, 3b) angebracht sind, und wobei das längliche Element ein Strangpreßteil ist.