Beschreibung

Linearmotor mit Kraftwelligkeitsausgleich

Die Erfindung betrifft ein Primärteil für eine elektrische

Maschine, wobei das Primärteil zumindest aus einem Blechpaket gebildet ist und an einer oder beiden seiner jeweiligen Stirnseiten zumindest ein Element zur Reduktion der Kraftwel- ligkeit aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen Linear- motor mit einem derartigen Primärteil.

Linearmotoren weisen ein Primärteil und ein Sekundärteil auf. Dem Primärteil steht insbesondere das Sekundärteil gegenüber. Das Primärteil ist zur Bestromung mit elektrischem Strom vor- gesehen. Das Sekundärteil weist beispielsweise Permanentmag ^¬ nete oder bestrombare Wicklungen auf. Sowohl das Primärteil als auch das Sekundärteil weisen aktive magnetische Mittel zur Generierung magnetischer Felder auf.

Permanenterregte Linearmotoren weisen konstruktionsbedingt

Kraftschwankungen auf, welche sich nachteilig auf Gleichlauf und Dynamik auswirken.

Um den magnetischen Fluss von Erregerfeld des Sekundärteils und Hauptfeld des Primärteils zu führen, werden beim aktiven Teil, d.h. beim aktiven wicklungstragenden Teil (Primärteil), des Motors üblicherweise gezahnte Bleche verwendet. Zwischen den Erregerpolen und der gezahnten Struktur des Primärteils findet eine magnetische Wechselwirkung statt, die zu parasi- tären Rastkräften, auch passive Kraftwelligkeit genannt, führt. Die Folge sind Vibrationen, unruhiger Lauf sowie Schleppfehler bei Bearbeitungsprozessen. Des Weiteren sind die induzierten Spannungen, d.h. die elektromotorischen Kräfte (EMK) , in der Anfangs- und Endspule an den Stirnseiten des Primärteils aufgrund eines fehlenden magnetischen Rückschlus ^¬ ses in der Regel kleiner als in den mittleren Spulen. Dies hat zur Folge, dass die induzierten Spannungen des Motors kein symmetrisches System bilden und sich neben Krafteinbußen

eine zusätzliche stromabhängige Kraftwelligkeit, auch aktive Kraftwelligkeit genannt, ergibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsge- mäßen Linearmotor derart weiterzubilden, dass neben der Reduzierung der Rastkräfte auch eine Symmetrierung der elektromotorischen Kräfte stattfindet.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprü ^¬ chen zu entnehmen.

Im Unterschied zu rotierenden Maschinen besitzen Linearmotoren naturgemäß Endbereiche, in welchem der elektromagnetische Teil des Motors endet. Wird ein Linearmotor beispielsweise in Kurzstatorbauweise ausgeführt, ergeben sich für das Primär ^¬ teil zwei Endbereiche, die im Einflussbereich des Sekundär ^¬ teils liegen. Die Enden des Primärteils wechselwirken mit dem Sekundärteil derart, dass dies einen maßgeblichen Einfluss auf die aktive Kraftwelligkeit und die passive Rastkraft hat.

Erfindungsgemäß weist der Linearmotor ein Primärteil und ein Sekundärteil auf, wobei Primärteil und Sekundärteil durch ei ^¬ nen Luftspalt voneinander beabstandet sind. Das Sekundärteil weist eine Folge von durch Permanentmagneten gebildeten Polen auf. Das Primärteil ist aus einem oder mehreren Blechpaketen gebildet, wobei das Blechpaket aus einer Vielzahl von Blechen aufgebaut ist . Das Primärteil weist eine Vielzahl von Nuten und Zähnen auf, wobei die Nuten zur Aufnahme der Primärteil- Wicklungen oder Spulen dienen. Die Wicklungen sind beispielsweise als eine Drei-Phasen-Wicklung eines Drehstromnetzes bzw. eines dreiphasigen Wechselstromes ausgebildet.

Die Linearmotoren sind insbesondere mit Bruchlochwicklungen und Zahnspulen im Primärteil ausgebildet, wobei die Nuttei ^¬ lung des Primärteils ungleich der Polteilung des Sekundärteils ist. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Nuttei-

lung zu Polteilung (Nutteilung/Polteilung) = 8/12, 10/12, 11/12, 13/12, 14/12, 16/12.

An einer oder beiden Stirnseiten des Motors bzw. des Blechpa- kets ist zumindest ein Element, welches als aktives Wirbel ^¬ strom-Dämpfungselement ausgebildet ist, zur Reduktion der Kraftwelligkeit angeordnet und befindet sich an bzw. neben der jeweils letzten Nut bzw. des letzten bewickelten Zahns des Primärteils.

Das Element, welches nachfolgende auch als , Dämpfungselement' bezeichnet ist, ist elektrisch leitfähig (κ _ei > 0) und weist eine vernachlässigbare niedrige magnetische Leitfähigkeit auf

(μ _r = D •

Die elektrische Leitfähigkeit κ _ei ist eine physikalische Grö ^¬ ße, die die Fähigkeit eines Stoffes angibt, elektrischen Strom zu leiten. Die elektrische Leitfähigkeit κ _ei ist mit dem spezifischen elektrischen Widerstand p verknüpft, wobei die elektrische Leitfähigkeit der Kehrwert des spezifischen Widerstandes ist (K _ei = l/p) .

Nach der elektrischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in

- Leiter (insbesondere alle Metalle, κ _ei > 0), - Isolatoren oder Nichtleiter (die meisten Nichtmetalle,

KeI = 0 ) ,

- Halbleiter (z.B. Silizium, Germanium), wobei die Leitfähigkeit im Bereich zwischen Leitern und Nichtleitern liegt sowie - Supraleiter, deren Leitfähigkeit unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur quasi „unendlich" ist.

Die magnetische Permeabilität μ bestimmt die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder und wird durch das Ver- hältnis der magnetischen Flussdichte B zur magnetischen Feldstärke H ausgedrückt (μ = B/H) , wobei μ sich aus der magneti ^¬ schen Feldkonstante μ ₀ und der spezifischen Permeabilitäts ^¬ zahl des Stoffes μ _r zusammensetzt (μ = μ _o μ _r ) • Die Permeabili-

tätszahl μ _r wird häufig auch als relative Permeabilität be ^¬ zeichnet .

Nach der relativen Permeabilität μ _r wird unterschieden in - ferromagnetische Stoffe (z.B. Eisen, Kobalt, Nickel, μ _r >> 1), die das magnetische Feld erheblich stärken;

- paramagnetische Stoffe (z.B. Aluminium, Luft, μ _r = 1), die das magnetische Feld sehr gering stärken; und

- diamagnetische Stoffe (z.B. Silber, Kupfer, μ _r < 1), die das magnetische Feld sehr gering schwächen.

Die Dämpfungswirkung des Dämpfungselementes erfolgt durch Wirbelströme, die im Dämpfungselement aufgrund seiner elekt ^¬ rischen Leitfähigkeit bei der Bewegung des Primärteils über die Magnetspur des Sekundärteils induziert werden. Die Wir ^¬ belströme wirken als „reaktive Bremse" im Primärteil. Dadurch werden die Gleichlaufeigenschaften des Motors deutlich verbessert .

Die Dämpfungswirkung ist frequenz- bzw. geschwindigkeitsabhängig. Je höher die Geschwindigkeit ist, mit welcher sich das Primärteil bewegt, umso mehr Wirbelströme entstehen im Dämpfungselement und umso größer ist die Dämpfungswirkung. Demnach ist die Dämpfungswirkung bei hohen vorliegenden Ge- schwindigkeiten gut und bei kleineren Geschwindigkeiten entsprechend niedriger.

Mit dem aktiven Wirbelstrom-Dämpfungselement wird die Kraft- welligkeit des Linearmotors verbessert. Durch ein erfindungs- gemäßes Dämpfungselement wird eine bauraumoptimale und kos ^¬ tengünstige Lösung geschaffen.

Vorteilhafterweise ist das Dämpfungselement an einem Träger ^¬ element zur mechanischen Ankopplung und thermischen Anbindung angeordnet .

Die Funktion des Trägerelements ist eine mechanische Befesti ^¬ gung sowie eine thermische Anbindung des Dämpfungselements an

das Blechpaket des Primärteils. Das gesamte Primärteil wird üblicherweise über das Blechpaket befestigt und gekühlt. Da ^¬ her ist es sinnvoll, die mechanische und thermische Anbindung des Dämpfungselements über das Blechpaket zu realisieren, vorzugsweise dadurch, dass das Trägerelement einteilig mit dem magnetisch aktiven Blechschnitt des Motors ausgeführt ist. Aufgrund der Tatsache, dass das Trägerelement Teil des Blechpaketes ist, welches magnetisch leitend ist, ist das Trägerelement zwangsläufig auch magnetisch leitend (μ _r >> 1) .

Um aber eine Beeinflussung des magnetischen Motorflusses und damit der Kraftbildung durch das Trägerelement zu vermeiden, sollte das Trägerelement nicht bis in den magnetisch aktiven Bereich der Sekundärteilmagnete hineinragen, sondern sollte einen ausreichend großen Abstand zur Magnetoberfläche des Se ^¬ kundärteils aufweisen. Dieser Abstand sollte größer als der Abstand des Blechpakets zur Magnetoberfläche, d. h. als der Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil, sein. Solch ein genügend großer Abstand wird automatisch erreicht, da sich in diesem magnetisch aktiven Bereich in der Nähe der Magnete das Dämpfungselement selbst befindet, um die gewollte Dämpfungs ^¬ wirkung durch induzierte Wirbelströme bei Bewegung im starken Magnetfeld der Sekundärteilmagnete zu erzielen. Zugleich muss das Dämpfungselement eine niedrige magnetische Leitfähigkeit aufweisen, damit der Magnetfluss des Motors nicht verzerrt und damit die Kraftbildung des Motors nicht negativ beein- flusst wird.

Vorzugsweise ist das Dämpfungselement kraft-, Stoff- oder formschlüssig an der tragenden Konstruktion bzw. am Trägerelement, welches vorteilhafterweise als ein Zahn des Blech ^¬ schnitts ausgebildet ist, anbringbar. Das Dämpfungselement ist durch geeignete Verbindungen, wie beispielsweise durch Kleben, Schrauben, Einhaken oder durch eine Schwalbenschwanz- Verbindung am Trägerelement, das als Trägerzahn des Blechpa ^¬ kets ausgebildet ist, angebracht. Das Trägerelement kann auch an das Blechpaket geklemmt oder geklipst sein.

Vorzugsweise ist das Dämpfungselement so angeordnet, dass zwischen Trägerelement und Dämpfungselement ein Wärmeaus ^¬ tausch stattfindet. Es besteht eine thermische Anbindung bzw. Kopplung der Dämpfungselemente an das Blechpaket des Motors bzw. an die Einzelbleche, da Motorblech und Trägerelement insbesondere einteilig ausgebildet sind. Durch die im Dämp ^¬ fungselement induzierten Wirbelströme entsteht Wärme, die entsprechend abgeführt werden sollte, da sonst eine zu starke Wärmeentwicklung stattfindet, was u. U. zu einer Schädigung der Bauteile führen kann.

Vorteilhafterweise ist das Blechpaket zusammen mit dem tra ^¬ genden Element einteilig ausgebildet . Das tragende Element wird bereits bei Anfertigung der Bleche ausgebildet, d.h. es liegt ein einteiliger Blechschnitt vor, wodurch eine einfache und kostengünstige Herstellung der Einzelbleche mit tragenden Elementen möglich ist.

Blechpaket und Trägerelement können auch zweiteilig ausgebil- det sein, wobei das Trägerelement kraft-, Stoff- oder form ^¬ schlüssig am Blechpaket anbringbar ist.

Vorteilhafterweise ist das Dämpfungselement aus massivem Alu ^¬ minium (Al) oder Kupfer (Cu) hergestellt. Diese Werkstoffe weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, sind kosten ^¬ günstig und einfach verarbeitbar.

Das aktive Dämpfungselement ist massiv ausgeführt, damit die Dämpfungswirkung aufgrund der induzierten Wirbelströme im Dämpfungselement bei Bewegung des Primärteils über die Magne ^¬ te des Sekundärteils erreicht werden kann. Zugleich muss das Dämpfungselement eine niedrige magnetische Leitfähigkeit auf ^¬ weisen, damit der Magnetfluss des Motors nicht verzerrt und damit die Kraftbildung des Motors nicht negativ beeinflusst wird.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Trägerelement so ausgebildet, dass es zumindest teilweise oder ganz an einer be-

nachbarten Spule zum Wärmeaustausch anliegt. Dadurch findet eine verbesserte Kühlung der Spule statt.

Vorzugsweise ist die dem Luftspalt zugewandte Fläche des Dämpfungselementes gerundet. Das Dämpfungselement weist bei ^¬ spielsweise mit einem vorgebbaren Radius abgerundete Ecken auf. Diese Maßnahme trägt zur Reduktion der Rastkräfte bei.

Es besteht die Möglichkeit, nicht jedes Blech mit einem Trä- gerelement zu versehen. Beispielsweise weist nur jedes zweite Blech ein Trägerelement auf. Bei einteiligen Primärteilen, d.h. Primärteilen mit nur einem Blechpaket, ist es möglich, dass jedes Blech nur ein Trägerelement an einem Endbereich des Bleches aufweist. Die einzelnen Bleche können dann bei- spielsweise so zum Blechpaket zusammengefügt werden, dass durch Drehen der einzelnen Bleche das Trägerelement einmal nach links oder nach rechts ausgerichtet ist. Dadurch wird eine ausreichende Steifigkeit des Trägerelements erreicht.

Das Dämpfungselement kann auch derart angeordnet sein, dass jeweils das erste und letzte Blech des Blechpakets Trägerele ^¬ mente aufweisen, die in ihrer Länge der Länge eines Haupt ^¬ zahns des Blechpakets entsprechen. Die langen Außenbleche weisen jeweils eine öffnung oder eine Bohrung auf, durch die beispielsweise mittels eines Stiftes das Dämpfungselement zwischen den Außenblechen angeordnet werden kann. Die zwei äußeren Bleche mit langen Trägerelementen stellen nur eine verhältnismäßig geringe Störung des ursprünglichen Motorflus ^¬ ses bzw. Motorkraftbildung dar.

Für eine bauraumoptimierte Ausführung des Linearmotors werden eine minimale Breite sowie ein möglichst geringer Abstand des tragenden Zahns (Trägerelement) zu den elektrisch-magnetisch aktiven Teilen des Primärteils (Wicklung und Blechpaket) an- gestrebt.

Weiterhin weist das Dämpfungselement zu dem bzw. den benach ^¬ barten bewickelten Zähnen des Blechpakets einen Abstand auf.

Vorteilhafterweise wird der Abstand des Dämpfungselements zu dem bzw. den benachbarten Zähnen so gewählt, dass dieser der Polteilung des Sekundärteils entspricht, damit eine möglichst hohe Flussverkettung mit der letzten Spule und somit eine ge- wollte Anhebung der induzierten Spannung der letzten Spule erfolgt .

Für eine bauraumoptimierte Ausführung des Linearmotors werden eine minimale Breite sowie ein möglichst geringer Abstand des Dämpfungselements angestrebt. Dadurch ergibt sich ein optima ^¬ ler Abstand des Dämpfungselements vom benachbarten bewickel ^¬ ten Zahn, der kleiner als die Polteilung des Sekundärteils ist. Der Abstand des Dämpfungselements kann aber auch größer als die Polteilung des Sekundärteils sein.

Das Primärteil des Linearmotors kann aus mehreren in Bewe ^¬ gungsrichtung hintereinander angeordneten Blechpaketen bestehen. Demnach weisen die mittig angeordneten Blechpakete keine Dämpfungselemente auf, sondern es sind erfindungsgemäß ledig- lieh Dämpfungselemente an den jeweiligen Enden, also den

Stirnseiten des Primärteils angeordnet. Dabei wird beispiels ^¬ weise durch Drehen eines Bleches mit rechtsseitigem Element ein Blech mit linksseitigem Element, so dass an den Stirnsei ^¬ ten dieser Primärteile lückenlose Elemente vorhanden sind. Bei Primärteilen mit nur einem Blechpaket, also einteiligen Primärteilen, sind an jedem Ende Dämpfungselemente vorzuse ^¬ hen .

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das aktive Dämpfungselement und/oder das entsprechende Trägerelement nicht über die gesamte Breite eines Blechpakets ausgebildet. Die Breite des Blechpakets erstreckt sich quer zur Bewegungs ^¬ richtung des Primärteils. So erstreckt sich beispielsweise das Dämpfungselement nur über einen Teilbereich des Blechpa- kets, wobei das Dämpfungselement dann beispielsweise mittig am Blechpaket angeordnet sein kann. Durch die Ausbildung von nur teilweisen Dämpfungselementen kann die Anpassung zwi-

sehen passiver und aktiver Kraftwelligkeit gemäß den entspre ^¬ chenden Anforderungen an den Linearmotor vorgenommen werden.

Das erfindungsgemäße Primärteil ist vorzugsweise für einen Linearmotor vorgesehen. Das Primärteil kann aber auch in rotatorischen Maschinen eingesetzt werden, wobei der Stator Endbereiche aufweist, wie beispielsweise segmentierte rotato ^¬ rische Motoren.

In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:

FIG 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Linear ^¬ motors .

FIG 1 zeigt eine Seitenansicht eines prinzipiell dargestell ^¬ ten Synchronlinearmotors 1, der ein oder mehrere Blechpakete 3 aufweist, deren jeweilige Bleche parallel zur Zeichenebene geschichtet sind und die das Primärteil 2 bilden. Die Bewe ^¬ gungsrichtung des Linearmotors 1 ist durch den Pfeil R ange- geben. Das Primärteil 2 weist ferner die Spulen 4 auf. Die Spulen 4 umschließen die Zähne 5 des Primärteils 2 derart, dass sich in einer Nut 6 unterschiedliche Spulen 4 befinden. Weiterhin weist der Linearmotor 1 das Sekundärteil 7 mit den Permanentmagneten 8 auf. Das Sekundärteil 7 ist auf einem nicht näher dargestellten Maschinenbett positioniert. Die

Permanentmagnete 8 sind mit der Polteilung τ _M angeordnet. Die Polteilung τ _M kann sich aber auch durch elektrische Erregung einer im Sekundärteil 7 angeordneten Erregerwicklung ausbilden. Primärteil 2 und Sekundärteil 7 sind durch den Luftspalt δ voneinander beabstandet.

Die Nutteilung des τ _N Primärteils 2 ist vorzugsweise ungleich der Polteilung τ _M des Sekundärteils ist.

An den Stirnseiten Sl und S2 des Blechpakets 3 ist jeweils ein Element 11 zur Reduktion der Kraftwelligkeit angeordnet. Das Element 11, auch Dämpfungselement genannt, ist elektrisch leitend und weist eine möglichst geringe magnetische Leitfä- higkeit auf. Das Dämpfungselement 11 ist aus Massivmaterial ausgeführt, damit sich die Wirbelströme im Dämpfungselement 11 ausbilden können. Das Dämpfungselement 11 ist an einem Trägerelement 10, welches vorzugsweise als Zahn des Blechpa ^¬ ketes 3 ausgebildet ist, befestigt.

Ferner weist das Dämpfungselement 11 mit dem Trägerzahn 10 die Länge L _i0 auf, die der Länge L ₅ eines Hauptzahns 5 ent ^¬ spricht .

Für eine bauraumoptimierte Ausführung des Linearmotors 1 wer ^¬ den eine minimale Breite Bi ₀ sowie ein möglichst geringer Ab ^¬ stand, d.h. kleiner als die Polteilung τ _M , des Trägerelements 10 mit dem Dämpfungselement 11 zur letzten Spule 4 des Pri ^¬ märteils 2 angestrebt. Dadurch wird ein guter thermischer Kontakt der letzten Spule 4 zum Trägerelement 10 hergestellt, wodurch die letzte Spule 4 gut gekühlt wird.