JAJTIC, Zeljko (Pelkovenstr. 35c, München, 80992, DE)
VOLMERT, Christian (Kaulbachstr. 61, München, 80539, DE)
HOPPE, Thomas (Granatweg 3, Altdorf, 84032, DE)
JAJTIC, Zeljko (Pelkovenstr. 35c, München, 80992, DE)
VOLMERT, Christian (Kaulbachstr. 61, München, 80539, DE)
Patentansprüche
1. Primärteil (2) für eine elektrische Maschine (1), wobei das Primärteil (2) zumindest aus einem Blechpaket (3) gebil- det ist und das Blechpaket (3) mehrere inneren und zumindest zwei äußere Zähne (10i, 10a) mit Zahnlängen (Li 0 I, Li Oa ) auf ¬ weist, wobei die äußeren Zähne (10a) jeweils an Stirnseiten (Sl, S2) des Primärteils (2) angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest zwei Zähne (10i, 10a) unterschiedliche Zahnlängen (Lioi, Li Oa ) aufweisen.
2. Primärteil (2) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein innerer Zahn
(1Oi) kürzer als die äußeren Zähne (10a) ausgebildet ist.
3. Primärteil (2) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Primärteil (2) meh ¬ rere Blechpakete (3, 3a, 3b) aufweist, wobei die Zähne (10) der inneren Blechpakete (3a, 3b) die gleiche Länge wie die äußeren Zähne (10a) der äußeren Blechpakete (3) aufweisen.
4. Primärteil (2) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein innerer Zahn
(1Oi) länger als die äußeren Zähne (10a) ausgebildet ist.
5. Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die inneren Zähne (1Oi) untereinander unterschiedliche Zahnlängen (Li Ol i, L1012) aufweisen.
6. Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Primär ¬ teil (2) zur Anordnung mit einem Sekundärteil (7) vorgesehen ist und Primärteil (2) und Sekundärteil (7) durch einen Luft- spalt (δ) voneinander beabstandet sind, wobei sich durch ver ¬ schiedene Zahnlängen (Li 01 , Li Oa ) ein stufenartig verlaufender Luftspalt (δ) ausbildet.
7. Linearmotor (1) mit mindestens einem Primärteil (2) und mindestens einem Sekundärteil (7), wobei Primärteil (2) und Sekundärteil (7) durch einen Luftspalt (δ) voneinander beab ¬ standet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Linearmotor (1) ein Primärteil (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 aufweist. |
Beschreibung
Linearmotor mit Kraftwelligkeitsausgleich
Die Erfindung betrifft ein Primärteil für eine elektrische
Maschine, wobei das Primärteil zumindest aus einem Blechpaket gebildet ist und das Blechpaket mehrere inneren und zumindest zwei äußere Zähne mit Zahnlängen aufweist, wobei die äußeren Zähne jeweils an Stirnseiten des Primärteils angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung einen Linearmotor 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 vorgesehen. 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 durch Motorenden Kraftschwankungen auf, welche sich nachteilig auf Gleichlauf und Dynamik auswirken. Die Kraftschwankungen lassen sich zum Teil auf eine kleinere induzierte Span- nungen in den Randspulen zurückführen.
Um den magnetischen Fluss von Erregerfeld des Sekundärteils und Hauptfeld des Primärteils zu führen, werden beim aktiven wicklungstragenden Teil des Motors (Primärteil) üblicherweise gezahnte Bleche verwendet. Zwischen den Erregerpolen und der gezahnten Struktur des Hauptfeldes findet eine magnetische Wechselwirkung statt, die zu parasitären Rastkräften, auch passive Kraftwelligkeit genannt, führt. Die Folge sind Vibra ¬ tionen, unruhiger Lauf sowie Schleppfehler bei Bearbeitungs- prozessen. 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 Rückschlusses in der Regel geringer
ausgeprägt 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.
Aus der US 6 831 379 B2 ist ein Linearmotor bekannt, dessen Primärteil an den Stirnseiten des Blechpakets zu den Haupt ¬ zähnen zusätzliche Hilfszähne aufweist, wobei die Hilfszähne von dem Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil durch ei ¬ nen zusätzlichen Luftspalt beabstandet sind. Dadurch wird die passive Kraftwelligkeit des Linearmotors, d.h. die Rastkraft, reduziert .
Nachteilig dabei ist, dass zwar die Rastkraft des Linearmo ¬ tors reduziert ist, das Primärteil jedoch keine symmetrisch induzierten Spannungen in den einzelnen Wicklungen bzw. Spulen aufweist, d.h. es findet keine Reduzierung der aktiven Kraftwelligkeit statt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen gattungsgemäßen 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 7 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 ersten Luftspalt voneinander beabstandet sind. Das Sekun ¬ därteil weist eine Folge von durch Permanentmagneten gebilde- ten Polen auf. Das Primärteil ist aus einem oder mehreren Blechpaketen gebildet, wobei das Blechpaket aus einer Viel ¬ zahl von Einzelblechen 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.
Das Blechpaket weist mehrere innere und äußere Zähne mit ent ¬ sprechenden Zahnlängen auf, wobei zumindest zwei Zähne unter ¬ schiedliche Zahnlängen aufweisen. Durch die Ausbildung verschiedener Zahnlängen ist, neben der Reduktion der passiven Kraftwelligkeit, auch eine Reduktion der aktiven Kraftwellig- keit möglich. Durch Variation der Zahnlängen kann auf die induzierten Spannungen in den einzelnen Spulen Einfluss genommen werden. Je länger ein Zahn ausgebildet ist, desto größer ist die im Zahn bzw. in der den Zahn umgebenden Spule indu- zierte Spannung und umgekehrt.
Die resultierende induzierte Spannung eines Motorstranges er ¬ gibt sich als vektorielle Summe der induzierten Spannungen von einzelnen Spulen, die zu einem Motorstrang in Reihe ge- schaltet sind. Damit kann mit der induzierten Spannung der einzelnen Spulen auch die resultierende induzierte Spannung und damit die aktive Kraftwelligkeit in vorteilhafter Weise beeinflusst werden, wobei Ziel hierbei eine Symmetrierung der
induzierten Spannungen der beispielsweisen drei Motorstränge ist.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die inneren Zähne gegenüber den äußeren Zähnen kürzer ausgebildet, wodurch sich auch verschiedene Luftspalte, oder auch ein stu ¬ fenartig verlaufender Luftspalt, zwischen Primärteil und Se ¬ kundärteil ausbilden. Aufgrund der längeren Außen- bzw. Endzähne, werden die induzierten Spannungen in den wicklungstra- genden Endzähnen des Primärteils angehoben, wobei hier das
Ziel eine möglichst gleichförmige EMK, d.h. gleich große in ¬ duzierte Spannung, in allen Spulen oder zumindest in allen Motorsträngen, üblicherweise drei Stränge u, v, w, des Pri ¬ märteils ist .
In einer weiteren Ausgestaltung sind die inneren Zähne so ausgebildet, dass sie selbst untereinander unterschiedliche Längen aufweisen. Insbesondere nimmt die Zahnlänge von den äußeren Zähnen hin zu den inneren Zähnen ab, so dass die mit- tig angeordneten Zähne die kürzesten sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die inneren Zähne gegenüber den äußeren Zähnen länger ausgebildet, wodurch sich auch verschiedene Luftspalte, oder auch ein stu- fenartig verlaufender Luftspalt, zwischen Primärteil und Se ¬ kundärteil ausbilden. Mit besonderem Vorteil sind zumindest zwei, in Bewegungsrichtung des Primärteils benachbarte, äuße ¬ re Zähne an einer Stirnseite des Primärteils kürzer als die inneren Zähne. Bei dieser Ausführungsform trägt der äußerste Zahn keine Spule und befindet sich neben dem letzten spulentragenden Zahn. Die inneren Zähne weisen einen ersten Abstand zur Magnetoberfläche des Sekundärteils auf, wobei der erste Abstand der reguläre Luftspalt zwischen Primär- und Sekundär ¬ teil ist. Der letzte spulentragende Zahn weist einen zweiten Abstand und der äußerste spulenlose Zahn einen dritten Ab ¬ stand zur Magnetoberfläche des Sekundärteils auf. Erster, zweiter und dritter Abstand sind unterschiedlich groß ausgebildet, wobei der erste Abstand kleiner als der zweite, und
der zweite Abstand kleiner als der dritte Abstand oder gleich dem dritten Abstand ausgebildet ist. Dadurch erhält der Motor einen Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil, der an beiden Motorenden, d. h. Stirnseiten, im Wesentlichen konti- nuierlich größer wird und dadurch einen „sanften" übergang vom inneren Bereich zu den Randbereichen des Primärteils aufweist. Es kann eine optimale Symmetrierung der induzierten Spannungen im Motor bzw. optimale Reduzierung der Kraftwel- ligkeit erreicht werden.
Durch einen nicht konstanten Luftspalt unter einem einzelnen inneren oder äußeren Zahn kann der Luftspaltverlauf zwischen Primär- und Sekundärteil noch besser optimiert werden. Das kann mit einer schräg zum Luftspalt verlaufenden Unterkante des Zahns erreicht werden.
Das Primärteil des Linearmotors kann aus mehreren in Bewe ¬ gungsrichtung hintereinander angeordneten Blechpaketen bestehen. Demnach weisen die mittig bzw. innen angeordneten Blech- pakete nur Zähne mit gleicher Zahnlänge auf, und lediglich die beiden äußeren Blechpakete weisen Zähne mit unterschied ¬ lichen Zahnlängen auf. Insbesondere weisen die Zähne der inneren Blechpakete die gleiche Länge wie die äußeren Zähne der äußeren Blechpakete auf. Da bei inneren Blechpaketen, auch Module bzw. Blechmodule genannt, keine Endeffekte bzgl.
Kraftwelligkeit auftreten, ist es ausreichend, lediglich die Endmodule mit verschiedenen Zähnen auszubilden. Ferner werden so unnötige Kraftverluste in den inneren Modulen vermieden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird nicht nur auf die induzierte Spannung in den Randspulen, sondern auf alle Spulen Einfluss genommen. Dies wird durch unterschiedliche Zahnlän ¬ gen der einzelnen Zähne erreicht . Die Zähne können dabei in Gruppen oder einzeln, kürzer oder länger als die jeweils an- deren Zähne ausgebildet sein. Die optimale Kombination von kürzeren und längeren Zähnen ist von der Verteilung der Zähne bzw. Zahnspulen der Motorstränge abhängig. Weiterhin ist die
Ausbildung von unterschiedlichen Zähnen von dem Verhältnis von Nutteilung zu Polteilung abhängig.
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 erste Ausführungsform eines Linearmotors;
FIG 2 eine zweite Ausführungsform eines Linearmotors;
FIG 3 ein Primärteil mit mehreren Blechpaketen; FIG 4 eine dritte Ausführungsform eines Linearmotors; und
FIG 5 eine vierte Ausführungsform eines Linearmotors.
FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemä ¬ ßen Linearmotors 1 mit einer ersten Ausgestaltung verschiede- ner Zähne 10. FIG 1 zeigt eine Seitenansicht eines prinzi ¬ piell dargestellten Synchronlinearmotors 1, der ein Blechpa ¬ ket 3 aufweist, dessen jeweilige Bleche parallel zur Zeichen ¬ ebene geschichtet sind und die das Primärteil 2 bilden. Die Bewegungsrichtung des Linearmotors 1 ist durch den Pfeil R angegeben. Das Primärteil 2 weist ferner die Spulen 4 auf.
Die Spulen 4 umschließen die Zähne 10 des Primärteils 2 der ¬ art, dass sich in einer Nut 6 unterschiedliche Spulen 4 be ¬ finden. 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 Erre ¬ gung einer im Sekundärteil 7 angeordneten Erregerwicklung
ausbilden. Primärteil 2 und Sekundärteil 7 sind durch den Luftspalt δl voneinander beabstandet.
Das Blechpaket 3 weist mehrere innere und äußere Zähne 10a, 10i mit entsprechenden Zahnlängen Li 0 auf, wobei die inneren Zähne 10i gegenüber den äußeren Zähnen 10a kürzer ausgebildet sind. Die inneren Zähne 10i weisen die Zahnlänge Li 01 und die äußeren Zähne 10a die Zahnlänge Li Oa auf, wodurch sich auch verschiedene Luftspalte δl, δ2 zwischen Primärteil und Sekun- därteil ausbilden. Aufgrund der längeren Außen- bzw. Endzähne 10a, werden die induzierten Spannungen in den wicklungstragenden Endzähnen 10a des Primärteils angehoben.
FIG 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemä- ßen Linearmotors 1. Insbesondere sind die inneren Zähne 10i so ausgebildet, dass sie selbst untereinander verschiedene Zahnlängen Lioii, L1012 aufweisen. Wie FIG 2 zeigt, nimmt die Zahnlänge von den äußeren Zähnen hin zu den inneren Zähnen ab, so dass die mittig angeordneten Zähne die kürzesten sind. Durch mehrere verschiedene Zahnlängen ist eine Optimierung der Ausgleichseffekte möglich.
FIG 3 zeigt ein Primärteil 2 mit mehreren Blechpaketen 3. Das Primärteil 2 besteht aus mehreren in Bewegungsrichtung R hintereinander angeordneten Blechpaketen 3, 3a, 3b. Demnach weisen die mittig bzw. innen angeordneten Blechpakete 3a, 3b nur Zähne 10 mit gleicher Zahnlänge Li 0 auf, und lediglich die beiden äußeren Blechpakete 3 weisen Zähne 10a, 10i mit unterschiedlichen Zahnlängen Li Oa , Li 01 auf. Gut ist in FIG 3 zu erkennen, dass die Zähne 10 der inneren Blechpakete 3a, 3b die gleiche Länge Li Oa wie die äußeren Zähne 10a der äußeren Blechpakete 3 aufweisen. Da bei den inneren Blechpaketmodulen 3a, 3b keine Endeffekte bzgl . der Kraftwelligkeit auftreten, ist es ausreichend, lediglich die Endmodule 3 mit verschiede- nen Zähnen 10a, 10i auszubilden. Ferner werden so unnötige Kraftverluste in den inneren Modulen 3a, 3b vermieden.
FIG 4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Linearmotors 1. Die inneren Zähne 10i sind gegenüber den äußeren Zähnen 10a länger ausgebildet, wodurch sich auch verschiedene Luftspalte δi, δ 2 und δ 3 zwischen Primärteil 2 und Sekundärteil 2 ausbil- den. Insbesondere sind zwei, in Bewegungsrichtung R des Primärteils 2 benachbarte, äußere Zähne 10a an einer Stirnseite Sl oder S2 des Primärteils 2 kürzer als die inneren Zähne 10i. Bei dieser Ausführungsform trägt der äußerste Zahn keine Spule und befindet sich neben dem letzten spulentragenden Zahn. Die inneren Zähne 10i weisen einen ersten Abstand δi zur Magnetoberfläche des Sekundärteils 7 auf, wobei der erste Abstand δi der reguläre Luftspalt zwischen Primär- und Sekun ¬ därteil 2, 7 ist. Der letzte spulentragende Zahn 10a weist einen zweiten Abstand δ 2 und der äußerste spulenlose Zahn 10a einen dritten Abstand δ 3 zur Magnetoberfläche des Sekundär ¬ teils 7 auf. Erster, zweiter und dritter Abstand sind unterschiedlich groß ausgebildet, wobei der erste Abstand δi klei ¬ ner als der zweite δ 2 , und der zweite Abstand δ 2 kleiner als der dritte Abstand δ 3 oder gleich dem dritten Abstand δ 3 aus- gebildet ist (δi < δ 2 ≤ δ 3 ) . Dadurch erhält der Motor 1 einen Luftspalt δ zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7, der an beiden Motorenden, d.h. Stirnseiten Sl und S2, im Wesentlichen kontinuierlich größer wird und dadurch einen „sanften" übergang vom inneren Bereich zu den Randbereichen des Primär- teils 2 aufweist. Es kann eine optimale Symmetrierung der in ¬ duzierten Spannungen im Motor bzw. optimale Reduzierung der Kraftwelligkeit erreicht werden.
FIG 5 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Linearmotors 1, welche im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß FIG 4 entspricht. FIG 5 zeigt, dass unter einem einzelnen Zahn 10a ein nicht konstanter Luftspalt δ ausgebildet ist. Durch einen nicht konstanten Luftspalt δ unter einem einzelnen inneren oder äußeren Zahn 10i, 10a kann der Luftspaltverlauf zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7 noch besser optimiert werden. Der nicht konstante Luftspaltverlauf kann mit einer schräg zum Luftspalt δ verlaufenden Unterkante eines Zahns 10i, 10a erreicht werden.
Weiterhin weist der letzte spulenlose Zahn 10a zum benachbarten spulentragenden Zahn 10a des Blechpakets 3 einen Abstand τ F auf. Vorteilhafterweise wird der Abstand τ F so gewählt, dass dieser der Polteilung τ M des Sekundärteils 7 entspricht, damit eine möglichst hohe Flussverkettung mit der letzten Spule 4 und somit eine gewollte Anhebung der induzierten Spannung der letzten Spule 4 erfolgt. Für eine bauraumopti- mierte Ausführung des Linearmotors 1 wird ein möglichst ge ¬ ringer Abstand τ F angestrebt. Dadurch ergibt sich ein optima- ler Abstand τ F vom benachbarten spulentragenden Zahn, der kleiner als die Polteilung τ M des Sekundärteils 7 ist. Wird aber beispielsweise ein hohe Anziehungskraft zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7 angestrebt, beispielsweise zwecks Vor ¬ spannkraft bei einer Luftlagerung, ist der optimale Abstand τ F vom benachbarten Zahn größer als die Polteilung τ M des Sekundärteils ausgebildet .
Next Patent: REVOLVING DEVICE FOR A CONVEYOR CHAIN OR A CONVEYOR BELT.