KLAUS, Maximilian (Thomas-Mann-Strasse 9, Stuttgart, 70469, DE)
VOLMERT, Christian (Kaulbachstr. 61, München, 80539, DE)
JAJTIC, Zeljko (Pelkovenstr. 35c, München, 80992, DE)
KLAUS, Maximilian (Thomas-Mann-Strasse 9, Stuttgart, 70469, DE)
VOLMERT, Christian (Kaulbachstr. 61, München, 80539, DE)
| Patentansprüche
1. Primärteil (2) für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Linearmotor (1), wobei a) das Primärteil (2) zur Anordnung mit einem Sekundärteil
(7) vorgesehen ist und Primärteil (2) und Sekundärteil (7) durch einen ersten Luftspalt (δi) voneinander beabstandet sind, b) das Primärteil (2) zumindest aus einem Blechpaket (3) ge- bildet ist, wobei das Blechpaket eine Vielzahl von ge ¬ schichteten Einzelblechen aufweist, c) das Primärteil eine erste Breite (b ges ) aufweist, wobei sich die Breite (b ges ) quer zur Bewegungsrichtung (R) des Primärteils (2) erstreckt, d) das Primärteil an einer oder beiden Stirnseiten (Si, S 2 ) zumindest ein flussführendes Element (10) zur Reduktion der Kraftwelligkeit aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das flussführendes Element (10) eine zweite Breite (bio) aufweist, die kleiner als die Breite (b ges ) ausgebildet ist
(bio < bges) t derart, dass sich das flussführende Element (10) nur über Teilbereiche der Breite (b ges ) des Primärteils (2) erstreckt .
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 das Primärteil (2) mehrere Zähne (5) mit einer Zahnlänge (I 5 ) aufweist, wobei die Länge (lio) des flussführenden Elements (10) der Zahnlänge (I 5 ) ent ¬ spricht .
3. 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 das Primärteil (2) mehrere Zähne (5) mit einer Zahnlänge (I 5 ) aufweist, wobei die Länge (lio) des flussführenden Elements (10) kleiner als die Zahn- länge (I 5 ) ist, so dass das flussführende Element (10) durch einen zweiten Luftspalt (δ 2 ) vom Sekundärteil beabstandet ist .
4. Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das fluss ¬ führende Element (10) zumindest teilweise an einer benachbar ¬ ten Wicklung oder Spule (4) anliegt.
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 das Blechpa ¬ ket (3) mit dem flussführenden Element (10) einteilig oder zweiteilig ausgebildet ist.
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 fluss ¬ führende Element (10) kraft-, Stoff- oder formschlüssig am Blechpaket (3) anbringbar ist.
7. Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das fluss ¬ führende Element (10) durch einen vorgebbaren Abstand (τ F ) von einem benachbarten Zahn (5) des Primärteils (2) beabstan- det ist, wobei für den Abstand (τ F ) gilt: τ F = τ M , wobei τ M die Polteilung des Sekundärteils (7) ist.
8. Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das fluss- führende Element (10) durch einen vorgebbaren Abstand (τ F ) von einem benachbarten Zahn (5) des Primärteils (2) beabstan ¬ det ist, wobei für den Abstand (τ F ) gilt: τ F < τ M oder τ F > τ M , wobei τ M die Polteilung des Sekundärteils (7) ist.
9. Primärteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dem Luftspalt (δi) zugewandte Fläche und/oder Ecken des flussfüh ¬ renden Elementes (10) mit einem vorgebbaren Radius abgerundet ausgebildet sind.
10. Linearmotor (1) mit mindestens einem Primärteil (2) und mindestens einem Sekundärteil (7), wobei Primärteil (2) und Sekundärteil (7) durch einen ersten Luftspalt (δi) voneinan- der beabstandet sind und das Primärteil (2) zumindest aus ei ¬ nem Blechpaket (3) gebildet ist, wobei das Blechpaket eine Vielzahl von geschichteten Einzelblechen aufweist und das Primärteil an einer oder beiden Stirnseiten (Si, S 2 ) zumin ¬ dest ein flussführendes Element (10) zur Reduktion der Kraft- welligkeit aufweist, 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 9 aufweist. |
Beschreibung
Linearmotor mit dreidimensionaler Zahnstruktur
Die Erfindung betrifft ein Primärteil für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Linearmotor, wobei das Primär ¬ teil zur Anordnung mit einem Sekundärteil vorgesehen ist und Primärteil und Sekundärteil durch einen ersten Luftspalt von ¬ einander beabstandet sind, das Primärteil zumindest aus einem Blechpaket gebildet ist, wobei das Blechpaket eine Vielzahl von geschichteten Einzelblechen aufweist, das Primärteil eine erste Breite aufweist, die sich quer zur Bewegungsrichtung des Primärteils erstreckt, und an einer oder beiden Stirnsei ¬ ten zumindest ein flussführendes Element zur Reduktion der Kraftwelligkeit aufweist. 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 Kraftschwankungen auf, welche sich nachteilig auf Gleichlauf und Dynamik auswirken. Die Kraftschwankungen lassen sich zum Teil auf eine kleinere induzierte Spannungen in den Randspu- len zurückführen.
Um den magnetischen Fluss von Erregerfeld des Sekundärteils und Hauptfeld des Primärteils zu führen, werden beim aktiven Teil, d.h. beim wicklungstragenden Teil, des Motors üblicher- weise gezahnte Bleche verwendet. Zwischen den Erregerpolen und der gezahnten Struktur des Hauptfeldes findet eine magne ¬ tische Wechselwirkung statt, die zu parasitären 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 Rückschlusses in der Regel geringer ausgeprägt als in den mittleren Spulen. Dies hat zur Folge, dass der Motor keine symmetrisch induzierte Spannung besitzt 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 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprü ¬ chen zu entnehmen.
Im Unterschied zu rotierenden Maschinen besitzen Linearmoto- ren 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.
Das erfindungsgemäße elektrische Maschine, die insbesondere als Linearmotor ausgebildet ist, weist ein Primärteil auf, das zur Anordnung mit einem Sekundärteil vorgesehen ist, wobei Primärteil und Sekundärteil durch einen ersten 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. Weiterhin weist das Primärteil eine Breite auf, auch Gesamtbreite genannt, welche sich quer zur Bewegungsrichtung des Primärteils erstreckt. Daneben weist das Primärteil noch eine axiale Länge auf, die sich in Bewegungsrichtung des Primärteils erstreckt.
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 der Bleche bzw. des Blechpakets ist jeweils zumindest ein flussführendes Element zur Re ¬ duktion der Kraftwelligkeit angeordnet. Das flussführende E- lement selbst weist ebenso eine Breite auf, auch zweite Brei ¬ te genannt, die sich ebenso wie die Gesamtbreite des Primär- teils quer zur Bewegungsrichtung des Primärteils erstreckt. Erfindungsgemäß ist die zweite Breite zumindest eines fluss ¬ führenden Elements kleiner als die Gesamtbreite des Primär-
teils ausgebildet, so dass die Breite an einer oder beiden Stirnseiten des Primärteils reduziert ist.
Das flussführende Element oder die flussführenden Elemente erstrecken sich somit an einer oder beiden Stirnseiten nicht über die gesamte Breite des Primärteils, sondern nur über Teilbereiche. über die Gesamtbreite betrachtet, weist das flussführende Element demnach Lücken auf.
Die Struktur des flussführenden Elements kann durch unterschiedliche Einzelbleche, die abwechselnd oder in Gruppen pa ¬ ketiert sind, realisiert werden. So weisen beispielsweise die mittleren Bleche einzelne flussführende Elemente auf, wodurch sich ein mittig angeordnetes gesamtes flussführendes Element ergibt.
Durch die Ausbildung von nur teilweisen flussführenden Elementen kann die Anpassung zwischen passiver und aktiver Kraftwelligkeit gemäß den entsprechenden Anforderungen an den Linearmotor vorgenommen werden.
Die reduzierte zweite Breite des flussführenden Elements kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Blechpaket unterschiedliche Bleche aufweist. Es besteht die Möglichkeit, nicht jedes Blech mit einem flussführenden Element zu verse ¬ hen. Beispielsweise weist nur jedes zweite Blech ein fluss ¬ führendes Element auf. Bei einteiligen Primärteilen, d.h. Primärteilen mit nur einem Blechpaket, ist es möglich, dass jedes Blech nur ein flussführendes Element an einem Endbe- reich des Bleches aufweist. Die einzelnen Bleche können dann beispielsweise so zum Blechpaket zusammengefügt werden, dass durch Drehen der einzelnen Bleche das flussführende Element einmal nach links oder nach rechts ausgerichtet ist. Die Kraftwelligkeit ist damit gegenüber den bisher bekannten Mög- lichkeiten ausreichend reduziert.
Das flussführende Element ist an den Stirnseiten der einzel ¬ nen Bleche bzw. des gesamten Blechpakets angebracht und be-
findet sich an bzw. neben der jeweils letzten Nut bzw. des letzten bewickelten Zahns des Primärteils. Das flussführende Element selbst trägt keine Wicklung oder Spule.
Durch die Anbringung eines solchen flussführenden Elements ist, neben der Reduktion der passiven Kraftwelligkeit , auch eine Reduktion der aktiven Kraftwelligkeit möglich. Die indu ¬ zierten Spannungen in den wicklungstragenden Endzähnen des Primärteils werden angehoben, wobei hierbei Ziel eine mög- liehst gleichförmige EMK in allen Spulen des Primärteils ist.
Das Primärteil weist mehrere Zähne mit einer Zahnlänge auf. Das flussführende Element kann entsprechend seiner Breite un ¬ terschiedliche Längen aufweisen. Die Länge des flussführenden Elements kann einerseits der Zahnlänge entsprechen, d. h. Zähne und flussführendes Element weisen die gleiche Länge auf. Andererseits kann die Länge des flussführenden Elements kleiner als die Zahnlänge ausgebildet sein. In diesem Fall ist das flussführende Element durch einen zusätzlichen Luft- spalt zum normalen Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil beabstandet.
Die Wahl der Länge des flussführenden Elements ist abhängig von der Breite des flussführenden Elements. Je breiter das flussführende Element über die Gesamtbreite des Primärteils ausgebildet ist, desto kürzer kann es ausgebildet sein. Je schmäler das flussführende Element ausgebildet ist, desto mehr sollte sich die Länge der Zahnlänge annähern. Anhand dieser Parameter kann direkt auf die Kraftwelligkeit des Pri- märteils Einfluss genommen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das flussführende Element so ausgebildet, dass es teilweise oder ganz an einer benach ¬ barten Wicklung oder Spule zum Wärmeaustausch anliegt. Da- durch findet eine verbesserte Kühlung der Wicklung oder Spule statt.
Vorteilhafterweise ist das Blechpaket zusammen mit dem fluss ¬ führenden Element einteilig ausgebildet. Das flussführende 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 flussführenden Elementen möglich ist.
Blechpaket mit flussführendem Element können auch zweiteilig ausgebildet sein, wobei das flussführende Element kraft-, Stoff- oder formschlüssig am Blechpaket anbringbar ist. Das flussführende Element ist durch geeignete Verbindungen, wie beispielsweise durch Kleben, Schrauben, Einhaken oder durch eine Schwalbenschwanzverbindung am Blechpaket angebracht. Das flussführende Element kann auch an das Blechpaket geklemmt oder geklipst sein.
Weiterhin weist das flussführende Element zu dem bzw. den be ¬ nachbarten bewickelten Zähnen des Blechpakets einen Abstand auf. Vorteilhafterweise wird der Abstand des flussführenden Elements zum benachbarten bewickelten Zahn so gewählt, dass dieser der Polteilung des Sekundärteils entspricht, damit ei ¬ ne möglichst hohe Flussverkettung mit der oder den letzten Spulen des Primärteils und somit eine gewollte Anhebung der induzierten Spannung der letzten Spule erfolgt.
Für eine bauraumoptimierte Ausführung des Linearmotors werden eine minimale Breite des flussführenden Elements selbst sowie ein möglichst geringer Abstand des flussführenden Elements von dem bzw. den benachbarten bewickelten Zähnen angestrebt. Daraus resultiert, dass der optimale Abstand des flussführen ¬ den Elements von dem bzw. den benachbarten Zähnen kleiner als die Polteilung des Sekundärteils ist.
Wird beispielsweise eine hohe Anziehungskraft zwischen Pri- mär- und Sekundärteil angestrebt, beispielsweise zwecks einer Vorspannkraft bei einer Luftlagerung, ist eine größere den Magneten zugewandte Fläche des flussführenden Elements vor ¬ teilhaft. In diesem Fall wird die Ausdehnung des flussführen-
den Elements in Bewegungsrichtung groß gewählt und der opti ¬ male Abstand des flussführenden Elements von dem bzw. den benachbarten Zähnen ist größer als die Polteilung des Sekundärteils .
Vorzugsweise ist die dem Luftspalt zugewandte Fläche des flussführenden Elements gerundet. Das flussführende Element weist beispielsweise mit einem vorgebbaren Radius abgerundete Ecken auf. Diese Maßnahme trägt zur Reduktion der Rastkräfte bei.
Das Primärteil des Linearmotors kann aus mehreren in Bewe ¬ gungsrichtung hintereinander angeordneten Blechpaketen bestehen. Demnach weisen die mittig angeordneten Blechpakete keine flussführenden Elemente auf, sondern es sind erfindungsgemäß lediglich flussführende Elemente an den jeweiligen Enden, also den Stirnseiten des Primärteils angeordnet. Dabei wird beispielsweise durch Drehen eines Bleches mit rechtsseitigem Element ein Blech mit linksseitigem Element, so dass an den Stirnseiten dieser Primärteile lückenlose Elemente vorhanden sind. Bei Primärteilen mit nur einem Blechpaket, also eintei ¬ ligen Primärteilen, können an jeder Stirnseite des Blechpakets flussführende Elemente vorgesehen sein.
Das flussführende Element dient zur Reduktion der Rastkraft über die Länge des Primärteils und zur Erhöhung der Nutzkraft des Linearmotors. Weiterhin werden die Gleichlaufeigenschaf- ten des Motors deutlich verbessert.
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 roato- rische Motoren.
In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläu-
tert . Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
FIG 1 eine perspektivische Ansicht eines Linearmotors und eines Primärteils mit einer ersten Ausgestaltung eines flussführenden Elementes; FIG 2 eine perspektivische Ansicht eines Primärteils mit einer zweiten Ausgestaltung des flussführenden EIe- mentes.
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. Nicht gezeigte Wicklungen umschließen die Zähne 5 des Primärteils 2 derart, dass sich in einer Nut 6 unterschiedli ¬ che Wicklungen befinden. Weiterhin weist der Linearmotor 1 das Sekundärteil 7 mit den Permanentmagneten 8 auf. Das Se ¬ kundärteil 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 ange- ordneten Erregerwicklung ausbilden. Primärteil 2 und Sekundärteil 7 sind durch den Luftspalt δ voneinander beabstandet. An den Stirnseiten Si und S 2 des Blechpakets 3 sind jeweils flussführende Elemente 10 zur Reduktion der Kraftwelligkeit angeordnet .
Weiterhin weist das Primärteil 2 eine Breite b ges auf, auch Gesamtbreite genannt, welche sich quer zur Bewegungsrichtung R des Primärteils 2 erstreckt.
Die flussführenden Elemente 10 selbst weisen ebenso eine
Breite bio auf, auch zweite Breite genannt, die sich ebenso wie die Gesamtbreite b ges des Primärteils 2 quer zur Bewe ¬ gungsrichtung R des Primärteils 2 erstreckt.
Erfindungsgemäß ist die zweite Breite bio des oder der fluss ¬ führenden Elemente 10 kleiner als die Gesamtbreite b ges des Primärteils 2 ausgebildet, so dass die Breite b ges an den bei ¬ den Stirnseiten Si, S 2 des Primärteils 2 jeweils reduziert ist .
Die flussführenden Elemente 10 erstrecken sich somit an den beiden Stirnseiten Si, S 2 nicht über die gesamte Breite b ges des Primärteils 2, sondern nur über Teilbereiche. über die Gesamtbreite b ges betrachtet, weist das flussführende Element 10 demnach Lücken auf.
Die Länge lio der flussführenden Elemente 10 entsprechen der Zahnlänge I5 der übrigen Zähne 5.
Weiterhin weist das flussführende Element 10 zu dem benach ¬ barten bewickelten Zahn 5 des Blechpakets 3 einen Abstand τ F auf, der kleiner als die Polteilung τ M des Primärteils ist.
FIG 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des flussführenden E- lements. Die Länge lio des flussführenden Elements 10 ist kleiner als die Zahnlänge I5 ausgebildet. Gut zu erkennen ist, dass die Breite bio größer als in FIG 1 ausgebildet ist, so dass eine kürzere Ausbildung des flussführenden Elements 10 sinnvoll ist. Dadurch wird trotz der kürzeren Länge lio der flussführenden Elemente 10 ein ausreichender magnetischer Fluss erreicht. In diesem Fall ist das flussführende Element 10 durch einen zusätzlichen Luftspalt δ 2 zum normalen Luftspalt δi zwischen Primär- und Sekundärteil 2, 7 beabstandet.