Dreiphasenlinearantrieb mit reduzierter Kraftwelligkeit

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dreiphasenlinearantrieb mit einem Primärteil, das Wicklungen für drei Phasen u, v, w aufweist, welche entlang der Verfahrrichtung des Antriebs in einem Nutteilungsabstand Tn angeordnet sind, und einem Sekundärteil, das entlang der Verfahrrichtung des An- triebs Magnete in einem Polteilungsabstand Tp aufweist.

Dreiphasige, zylindrische Linearsynchronmaschinen mit Perma ^¬ nentmagneten auf den Sekundärteilen, wie sie beispielsweise bei Kombinationsantrieben, die auch einen Rotationsantrieb besitzen, eingesetzt werden, besitzen üblicherweise im Leerlauf und im Nennbetrieb eine nennenswerte Kraft- bzw. Drehmo- mentwelligkeit . Daher wurden bisher zylindrische Linearmoto ^¬ ren nicht für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit den entsprechend hohen Anforderungen an die Kraftwelligkeit gebaut .

Die Ursache für die Kraftwelligkeit eines Linearmotors be ^¬ steht u. a. darin, dass er einen Anfang und ein Ende auf ^¬ weist. An den Übergängen am Anfang und am Ende entstehen bei einem Synchronlinearmotor periodische Motorendkräfte in Bewe- gungsrichtung, die sich auf die kontinuierliche Bewegung des Linearmotors störend auswirken, wie dies in der Patentschrift DE 198 29 052 Cl näher beschrieben ist. Zur Reduktion der Kraftwelligkeit ist dort vorgeschlagen, das Primärteil mit Mitteln zu versehen, die zu einer Änderung der Magnetkraft in Bewegungsrichtung des Linearmotors im Bereich der Endstücke des Primärteils führen. Die Stirnflächen der Endstücke ver ^¬ laufen dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung des Linearmo ^¬ tors. Insbesondere sind dort Endstücke vorgesehen, die in der Nähe des Sekundärteils abgerundet sind.

Aufgrund der Struktur des Primärteils entsteht darüber hinaus eine Kraftwelligkeit in Abhängigkeit von der Bestromung. Dies ist in der Patentanmeldung DE 10 2004 045 940.1 näher be-

schrieben. Demnach entstehen im Primärteil bestromungsabhän- gige Sättigungsschwankungen, die auch als „virtuelle Zähne" bezeichnet werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Dreiphasenlinearantrieb anzugeben, der eine reduzierte Kraft- welligkeit im Leerlauf und im Nennbetrieb hat.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Drei- phasenlinearantrieb mit einem Primärteil, das Wicklungen für drei Phasen u, v, w aufweist, welche entlang der Verfahrrichtung des Antriebs in einem Nutteilungsabstand Tn angeordnet sind, und einem Sekundärteil, das entlang der Verfahrrichtung des Antriebs Magnete in einem Polteilungsabstand Tp aufweist, wobei das Verhältnis von Nutteilungsabstand Tn und Poltei ^¬ lungsabstand Tp 8/15 oder ein Vielfaches davon beträgt und die Wicklungen im Primärteil folgendes Wicklungsschema auf ^¬ weisen: u+, w-, u-, w+, u+, v+, u-, v-, u+, v+, w+, v-, w-, v+, w+; wobei der Buchstabe die jeweilige Phase u, v, w der Wicklung, das Zeichen „+" einen ersten Wickelsinn einer Wicklung um eine vorgegebene Achse und das Zeichen „-" einen zweiten, dem ersten entgegengesetzten Wickelsinn einer Wicklung um die vorgegebene Achse kennzeichnet.

Die Problematik der Kraftwelligkeit wird somit durch eine Kombination mehrere Maßnahmen, die mehrere Ursachen von Kraftwelligkeit verhindern, gelöst. Speziell die Reduzierung der Auswirkung von Leitwertschwankungen durch Sättigung (virtuelle Zähne) wird durch den besonderen Statoraufbau und die Wicklungen gelöst. Weiterhin wird durch das spezifische Verhältnis von Statornutteilung Tn des Primärteils zu Polteilung Tp des Sekundärteils eine verschwindend geringe Kraftwellig ^¬ keit im stromlosen Betrieb erreicht. Insgesamt wird also die Kraftwelligkeit durch das spezielle Verhältnis von Nut- und Polteilungsabständen und den speziellen Wicklungssinn der einzelnen Spulen weitestgehend beseitigt.

Vorzugsweise ist der Dreiphasenlinearantrieb als Synchronma ^¬ schine ausgestaltet. Dadurch kann das Sekundärteil anschluss ^¬ frei ausgeführt werden.

Bei einer speziellen Ausführungsform ist der Dreiphasenlinearantrieb zylinderförmig ausgebildet, wobei Primär- und Se ^¬ kundärteil konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dabei ist es günstig, wenn das Primärteil hohlzylindrisch ausgeformt ist, so dass das Sekundärteil im Inneren des Primärteils in dessen axialer Richtung verschiebbar ist. Hierdurch kann ein Kombinationsantrieb, der zusätzlich einen Rotationsantrieb aufweist, realisiert werden, wobei der Läufer des Rotations ^¬ antriebs mit dem Sekundärteil des Dreiphasenlinearantriebs verbunden ist.

An mindestens einer Stirnseite des Primärteils kann weiterhin eine weichmagnetische Endscheibe angebracht sein. Diese Scheibe kann insbesondere als ein Ring ausgestaltet sein, dessen Dicke nach innen hin abnimmt. Speziell kann die Kante zwischen der Stirnfläche der Endscheibe und dem dem Luftspalt zugewandten Innenmantel der ringförmigen Endscheibe des Primärteils gerundet sein. Dies führt zu einer deutlichen Redu ^¬ zierung der Kraftwelligkeit im stromlosen Zustand.

Die Endscheibe kann aber auch als Halbring ausgebildet sein. Jeweils ein Halbring an beiden Stirnseiten des Primärteils bzw. Stators an einer beliebigen Umfangsposition neutralisiert die ansonsten vorhandene Kraftwelligkeit nahezu voll ^¬ ständig.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße drei- phasige, zylindrische Synchronlinearmaschine mit ge ^¬ rundeten Endscheiben;

FIG 2 einen Querschnitt durch eine dreiphasige, zylindri ^¬ sche Synchronlinearmaschine mit halbringförmigen End ^¬ schreiben und

FIG 3 eine Draufsicht auf eine halbringförmige Endscheibe von FIG 2.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in FIG 1 skizziert. Die Figur zeigt einen Querschnitt durch eine dreiphasige zylindrische Synchronlinearmaschine mit ei ^¬ nem Primärteil PT und einem Sekundärteil ST. Das Sekundär- teil ST ist zylindrisch ausgebildet und im Inneren des to- roidförmigen Primärteils PT in axialer Richtung bewegbar und um seine Achse drehbar. Auf dem zylindrischen Sekundärteil ST sind ringförmige Magnete M angeordnet. Sie sind in radialer Richtung magnetisiert . Ihre Magnetisierungsrichtung wechselt sich in axialer Richtung ab, so dass sich abwechselnd Nordpo ^¬ le N und Südpole S ergeben. Der Abstand der ringförmigen Magnete M beträgt Tp.

Das Primärteil PT besitzt 15 Nuten, in die 15 Ringspulen RS eingebracht sind. Diese Ringspulen RS besitzen zueinander den Nutteilungsabstand Tn.

Aus FIG 1 ist zu erkennen, dass das Primärteil PT acht ring ^¬ förmige Magnete M umgibt. Dies bedeutet, dass sich zwischen dem Nutteilungsabstand Tn und dem Polteilungsabstand Tp fol ^¬ gendes Verhältnis ergibt: Tn/Tp = 8/15.

Durch dieses spezifische Verhältnis 8/15 werden die Kräfte, die durch unterschiedliche Sättigung im Eisen entstehen, wei- testgehend neutralisiert, so dass die Kraftwelligkeit redu ^¬ ziert ist.

Auch bei einem vorteilhafterweise ganzzahligen Vielfachen dieses Verhältnisses wird die Kraftwelligkeit reduziert.

Zur Reduzierung der Kraftwelligkeit bei Bestromung werden die 15 Spulen RS den drei Phasen in nachstehender Reihenfolge zugeordnet: u+, w-, u-, w+, u+, v+, u-, v-, u+, v+, w+, v-, w-, v+, w+ .

Dabei kennzeichnen die Zeichen „+" und „-" den Wickelsinn der jeweiligen Spule RS, wobei „+" jedoch nicht einen absoluten Drehsinn bezeichnet, sondern nur bedeutet, dass er gegenüber dem Wickelsinn „-" entgegengesetzt ist.

Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Kraftwelligkeit be- steht darin, den Einfluss der Stirnbereiche des Primärteils

PT zu vermindern. Hierzu werden gemäß der ersten Ausführungsform weichmagnetische Endscheiben Rl und R2 an die Stirnsei ^¬ ten des Primärteils PT angebracht. Die Kontur der Endscheiben Rl, R2 ist so gewählt, dass der Luftspalt zwischen Primär- teil PT und Sekundärteil ST nicht abrupt größer wird. Im vor ^¬ liegenden Fall ist in Anlehnung an die DE 198 29 052 Cl die Endscheibenkontur so gewählt, dass die Kante zwischen der Außenfläche der Endscheibe Rl, R2 und deren Innenmantel abge ^¬ rundet ist. Der dadurch entstehende kontinuierliche Anstieg des Luftspalts vermindert die Kraftwelligkeit im Stirnbereich des Primärteils PT.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von FIG 2 näher erläutert. Der prinzipielle Aufbau des dreiphasigen, zylindrischen Synchronlinearantriebs mit Permanentmagneten auf dem zylindrischen Sekundärteil ST entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbei ^¬ spiels nach FIG 1. Als Endscheiben sind hier jedoch Halbringe Hl und H2 an den Stirnseiten des Primärteils PT angebracht. Die Halbringe Hl, H2 haben in axialer Richtung eine Stärke von Tp/2, d. h. den halben Polteilungsabstand. Die radiale Höhe h der Halbringe Hl, H2 beträgt mindestens Tp/4. Zur Ver-

deutlichung der Geometrie der Halbringe Hl, H2 ist der Halb ^¬ ring Hl in FIG 3 in der Draufsicht dargestellt.

Die Position der Halbringe Hl, H2 am Umfang ist beliebig. Die als Halbringe ausgebildeten Endscheiben bewirken, dass der Luftspalt an der einen Hälfte des Primärteils PT abrupt grö ^¬ ßer wird und in der anderen Hälfte unverändert bleibt. Insge ^¬ samt ergibt sich somit eine Reduzierung der Kraftwechselwirkung zwischen Primärteil PT und Sekundärteil ST, so dass die Kraftwelligkeit insbesondere im unbestromten Zustand abnimmt.