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Dokumentenidentifikation DE102004061517A1 29.06.2006
Titel Linearantrieb
Anmelder Compact Dynamics GmbH, 82319 Starnberg, DE
Erfinder Gründl, Andreas, Dr., 81377 München, DE;
Hoffmann, Bernhard, 82319 Starnberg, DE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Anmeldedatum 21.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004061517
Offenlegungstag 29.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse H02K 41/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Ein elektromagnetischer Linearantrieb hat einen Ständer und einen gegenüber dem Ständer längs einer Bewegungsrichtung beweglichen Läufer. Der Ständer oder der Läufer hat wenigstens zwei quer zur Bewegungsrichtung beabstandete und längs der Bewegungsrichtung langgezogene Ständerspulen, die jeweils aufeinander zugewandte Stirnflächen haben, die längs der Bewegungsrichtung einen Raum begrenzen, in den eine Permanentmagnetanordnung des Läufers bzw. des Ständers hineinragt. Die Permanentmagnetanordnung hat wenigstens eine Reihe von in Richtung der einander zugewandten Stirnflächen magnetisch abwechselnd orientierten Permanentmagneten.

Beschreibung[de]
Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Linearantrieb. Insbesondere betrifft die Erfindung einen elektromagnetischen Linearantrieb mit einem Ständer und einem Läufer, wobei jeweils entweder der Ständer wenigstens eine Ständerspule aufweist und der Läufer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist, oder der Läufer wenigstens eine Läuferspule aufweist und der Ständer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist.

Aus der DE 199 06 638 C1 (Festo) ist ein elektromagnetisches Antriebssystem in Form eines Linearantriebes bekannt, mit einem den Stator bildenden Antriebsspulensystem, das aus mehreren in der Antriebsrichtung hintereinander angeordneten hohlzylindrischen Antriebsspulen besteht. Im Innern des hohlzylindrischen Antriebsspulensystems ist ein bewegbarer Läufer mit Permanentmagneten vorgesehen. Der Läufer hat mehrere, in der Antriebsrichtung aneinander gereihte, radial magnetisierte Ringmagnete. Die Ringmagnete sind abwechselnd entgegengesetzt polarisiert. Bei zweiphasigem Aufbau entspricht die axiale Länge eines Ringmagneten der doppelten Länge einer Antriebsspule und bei dreiphasigem Aufbau entspricht die axiale Länge eines Ringmagneten der dreifachen Länge einer Antriebsspule. Diese Ausführungsform benötigt zwingend eine Abtriebsstange, um die Längsbewegung der aneinander gereihten Ringmagnete im Innern des hohlzylindrischen Antriebsspulensystems außerhalb nutzbar zu machen. Außerdem bestimmt die Länge der einzelnen Antriebsspulen in Antriebsrichtung im Zusammenspiel mit der axialen Länge der Ringmagneten die kleinste Schrittweite des Linearantriebes.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen kompakt bauenden und effizienten Linearantrieb mit präziser und hoch auflösender Positionierbarkeit bereit zu stellen, der eine hohe Leistungsdichte erlaubt.

Erfindungsgemäße Lösung

Zur Lösung dieses Problems lehrt die Erfindung einen elektromagnetischen Linearantrieb, mit einem Ständer und einem gegenüber dem Ständer längs einer Bewegungsrichtung beweglichen Läufer, wobei der Ständer oder der Läufer wenigstens zwei quer zur Bewegungsrichtung beabstandete und längs der Bewegungsrichtung langgezogene Ständerspulen aufweist, die jeweils aufeinander zugewandte Stirnflächen haben, die längs der Bewegungsrichtung einen Raum begrenzen, in den eine Permanentmagnetanordnung des Läufers bzw. des Ständers hineinragt, wobei die Permanentmagnetanordnung wenigstens eine Reihe von in Richtung der einander zugewandten Stirnflächen magnetisch abwechselnd orientierten Permanentmagneten aufweist.

Damit wird die Permanentmagnetanordnung von den Ständerspulen beidseitig mit magnetischem Fluss beschickt. Dies bewirkt eine maximale Ausnutzung des vorhandenen Raums des Linearantriebes bei sehr hoher Zuverlässigkeit im Betrieb bei geringen Herstellungskosten. Durch die verbesserte Raumausnutzung erhöht sich außerdem der Wirkungsgrad oder die Leistungsdichte des Linearantriebes.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung

Bevorzugt weist der Ständer die Spulenanordnung mit den Magnetfluss-Leitstücken auf und der Läufer ist mit den Permanentmagnet-Elementen versehen. Dies vermeidet die Notwendigkeit bewegter (zum Beispiel schleifender) Stromübergänge auf eine im Läufer vorhandene Spulenanordnung.

Erfindungsgemäß ist die Permanentmagnetanordnung des Läufers von der jeweiligen Stirnfläche der Ständerspulen durch jeweils einen Luftspalt getrennt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Permanentmagneten des Läufers eine zur Mittellängsachse der Ständerspulen im Wesentlichen koaxiale Magnetisierungsorientierung. Diese Anordnung erlaubt eine sehr effiziente Kraft- bzw. Bewegungserzeugung des Läufers relativ zum Ständer.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Permanentmagnetanordnung des Läufers wenigstens zwei zueinander benachbart angeordnete Reihen von magnetisch abwechselnd orientierten Permanentmagneten auf.

Für eine besonders feinteilige Positionierung des Läufers relativ zum Ständer sind die zwei zueinander benachbart angeordneten Reihen von Permanentmagneten um etwa eine halbe Erstreckung eines Permanentmagneten längs der Bewegungsrichtung versetzt nebeneinander angeordnet.

Vorzugsweise ist jede der zueinander benachbart angeordneten Reihen von Permanentmagneten jeweils einer Flanke einer der Ständerspulen zugewandt und mit dieser Flanke fluchtend ausgerichtet. Unter Flanke einer Ständerspule wird hierbei der Teil ihrer Stirnfläche verstanden, in dem die elektrischen Strom führenden Leitungen der Ständerspule verlaufen – also nicht der stromlose innere Bereich.

In einer sehr effizient herstellbaren, kompakten und vibrationsunempfindlichen Ausführungsform der Erfindung sind die Ständerspulen als Multilayer-Spulenstapel ausgestaltet. Dabei sind ein oder mehrere Multilayerschichten an- oder aufeinander geschichtet und jede hat eine spiralförmige Leitung, wobei die Leitungen an- oder aufeinander geschichteter Multilayerschichten zu einer durchgehenden Spulenanordnung mit einander verbunden sind.

Jeweils zwei durch den Raum beabstandete Ständerspulen des Ständers und eine Permanentmagnetanordnung des Läufers bilden erfindungsgemäß eine Antriebseinheit.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein gegenüber dem Ständer längs der Bewegungsrichtung verschiebbares Laufglied durch wenigstens eine, vorzugsweise jedoch zwei benachbart zueinander angeordnete Antriebseinheiten bewegbar.

Der erfindungsgemäße Linearantrieb hat den Vorteil, ohne eine Führungsstange auszukommen. Es ist jedoch auch möglich, dass eine mit der Permanentmagnetanordnung des Läufers verbundene Führungsstange vorgesehen ist um das Laufglied zu bewegen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die beiden, den Raum seitlich begrenzenden Ständerspulen gegenphasig mit Strom zu beschicken. Dabei kann durch entsprechende Bestromung der Ständerspulen das Laufglied in jede Position längs der Bewegungsrichtung gebracht und dort auch gehalten werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Einzelheiten, Eigenschaften und mögliche Modifikationen oder Verteile der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearantriebes, wobei der Läufer von dem Ständer der besseren Anschaulichkeit wegen getrennt ist.

2 zeigt eine schematische seitliche Ansicht einer Permanentmagnetanordnung relativ zu einer Ständerspulenanordnung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearantriebes.

3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearantriebes gemäß 1 von vorne.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Der in 1 veranschaulichte elektromagnetische Linearantrieb hat einen Ständer 10 und einem gegenüber dem Ständer 10 längs einer Bewegungsrichtung B beweglichen Läufer 12. Dabei ist der Ständer 10 ein langgestrecktes, im Wesentlichen U-förmiges Stahlprofil, an dessen beiden seitlichen Schenkeln 10a, 10b an deren einander zugewandten Innenflächen jeweils zwei Laufbahnen 14a, 14b; 14a' 14b' ausgeformt sind. Diese ständerseitigen Laufbahnen 14a, 14b; 14a' 14b' wirken zusammen mit entsprechenden läuferseitigen Laufbahnen 16a, 16b; 16a' 16b' um zwischen sich eine Vielzahl von Lagerkugeln 18a, 18a' 18b, 18b' aufzunehmen, die zusammen einem Kugelumlauf bilden, damit der Läufer 12 längs der Bewegungsrichtung B reibungsarm relativ zu dem Ständer 10 beweglich ist.

Der Ständer 10 hat zwei mal zwei quer zur Bewegungsrichtung B beabstandet angeordnete und längs der Bewegungsrichtung B langgezogene Ständerspulen 20a, 20b, 20a', 20b'. Jeweils zwei der Ständerspulen 20a, 20b, 20a', 20b'. haben aufeinander zugewandte Stirnflächen 22a, 22b, 22a', 22b', die längs der Bewegungsrichtung B jeweils einen Raum 24, 24' begrenzen, in den jeweils eine Permanentmagnetanordnung 30, 30' des Läufers 12 seitlich (von oben) quer zur Bewegungsrichtung B hineinragt. Die Ständerspulen 20a, 20b, 20a', 20b' haben eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt und erstrecken sich zwischen beiden Enden des U-förmiges Stahlprofils. Ihre Höhe entspricht im Wesentlichen der Höhe der Permanentmagnetanordnung 30, 30' des Läufers 12. An den aufeinander zugewandten Stirnflächen 22a, 22b, 22a', 22b' tritt beim Bestromen der Ständerspulen 20a, 20b, 20a', 20b' jeweils ein Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zur jeweiligen Stirnfläche, also in Richtung der Mittellängsachse L der Ständerspulen 20a, 20b bzw. 20a', 20b' aus. Die Permanentmagnetanordnung 30, 30' ist aus Seltenerden-Magneten 28 oder aus Nickel-Kobalt-haltigen Metall-Legierungen gebildet. Die Länge der Permanentmagnetanordnung 30, 30' in der Bewegungsrichtung B beeinflusst die auf den Läufer 12 ausübbare Kraft bzw. dessen Bewegungseigenschaften (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Tragkraft) in Abhängigkeit von dessen axialer Position in der Bewegungsrichtung B.

Die Permanentmagnetanordnungen 30, 30' des Läufers 12 haben zwei (in 1 eine obere und eine untere) Reihen von in Richtung der einander zugewandten Stirnflächen 22a, 22b, 22a', 22b' der Ständerspulen 20a, 20b, 20a', 20b' magnetisch abwechselnd orientierten (S, N) Permanentmagneten 28.

Die Räume 24, 24' zwischen den Ständerspulen 20a, 20b bzw. 20a', 20b' und die Permanentmagnetanordnungen 30, 30' des Läufers 12 sind in ihren Querabmessungen so dimensioniert, dass entlang beiden jeweiligen Seitenflächen der Permanentmagnetanordnungen 30, 30' des Läufers 12 jeweils ein Luftspalt x (siehe 3) gebildet ist, der die Permanentmagnetanordnungen 30, 30' des Läufers 12 von der jeweiligen Stirnfläche 32a, 32b bzw. 32a', 32b' der Ständerspulen 20a, 20b bzw. 20a', 20b' räumlich trennt.

Die Magnetisierungsorientierung N, S der Permanentmagneten 28 des Läufers 12 ist im Wesentlichen koaxial zur Mittellängsachse L der Ständerspulen 20a, 20b bzw. 20a', 20b'. Gleichzeitig ist die Magnetisierungsorientierung N, S der Permanentmagneten 28 und die Mittellängsachse L der Ständerspulen 20a, 20b bzw. 20a', 20b' rechtwinkelig oder quer zur Bewegungsrichtung B des Läufers 12 relativ zum Ständer 10.

Jede der Permanentmagnetanordnungen 30, 30' des Läufers 12 hat wenigstens zwei zueinander benachbart (in 1 übereinander) angeordnete Reihen 34a, 34b von magnetisch abwechselnd orientierten Permanentmagneten 28. Dabei sind die beiden zueinander benachbart angeordneten Reihen 34a, 34b von Permanentmagneten 28 um etwa eine halbe Erstreckung eines Permanentmagneten 28 längs der Bewegungsrichtung B versetzt zu einander angeordnet sind.

Wie in 2 veranschaulicht, ist zu jeder der zueinander benachbart bzw. übereinander angeordneten Reihen 34a, 34b von Permanentmagneten 28 ist jeweils eine (obere bzw. untere) Flanke 36, 38 einer der Ständerspulen 20a, 20b bzw. 20a', 20b' (hier kurz 20) zugewandt und mit dieser Flanke 36, 38 fluchtend ausgerichtet. Demgegenüber bleibt der Mittelbereich der Permanentmagnetanordnungen, also die Region in der die obere und die untere Reihe 34a bzw. 34b von Permanentmagneten 28 aneinander stoßen, ohne direkte Abdeckung durch einen Teil der Ständerspulen 20.

Die Ständerspulen 20 sind als Multilayer-Spulenstapel 40 ausgestaltet, indem mehrere Multilayerplatinen 40' mit spiralförmigen Leiterbahnen ausgestattet sind, diese Mehrzahl von Multilayerplatinen 40' werden miteinander an den Enden der spiralförmigen Leiterbahnen elektrisch durchgehend verbunden und zusammengepackt, so dass ein Stapel entsteht.

Jeweils zwei durch den Raum 24 bzw. 24' beabstandete Ständerspulen 20a, 20b bzw. 20a', 20b' des Ständers 10 und eine Permanentmagnetanordnung 30, 30' des Läufers 12 bilden eine Antriebseinheit. Wie in 1 veranschaulicht, ist ein gegenüber dem Ständer 10 längs der Bewegungsrichtung B verschiebbares Laufglied 12a durch zwei derartige Antriebseinheiten bewegbar.

In 3 ist ein elektromagnetischer Linearantrieb in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der für jede Permanentmagnetanordnung 30, 30' des Läufers 12 verbundene Führungsstange 50, 50' vorgesehen ist um das Laufglied 12a zu bewegen. In diesem Fall ist es auch möglich, die Spulen und die Permanentmagnete in einem (nicht weiter veranschaulichten im Wesentlichen rechteckigen Hohlprofil aufzunehmen und die Bewegung über die Führungsstange 50, 50' auf das Laufglied 12a zu übertragen.

Durch eine nicht weiter veranschaulichte elektronische Ansteuereinheit sind die beiden, seitlich den Raum 24, 24' begrenzenden Spulenanordnungen 20a, 20b bzw. 20a', 20b' des Ständers 10 gegenphasig mit Strom zu beschicken. Je nach der Phasenlage des Stroms, der durch die Spulen fließt, bewegt sich dabei der Läufer 12 in die eine oder in die andere Richtung.

Es versteht sich, dass auch drei oder mehr derartige Antriebseinheiten parallel geschaltet werden können um das Laufglied 12a zu bewegen. Weiterhin ist es auch möglich, die Bewegungsrichtung zu krümmen, d.h. eine Teil- oder Vollkreisbewegung des Läufers dadurch zu realisieren, dass die einzelnen Komponenten Kreisbogenförmig gestaltet sind. Eine weitere, nicht im Detail veranschaulichte Variante des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearantriebes besteht darin, dass die Antriebseinheiten nicht – wie in den Fig. gezeigt – nebeneinander angeordnet sind, sondern übereinander.


Anspruch[de]
  1. Elektromagnetischer Linearantrieb, mit

    – einem Ständer (10) und einem gegenüber dem Ständer (10) längs einer Bewegungsrichtung (B) beweglichen Läufer (12), wobei

    – der Ständer (10) oder der Läufer (12) wenigstens zwei quer zur Bewegungsrichtung (B) beabstandete und längs der Bewegungsrichtung (B) langgezogene Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') aufweist, die jeweils aufeinander zugewandte Stirnflächen (32a, 32b; 32a', 32b') haben, die längs der Bewegungsrichtung (B) einen Raum (24, 24') begrenzen, in den eine Permanentmagnetanordnung (30, 30') des Läufers (12) bzw. des Ständers (10) hineinragt, wobei

    – die Permanentmagnetanordnung (30, 30') wenigstens eine Reihe von in Richtung der einander zugewandten Stirnflächen (32a, 32b; 32a', 32b') der Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') magnetisch abwechselnd orientierten Permanentmagneten (30, 30') aufweist.
  2. Elektromagnetischer Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die Permanentmagnetanordnung (30, 30') des Läufers (12) von der jeweiligen Stirnfläche (32a, 32b; 32a', 32b') der Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') durch jeweils einen Luftspalt (x) getrennt ist.
  3. Elektromagnetischer Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die Permanentmagneten (30, 30') des Läufers (12) eine zur Mittellängsachse (L) der Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') im Wesentlichen koaxiale Magnetisierungsorientierung (N, S) haben.
  4. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die Permanentmagnetanordnung (30, 30') des Läufers (12) wenigstens zwei zueinander benachbart angeordnete Reihen (34a, 34b) von magnetisch abwechselnd orientierten Permanentmagneten (28) aufweist.
  5. Elektromagnetischer Linearantrieb dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die zwei zueinander benachbart angeordneten Reihen (34a, 34b) von Permanentmagneten (28) um etwa eine halbe Erstreckung (m/2) eines Permanentmagneten (28) längs der Bewegungsrichtung (B) versetzt nebeneinander angeordnet sind.
  6. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

    – jede der zueinander benachbart angeordneten Reihen (34a, 34b) von Permanentmagneten (28) jeweils einer Flanke (36, 38) einer der Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') zugewandt und mit dieser jeweiligen Flanke (36, 38) im Wesentlichen fluchtend ausgerichtet ist.
  7. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') jeweils als Multilayer-Spulenstapel (40) ausgestaltet sind.
  8. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

    – jeweils zwei durch den Raum (24, 24') beabstandete Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') des Ständers (10) und eine Permanentmagnetanordnung (30, 30') des Läufers (12) eine Antriebseinheit bilden.
  9. Elektromagnetischer Linearantrieb dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass

    – ein gegenüber dem Ständer (10) längs der Bewegungsrichtung (B) verschiebbares Laufglied (12a) durch wenigstens eine, vorzugsweise zwei Antriebseinheiten bewegbar ist.
  10. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

    – eine mit der Permanentmagnetanordnung (30, 30') des Läufers (12) verbundene Führungsstange (50) vorgesehen ist um das Laufglied (12a) zu bewegen.
  11. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die beiden, seitlich den Raum (24, 24') begrenzenden Ständerspulen (20a, 20b; 20a', 20b') gegenphaig mit Strom zu beschicken sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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