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Dokumentenidentifikation DE102005017501A1 19.10.2006
Titel Synchronlinearmotor mit Nutzung der geometrischen Struktur des Sekundärteils
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Klaus, Maximilian, 80639 München, DE;
Rabenschlag, Thorsten, 85256 Vierkirchen, DE;
Rust, Andreas, 80634 München, DE;
Wollenberg, Johannes, 82166 Gräfelfing, DE
DE-Anmeldedatum 15.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005017501
Offenlegungstag 19.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.10.2006
IPC-Hauptklasse H02K 41/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Der Anwendungsbereich von Synchronlinearmotoren soll vergrößert werden. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, die geometrische Struktur des Sekundärteils eines Synchronmotors mit primärseitig angeordneter Erregung auch mechanisch zu nutzen. Beispielsweise kann die Zahnstruktur zur Verriegelung mit einem Bolzen (B) genutzt werden. Weiterhin kann das zahnstangenförmige Sekundärteil (S) auch für einen Hilfsantrieb, eine Bremsmechanik oder eine Gebermechanik verwendet werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Synchronlinearmotor mit einem Primärteil und einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetfreien Sekundärteil.

Bei zahlreichen Anwendungen von Linearmotoren besteht der Bedarf, Mittel zur Selbsthemmung vorzusehen. Hierzu werden üblicherweise mechanische Haltebremsen, mechanische Verriegelungen oder Gewichtsausgleichs-Mechanismen eingesetzt. Die Kosten hierfür sind vergleichsweise hoch. Darüber hinaus steht der erforderliche Einbauraum oft nicht zur Verfügung.

Außerdem werden Linearmotoren häufig in Maschinen oder Anlagen eingesetzt, bei denen der Kraftbedarf über dem Verfahrweg nicht konstant ist. Linearmotoren könnten prinzipiell so ausgelegt sein, dass sie stets genügend Kraft liefern. Dies würde jedoch eine unwirtschaftliche Lösung darstellen. Daher werden Linearmotoren bei gewissen Anwendungen so dimensioniert, dass an einer oder mehreren Stellen des Verfahrwegs die erforderlichen Kräfte nicht zur Verfügung gestellt werden können. Deshalb ist dann ein zusätzlicher Antrieb notwendig. Diese aufwändige Konstruktion von Linearmotoren mit einem Hilfsantrieb macht deren Einsatz oft unwirtschaftlich, oder es ist der gewünschte Einsatz von Linearmotoren aufgrund punktuell hoher Kraftanforderungen gar nicht möglich.

Zur Regelung von Linearmotoren werden typischerweise Linearmaßstäbe eingesetzt. Diese Linearmaßstäbe werden optisch, magnetisch oder induktiv abgegriffen. Die Kosten für die Gewinnung eines Lagesignals auf diese Weise sind vergleichsweise hoch, ein für die Regelung günstiger Einbauraum steht teilweise nicht zur Verfügung und die Robustheit der Linearmaßstäbe ist teilweise nicht ausreichend. Außerdem kann der Aufwand für Montage und Kapselung von Linearmaßstäben über Gebühr hoch sein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Einsatzgebiet von Synchronlinearmotoren zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Synchronlinearmotor mit einem Primärteil und einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetfreien Sekundärteil, sowie einer Verriegelungseinrichtung, die an dem Primärteil direkt oder indirekt befestigt ist, zum lösbaren, mechanischen Eingreifen in das Sekundärteil, so dass eine Bewegung des Synchronlinearmotors gehemmt oder gebremst werden kann. Durch diese Konstruktion ist gewährleistet, dass die Bewegung des Synchronlinearmotors ohne hohen Energieaufwand gehemmt oder gebremst werden kann. Dies ist insbesondere bei Vertikalantrieben von Bedeutung.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die geometrische Struktur des permanentmagnetlosen Reaktionsteils bzw. Sekundärteils des Synchronlinearmotors für den Betrieb mechanisch zu nutzen.

Vorzugsweise besitzt die Verriegelungseinrichtung einen (stiftförmigen) Riegel zum Eingreifen zwischen die Zähne des Sekundärteils. Damit kann auf verhältnismäßig günstige Weise erreicht werden, dass der Linearmotor in einer gewünschten Position ohne Energieverbrauch in Bewegungsrichtung verriegelt ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Verriegelungseinrichtung ein drehbar gelagertes Zahnrad, das mit dem Sekundärteil in Eingriff steht, und ein Element zum Blockieren oder Bremsen des Zahnrads aufweisen. Hiermit lässt sich eine kostengünstige Brems- oder Blockiereinrichtung realisieren.

Der erfindungsgemäße Gedanke kann auch realisiert werden durch einen Synchronlinearmotor mit einem Primärteil und einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetfreien Sekundärteil, sowie einer Zusatzantriebseinrichtung, die an dem Primärteil oder dessen Umgebungskonstruktion befestigt ist und die in das Sekundärteil mechanisch eingreift, um auf diesen eine Zusatzkraft auszuüben. Hierdurch ist es möglich, dass der Synchronlinearmotor mit einem kostengünstigen Zusatzantrieb versehen wird, ohne dass eine zusätzliche Komponente auf der Seite des Sekundärteils montiert werden muss.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Zusatzantriebseinrichtung einen Rotationsantrieb und ein damit angetriebenes Zahnrad auf, so dass von dem Primärteil direkt und zusätzlich von dem Zahnrad Kraft auf das Sekundärteil ausübbar ist. Dabei lässt sich der Rotationsantrieb durch einen üblichen Elektromotor kostengünstig realisieren.

Eine weitere Realisierungsform der Erfindung besteht in einem Synchronlinearmotor mit einem Primärteil und einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetfreien Sekundärteil, sowie einer Gebereinrichtung, die an dem Primärteil oder dessen Umgebungskonstruktion befestigt ist und die das Sekundärteil abtastet, um ein Lagesignal bereitzustellen. Damit kommt auch hier dem Sekundärteil doppelte Funktionalität zu, nämlich die magnetische Grundfunktionalität als Reaktionsteil und darüber hinaus die Funktionalität eines Linearmaßstabs.

Vorzugsweise besitzt die Gebereinrichtung einen Magnetflusssensor oder einen optischen Sensor zur Erfassung der Zähne des Sekundärteils. Beide Sensoren ermöglichen ein berührungsloses Abgreifen und sind verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Verschmutzungen.

Ferner kann die Gebereinrichtung ein Zahnrad, das in das Sekundärteil eingreift, und eine Sensoreinheit, mit der eine Drehung des Zahnrads erfassbar ist, aufweisen. Das Zahnrad überträgt die Bewegung des Sekundärteils gegenüber dem Primärteil, was insbesondere hinsichtlich Verschmutzungen Vorteile gegenüber berührungslosen Abtastsystemen bieten kann.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Synchronlinearmotor eine Regeleinrichtung aufweisen, wobei das Lagesignal als Maß für die Regelgröße dient. Damit lässt sich die Bewegung des Synchronlinearmotors exakt regeln.

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

1 einen Abschnitt eines Synchronlinearmotors mit einer Verriegelung zum Blockieren;

2 einen Abschnitt eines Synchronlinearmotors mit einem Zahnrad zum Klemmen und Bremsen;

3 einen Abschnitt eines Synchronlinearmotors mit einem rotativen Hilfsantrieb über ein Zahnrad; und

4 einen Abschnitt eines Synchronlinearmotors mit einem rotativen Standard-Geber über ein Zahnrad.

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

Entsprechend einer ersten Ausführungsform wird ein Primärteil P eines permanentmagnetlosen Synchronlinearmotors über einem Sekundärteil S mit Hilfe eines Maschinenschlittens M geführt. Dies bedeutet, dass das Primärteil P den Maschinenschlitten M über einen bestimmten Verfahrweg linear bewegt. In 1 ist lediglich ein kurzer Abschnitt des Sekundärteils S, das sich über den gesamten Verfahrweg erstreckt, wiedergegeben. Auch ist dort nur ein Teil des Maschinenschlittens M dargestellt.

An dem Maschinenschlitten M und damit auch indirekt an dem Primärteil P ist eine Verriegelungseinheit V befestigt. Die Verriegelungseinheit V besitzt einen Verriegelungsbolzen B, der im ausgefahrenen Zustand in eine Zahnlücke des zahnstangenförmigen Sekundärteils greift, wie dies in 1 skizziert ist. D.h. in dem in 1 dargestellten Zustand blockiert der Bolzen B der Verriegelungseinheit V eine Relativ-Bewegung zwischen Primärteil P und Sekundärteil S bzw. eine Bewegung des Maschinenschlittens M. Mit anderen Worten, durch die Aktivierung der Verriegelungseinheit V wird der Riegel bzw. Bolzen B in Richtung auf das Reaktionsteil bzw. Sekundärteil S des Motors geschoben, wodurch ein Formschluss des Bolzens B mit dem gezahnten Reaktionsteil des Motors erzielt wird. Dadurch lassen sich die gewünschten Haltekräfte übertragen, ohne dass Energie über den Linearmotor verbraucht werden muss. Da das Reaktionsteil bzw. Sekundärteil S bereits für die Motorfunktion benötigt wird, entstehen für dieses Teil weder zusätzliche Kosten noch entsteht zusätzlicher Platzbedarf neben dem Reaktionsteil des Motors. Damit ist eine einfache und wirtschaftliche Lösung für das Verriegeln des Synchronlinearmotors gegeben.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 prinzipiell skizziert. Der Aufbau des Synchronlinearmotors einschließlich Primärteil P, Sekundärteil S und Maschinenschlitten M ist identisch mit dem der Ausführungsform gemäß 1. Bei dieser Ausführungsform ist an den Maschinenschlitten M ein Zahnrad Z montiert, dessen Zähne in das Sekundärteil S eingreifen. Mit der linearen Bewegung des Primärteils P zusammen mit dem Maschinenschlitten M dreht sich also auch das Zahnrad Z. Eine Zahnradverriegelung ZV, die ebenfalls an dem Maschinenschlitten M befestigt ist, wirkt mit dem Zahnrad Z zusammen. Je nach Bedarf bremst oder blockiert sie das Zahnrad Z, das einen Formschluss mit dem Sekundärteil S herstellt, so dass der Synchronlinearmotor gebremst bzw. geklemmt wird.

Grundsätzlich ist es im Sinne dieser Erfindung unerheblich, ob das Primärteil etc. oder das Sekundärteil S bewegt wird.

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 3 schematisch dargestellt. Auch hier sind die prinzipiellen Bestandteile des Synchronlinearmotors, nämlich das Primärteil P, der Maschinenschlitten M und das Sekundärteil S mit denen der vorhergehenden Ausführungsformen identisch. Der Synchronlinearmotor dieser dritten Ausführungsform ist jedoch mit einem rotativen Hilfsantrieb ausgestattet. An dem Maschinenschlitten M ist hierzu ein Elektromotor E befestigt, der ein Zahnrad Z antreibt. Dieses Zahnrad Z steht wie bei der zweiten Ausführungsform in Eingriff mit den Zähnen des Sekundärteils S.

Die zahnförmige Struktur des Reaktionsteils bzw. Sekundärteils S kann hier als Reaktionsschiene (Zahnstange) für den Zusatzantrieb genutzt werden. Die Kosten sowie der Platzbedarf für eine eigene Zahnstange entfallen somit. Außerdem können Geräte oder Anlagen, welche zwar prinzipiell sinnvollerweise mit einem Linearmotor ausgerüstet werden, in denen Linearmotoren jedoch bisher aus Kraftgründen nicht zum Einsatz kamen, durch diese Antriebsart mit Linearmotoren ausgerüstet werden. Durch die Kombination von Linearmotor und Hilfsantrieb kann der Antriebsstrang gegebenenfalls kostengünstiger realisiert werden. Ein kleiner Linearantrieb zusammen mit einem üblichen Rotationsantrieb ist unter Umständen günstiger als ein großer Linearantrieb.

4 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird der Synchronlinearmotor mit einem rotativen Standard-Geber ausgestattet. Der Synchronlinearmotor entspricht wiederum dem der vorhergehenden Ausführungsformen. An dem Maschinenschlitten M ist hier ein Geber G befestigt. Er wird durch ein Zahnrad Z, welches mit den Zähnen des Sekundärteils S in Eingriff steht, betätigt. Der Rotationsgeber G kann inkrementelle oder absolute Lageinformation liefern. Er kann beispielsweise als Resolver oder dergleichen ausgestaltet sein. Mit Hilfe der orts- und/oder geschwindigkeitsabhängigen Signale dieses Rotationsgebers G kann der Linearmotor geregelt und/oder seine Pollage erfasst werden. Diese Anordnung stellt eine robuste und längenunabhängige Lösung dar, die insbesondere bei langen Achsen kostengünstig ist.

Den oben geschilderten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass sie die gezahnte Oberfläche des Sekundärteils S in zweifacher Hinsicht nutzen. So erfolgt nicht nur eine elektromagnetische sondern auch eine mechanische Nutzung dieses Bauteils. Auf der mechanischen Seite kann das Sekundärteil S zum Verriegeln, zum Bremsen, für einen Hilfsantrieb und als Linearmaßstab verwendet werden. Diese mechanischen Funktionen lassen sich in beliebigen Gruppen kombinieren.

Vorteile dieses erfindungsgemäßen Synchronlinearmotors ergeben sich insbesondere in folgenden Bereichen: Aufzüge, Transportsysteme, Be- und Entladesysteme, Montagesysteme, Maschinen bzw. Anlagen mit Linearantrieb und punktuell hohem Kraftbedarf sowie allgemeine Automatisierungstechnik (Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen).


Anspruch[de]
Synchronlinearmotor mit

– einem Primärteil (P) und

– einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetfreien Sekundärteil (S),

gekennzeichnet durch

– eine Verriegelungseinrichtung (V, ZV), die an dem Primärteil (P) direkt oder indirekt befestigt ist, zum lösbaren, mechanischen Eingreifen in das Sekundärteil (S), so dass eine Bewegung des Synchronlinearmotors gehemmt oder gebremst werden kann.
Synchronlinearmotor nach Anspruch 1, wobei die Verriegelungseinrichtung (V) einen Riegel (B) zum Eingreifen zwischen die Zähne des Sekundärteils (S) aufweist. Synchronlinearmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verriegelungseinrichtung ein drehbar gelagertes Zahnrad (Z), das mit dem Sekundärteil (S) in Eingriff steht, und ein Blockierelement (ZV) zum Blockieren oder Bremsen des Zahnrads aufweist. Synchronlinearmotor mit

– einem Primärteil (P) und

– einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetfreien Sekundärteil (S),

gekennzeichnet durch

– eine Zusatzantriebseinrichtung (E), die an dem Primärteil (P) befestigt ist und die in das Sekundärteil (S) mechanisch eingreift, um auf diese eine Zusatzkraft auszuüben.
Synchronlinearmotor nach Anspruch 4, wobei die Zusatzantriebseinrichtung (E) einen Rotationsantrieb und ein damit angetriebenes Zahnrad (Z) aufweist, so dass von dem Primärteil (P) direkt und zusätzlich von dem Zahnrad (Z) Kraft auf das Sekundärteil (S) ausübbar ist. Synchronlinearmotor mit

– einem Primärteil (P) und

– einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetfreien Sekundärteil (S),

gekennzeichnet durch

– eine Gebereinrichtung (G), die an dem Primärteil (P) direkt oder indirekt befestigt ist und die das Sekundärteil (S) abtastet, um ein Lagesignal bereitzustellen.
Synchronlinearmotor nach Anspruch 6, wobei die Gebereinrichtung (G) ein Zahnrad (Z), das in das Sekundärteil (S) eingreift, und eine Sensoreinheit, mit der eine Drehung des Zahnrads (Z) erfassbar ist, aufweist. Synchronlinearmotor nach einem Anspruch 6 oder 7, der eine Regeleinrichtung aufweist, wobei das Lagesignal als Maß für die Regelgröße dient. Synchronlinearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Zusatzantriebseinrichtung (E) nach Anspruch 4 und/oder eine Gebereinrichtung (G) nach Anspruch 6 aufweist.






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