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Dokumentenidentifikation DE102007007364A1 23.08.2007
Titel Linearmotor
Anmelder OKUMA Corporation, Aichi, JP
Erfinder Yura, Motozumi, Aichi, JP;
Kawai, Yoichi, Aichi, JP
Vertreter Weber & Heim Patentanwälte, 81479 München
DE-Anmeldedatum 14.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007007364
Offenlegungstag 23.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse H02K 41/02(2006.01)A, F, I, 20070214, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Linearmotor mit einer stärker bevorzugten Bremsfunktion wird bei niedrigen Kosten realisiert. Ein Linearmotor weist einen Läufer und einen Stator auf. Eine Antriebswicklung ist um den Läufer gewickelt. Mehrere magnetische Pole bildende Permanentmagnete, die sich mit einer vorbestimmten Periode umpolen, sind an einer Oberfläche des Läufers gegenüber dem Stator vorgesehen. Zähne sind am Stator mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen ausgebildet. Der Stator erstreckt sich zu einem Bereich außerhalb eines effektiven bewegbaren Bereichs, und im verlängerten Abschnitt ist eine Bremswicklung um den Zahn gewickelt. Bewegt sich der Läufer in einen Bereich außerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs, wird eine induzierte Spannung in der Bremswicklung erzeugt, und es fließt Strom. Eine Schub- bzw. Bremswirkung wird durch den Strom in eine der Bewegungsrichtung des Läufers entgegengesetzte Richtung erzeugt.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor und insbesondere einen Steuermechanismus für einen Linearmotor.

2. Beschreibung des Stands der Technik

In den letzten Jahren wurden Linearmotoren immer häufiger auf verschiedenen Gebieten verwendet. Zum Beispiel werden Linearmotoren in einer Werkzeugmaschine zum Erhöhen der Vorschubgeschwindigkeit zunehmend beliebter, auch um die Bearbeitungszeit zu verkürzen, und zum Entfernen von Spiel- und Biegefehlern auf Grund einer Kugelumlaufspindel zum Verbessern der Bearbeitungsgenauigkeit. 3 stellt ein Beispiel einer Struktur eines Abschnitts einer Werkzeugmaschine dar, die einen Linearmotor verwendet. In 3 ist ein Bett 10 ein fester Abschnitt des Werkzeugs und ein Stator 1 eines Linearmotors ist an dem Bett 10 befestigt. Ein Tisch 11 ist über eine nicht dargestellte Linearführung oder dergleichen an dem Bett 10 befestigt und ist entlang der horizontalen Richtung in 3 bewegbar. Ein Läufer 2 des Linearmotors ist an einem unteren Abschnitt des Tisches 11 befestigt, sodass zwischen dem Läufer 2 und dem Stator 1 eine Schubwirkung erzeugt und der Tisch 11 angetrieben wird. Normalerweise wird in einem Bearbeitungszentrum ein Bearbeitungsgegenstand bzw. ein Werkstück auf einer oberen Oberfläche des Tisches 11 angeordnet und die Bewegungsposition des Bearbeitungsgegenstands gemäß einem Bearbeitungsprogramm oder dergleichen gesteuert, um den Bearbeitungsgegenstand unter Verwendung eines nicht dargestellten Werkzeugs zu einer vorbestimmten Gestalt zu bearbeiten.

In diesen Werkzeugmaschinen, die Linearmotoren verwenden, ist auf Grund der hohen Vorschubgeschwindigkeit ein Bremsabstand, während des Nothalts des Vorschubs, z.B. im Falle einer Steuerabweichung, tendenziell lang. Auf Grund dessen gibt es beim Auftreten einer Abweichung während einer Bewegung mit hoher Geschwindigkeit an einem Abschnitt in der Nähe des Hubendes des Vorschubmechanismus Fälle, in welchen Unfälle derart auftreten, dass der bewegliche Abschnitt mit dem fixierten Abschnitt des Werkzeugs kollidiert und die Werkzeugstruktur beschädigt wird.

Zum Verhindern derartiger Unfälle sind Werkzeugmaschinen des Stands der Technik, die Linearmotoren verwenden, zum Abschwächen der Stoßwirkung auf Grund der Kollision, typischerweise durch Bereitstellen eines Stoßdämpfers 12 an einem Hubende, wie in 3 dargestellt, ausgeführt. Beispiele für die Stoßdämpfer 12 umfassen einen Stoßdämpfer unter Verwendung eines Fluidwiderstands eines Hydraulikfluids, das im Stoßdämpfer umschlossen ist, oder einen Stoßdämpfer, der elastische Verformung oder ein Harzmaterial wie Kautschuk verwendet.

Es gibt ein weiteres allgemeines Verfahren, wie in 4 dargestellt, in welchem ein Endschalter 13 am Hubende vorgesehen ist und der Endschalter mechanisch betätigt wird, wenn sich der bewegbare Abschnitt über einen effektiven bewegbaren Bereich bewegt. Wird der Endschalter betätigt, blockiert ein Kontakt 14 einen zu einer Antriebswindung unter Verwendung eines Schaltkreises zuzuführenden Strom und schließt ein Kontakt 15 gleichzeitig die Antriebswicklung kurz, sodass eine dynamische Bremse aktiviert und der Läufer 2 gebremst und gestoppt wird. Die Kontakte 14 und 15 sind unter Verwendung von Relais und Magnetleitern gebildet und werden durch eine Spule 16, die in Reihe mit dem Endschalter 13 verbunden ist, gesteuert, um geöffnet und geschlossen zu werden. Ein Wechselrichter 17 führt Strom zu einer Antriebswicklung, die im Läufer 2 eingebaut ist.

Zudem gibt es auch ein typisches Verfahren, in welchem ein Bremsmechanismus unter Verwendung von Reibung zusammen mit dem Linearmotor vorgesehen ist. Durch Aktivierung des Bremsmechanismus mit einem Endschalter, wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, den bewegbaren Abschnitt automatisch zu bremsen und zu stoppen, wenn sich der bewegbare Abschnitt über den effektiven bewegbaren Bereich bewegt.

Diese Verfahren und Vorrichtungen des Stands der Technik sind z.B. in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 9-151048 und der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 8-251904 beschrieben.

Wird ein Stoßdämpfer in einer Werkzeugmaschine, die einen Linearmotor verwendet, zum Verhindern einer Kollision des bewegbaren Abschnitts des Werkzeugs mit dem festen Abschnitt verwendet, muss ein großer Stoßdämpfer mit einem ausreichenden Bremsvermögen verwendet werden, und folglich wird die Größe der Werkzeugstruktur groß. Zudem besteht auch das Problem, dass die Kosten des Stoßdämpfers selbst höher werden.

In einem wie in 4 dargestellten Verfahren, in welchem die Antriebswicklung zum Aktivieren einer dynamischen Bremse kurzgeschlossen ist, kann die Betriebsverzögerungszeit des Relais oder dergleichen, das ein Abschnitt des Kontakts 15 ist, problematisch sein. Insbesondere wird die Bremskraft nicht erzeugt, solange der Kontakt 15 EIN geschaltet ist, und folglich bewegt sich der bewegbare Abschnitt durch die Massenträgheit weiter. Zudem bestehen auch Probleme mit der Zuverlässigkeit des Betriebs der Kontakte 14 und 15. Wenn die leitenden Abschnitte der Kontakte auf Grund von Dauerverwendung verschlissen sind, kann keine ausreichende Bremskraft erzielt werden.

Außerdem kann in einer Struktur unter Verwendung eines Reibung verwendenden Bremsmechanismus die Reibung des Bremsmechanismus problematisch sein. Das heißt, wenn eine Kontaktoberfläche der Bremse auf Grund von Dauerverwendung verschlissen ist, kann keine ausreichende Bremskraft mehr erzielt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, als eine Struktur zum Verhindern von Kollision eines bewegbaren Abschnitts mit einem Hubende in einem Linearmotor auf Grund von Steuerabweichungen oder dergleichen, eine Bremsfunktion mit einer einfachen Struktur, niedrigen Kosten und einer hohen Zuverlässigkeit zu realisieren, in welcher ein Verschleißabschnitt wie ein Relaiskontakt oder Bremsbacken eliminiert ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Zum Erzielen von zumindest einer vorstehend beschriebenen Aufgabe ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Linearmotor bereitgestellt, mit einem Stator mit mehreren auf der festen Seite mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen angeordneten Zähnen, ein Läufer mit Zähnen auf der beweglichen Seite, um die eine Antriebswicklung, an die ein Antriebsstrom angelegt wird, gewunden ist, und mehrere Permanentmagneten, die magnetische Pole bilden, die mit einer den Zähnen auf der festen Seite entsprechenden Periode umpolen, und ein Bremsmechanismus, der den Antrieb des in einem Bereich außerhalb eines effektiven bewegbaren Bereichs eintretenden Läufer blockiert, wobei der Bremsmechanismus außerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs vorgesehen ist und einen oder mehrere Bremszähne, um die eine Bremswicklung gewickelt ist, aufweist.

Gemäß dem Linearmotor der vorliegenden Erfindung wird eine Bremsfunktion durch Bereitstellen von Bremszähnen außerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs, um die eine Bremswicklung gewickelt ist, realisiert. Aus diesem Grund ist eine spezielle Bremsvorrichtung wie ein Stoßdämpfer nicht nötig, und folglich kann die Werkzeugstruktur und die Größe der Werkzeugstruktur und die Kosten reduziert werden.

Außerdem weist der erfindungsgemäße Linearmotor eine Struktur auf, in der nur die Bremszähne, um die eine Bremswicklung gewickelt ist, zusätzlich bereitgestellt sind. Da kein Schaltkreis, wie ein Relais, an die Bremswicklung angeschlossen werden muss, kann eine hohe Zuverlässigkeit sichergestellt werden. Zudem kann, da es auf Grund der Betätigungsverzögerungszeit des Kontakts keine Freilaufzeit gibt, der Bremsweg minimiert werden.

Außerdem gibt es im Linearmotor der vorliegenden Erfindung, da eine Bremskraft durch einen elektrischen Erzeugungsbetrieb erzeugt wird, verursacht durch Passieren des bzw. der am Läufer vorgesehenen Permanentmagneten über die Bremswicklung, keinen Verschleißabschnitt, und eine zuverlässige Bremskraft kann für eine lange Zeitdauer aufrechterhalten werden.

Zudem kann im Linearmotor der vorliegenden Erfindung, da die Bremskraft durch Ändern des Schaltungswiderstands der Bremswicklung variiert werden kann, die Bremskraft gemäß der Bewegungsposition des Läufers beliebig eingestellt werden. Zum Beispiel ist es durch Einstellen des Widerstands der Bremswicklung in der Nähe des effektiven bewegbaren Bereichs auf hoch und des Widerstands der Bremswicklung auf kleiner, wenn der Abstand vom effektiven bewegbaren Bereich erhöht ist, möglich die Stoßwirkung bei Beginn der Bremsung zu reduzieren, um dadurch sanftes Bremsen und Stoppen zu realisieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei:

1 eine Außenansicht eines Linearmotors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;

2 eine Querschnittsansicht eines Linearmotors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

3 eine Strukturdarstellung eines Tischabschnitts einer Werkzeugmaschine ist, die einen Linearmotor gemäß dem Stand der Technik verwendet; und

4 ein Diagramm ist, das eine Beispielschaltung darstellt, wenn eine dynamische Bremse unter Verwendung eines Relais in einem Linearmotor gemäß dem Stand der Technik konstruiert ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM (Erste bevorzugte Ausführungsform)

1 ist eine Außenansicht eines Stators und eines Läufers von einem zum Realisieren der vorliegenden Erfindung bevorzugten Linearmotor. Ein Stator 1 ist unter Verwendung eines magnetischen Materials, wie z.B. eines Siliciumstahlblechs, konstruiert, und Zähne 3 mit Vorsprüngen und Vertiefungen sind an einer Oberfläche des Stators 1 gegenüber einem Läufer 2 vorgesehen. Der Läufer 2 weist eine Struktur mit einem unter Verwendung eines magnetischen Materials, wie eines Siliciumstahlblechs, konstruierten Körper und einen Permanentmagnet 4 auf, der an einer Oberfläche des Körpers gegenüber dem Stator 1 angebracht ist. Eine Antriebswicklung 5 mit drei Phasen ist um mehrere Magnete 4 gewickelt. Eine Grundstruktur, die die Basis des Linearmotors der vorliegenden Erfindung bildet, ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-137140 beschrieben.

Die Enden des Stators 1 in 1 sind Bremsbereiche und eine Bremswicklung 6 ist in diesen Bereichen um jeden der Zähne 3 gewickelt. Mehrere Bremswicklungen 6 sind mit Widerständen 8 (8a, 8b und 8c) über Schalter 7 verbunden und bilden voneinander unabhängige Schaltkreise. Der Kontakt des Schalters 7 ist normalerweise geschlossen und wird nur geöffnet, wenn eine wie nachstehend beschriebene Bremsung zu realisieren ist. Alternativ dazu ist es möglich, den Widerstand 8 durch den Leitungswiderstand der Bremswicklung 6 zu ersetzen, so dass der Widerstand 8 folglich weggelassen werden kann.

In 1 wird, wenn der Läufer 2 in einem effektiven bewegbaren Bereich ist, der der Bremswicklung 5 zuzuführende Strom derart gesteuert, dass die Schubwirkung, Geschwindigkeit, usw. des Linearmotors gesteuert werden. Der Bremsbereich ist ein Bereich, der im Hinblick auf die Steuerung nicht verwendet wird, und der Läufer 2 bewegt sich, wenn die Steuerung normal ist, nur innerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs. Tritt jedoch eine Abweichung in der Steuerung auf, insbesondere wenn eine Steuerungsabweichung während einer Bewegung mit hoher Geschwindigkeit, in einem Abschnitt innerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs, in der Nähe des Hubendes auftritt, bewegt sich der Läufer 2 auf Grund der Massenträgheit mit hoher Geschwindigkeit in den Bremsbereich.

Bewegt sich der Läufer 2 auf Grund des Auftretens einer derartigen Abweichung in den Bremsbereich, wird an den Zähnen im Bremsbereichsabschnitt durch den Permanentmagnet 4 ein magnetischer Fluss erzeugt. Die Änderung im Magnetfluss bewirkt wiederum, dass in der Bremswicklung 6 eine induzierte Spannung erzeugt wird und Strom durch den Widerstand 8 fließt. Da der Strom eine Schubwirkung in eine Richtung entgegen der Bewegungsrichtung des Läufers 2 erzeugt, wirkt die induzierte Spannung als dynamische Bremse. Da der Strom durch eine Beziehung zwischen dem Widerstandswert des Widerstands 8 und der induzierten Spannung bestimmt wird, kann die Bremskraft durch Variieren des Widerstandswerts unter den mehreren Bremswicklungen 6 eingestellt werden. Zum Beispiel ist es durch Einstellen des Widerstandswerts des Widerstands 8a auf einen hohen Wert und anschließendes Reduzieren des Widerstandwerts für die Widerstände 8b und 8c in dieser Reihenfolge in 1, möglich, das System so zu konfigurieren, um eine schwache Bremskraft sofort nach dem Eintreten des Läufers 2 in den Bremsbereich, d.h. während des Starts der Bremsung, auszuüben, und eine stärkere Bremskraft auszuüben, wenn sich der Läufer 2 weiter abseits bzw. weiter weg vom effektiven bewegbaren Bereich bewegt. Durch Einstellen der Bremskraft in dieser Weise kann eine sanfte Bremskraft erhalten und die Stoßwirkung, die während des Bremsens und Stoppens des Läufers 2 erzeugt wird, reduziert werden.

Als nächstes wird eine Funktion des Schalters 7 beschrieben. Muss die Maschine in den normalen Zustand zurückgebracht bzw. zurückversetzt werden, nachdem der Läufer 2 in den Bremsbereich eintritt und stoppt, und die Ursache der Steuerabweichung beseitigt ist, wird der Schalter 7 geöffnet, sodass kein Strom durch die Bremswicklung 6 fließt. Hier wird keine Bremskraft erzeugt, und die Bremse ist gelöst, und der Läufer 2 kann folglich leicht bewegt werden. Zudem ist es an diesem Punkt auch möglich, durch die Antriebswicklung 5 Strom zuzuführen, um den Läufer 2 zu steuern und zu bewegen.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist ein Linearmotor mit einer Struktur, in welcher ein Permanentmagnet an einer Oberfläche des Läufers angebracht ist, veranschaulicht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Konfigurationen beschränkt, und die gleiche Struktur kann z.B. zum Realisieren von ähnlichen Wirkungen und Vorteilen in einem Linearmotor angewandt werden, in welchem ein Permanentmagnet in einem Läuferkern bereitgestellt ist, wie es z.B. in der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 11-089298 beschrieben ist.

(Zweite bevorzugte Ausführungsform)

2 ist eine Querschnittsansicht eines Stators und eines Läufers eines Linearmotors gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Stator 1 und der Läufer 2 sind mit denjenigen, die in 1 dargestellt sind, identisch und werden nicht erneut beschrieben. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist ein Stator 9 mit einer anderen Gestalt als diejenige im effektiven bewegbaren Bereich, in einem Bremsbereich angeordnet. Durch Bereitstellen separater Statoren, einschließlich des Stators 1 im effektiven bewegbaren Bereich und des Bremsstators 9, ist es möglich, den Bremsstator 9 speziell zum Erzeugen der Bremskraft optimal zu gestalten. Insbesondere ist in der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform, obwohl hier ein Vorteil besteht, dass der Zusammenbau leicht ist, da der Stator im Bremsbereich und der Stator im effektiven bewegbaren Bereich geteilt sind, die Form des Stators im Bremsbereich zum Erhalt einer Bremskraft noch optimaler gestaltbar. Der Bremsstator 9 in 2 kann andererseits in einer speziellen Gestalt zum Bremsen ausgeführt sein, die Vorteile aufweist, wie z.B. dass die Packdichte der Bremswicklung 6 erhöht und eine große Bremskraft erhalten werden kann. Zum Beispiel können hierfür die Bremsstatorpakete dichter in Verschieberichtungen des Läufers 2 angeordnet sein, so dass der magnetische Fluss in Richtung der Permanentmagneten 4 des Läufers im Bremsbereich erhöht werden kann.

Die Erfindung schafft daher folgende Verbesserung.

Ein Linearmotor mit einer stärker bevorzugten Bremsfunktion wird bei niedrigen Kosten realisiert. Ein Linearmotor weist einen Läufer (2) und einen Stator (1) auf. Eine Antriebswicklung ist um den Läufer (2) gewickelt. Mehrere magnetische Pole bildende Permanentmagnete (4), die sich mit einer vorbestimmten Periode umpolen, sind an einer Oberfläche des Läufers (2) gegenüber dem Stator (1) vorgesehen. Zähne (3) sind am Stator (1) mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen ausgebildet. Der Stator (1) erstreckt sich zu einem Bereich außerhalb eines effektiven bewegbaren Bereichs, und im verlängerten Abschnitt ist eine Bremswicklung (6) um den Zahn (3) gewickelt. Bewegt sich der Läufer (2) in einen Bereich außerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs, wird eine induzierte Spannung in der Bremswicklung (6) erzeugt, und es fließt Strom. Eine Schub- bzw. Bremswirkung wird durch den Strom in eine der Bewegungsrichtung des Läufers (2) entgegengesetzte Richtung erzeugt.


Anspruch[de]
Linearmotor mit:

einem Stator (1) mit mehreren auf der festen Seite mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen angeordneten Zähnen (3);

einem Läufer (2) mit Zähnen auf der beweglichen Seite, um die eine Antriebswicklung (5) gewickelt ist, an die ein Antriebsstrom angelegt wird, und mit mehreren Permanentmagneten (4), die magnetische Pole bilden, die mit einer den Zähnen (3) auf der festen Seite entsprechenden Periode umpolen;

und

einem Bremsmechanismus, der den Antrieb des in einen Bereich außerhalb eines effektiven bewegbaren Bereichs eintretenden Läufers (2) blockiert, wobei

der Bremsmechanismus außerhalb des effektiven bewegbaren Bereichs vorgesehen ist und einen oder mehrere Bremszähne, um die eine Bremswicklung (6) gewickelt ist, aufweist.
Linearmotor nach Anspruch 1, wobei die Bremszähne Zähne der festen Seite auf einem Verlängerungsabschnitt (9) des Stators (1), der sich über den effektiven bewegbaren Bereich hinaus erstreckt, sind. Linearmotor nach Anspruch 1, wobei die Bremszähne Zähne sind, die zum Bremsen bestimmt und getrennt vom Stator (1) der festen Seite vorgesehen sind. Linearmotor nach Anspruch 1, wobei ein Widerstand (8) mit zumindest einer der Bremswicklungen (6) verbunden ist. Linearmotor nach Anspruch 1, wobei Schaltungswiderstände (8a, 8b, 8c) von durch die Bremswicklungen (6) gebildeten geschlossenen Schaltungen gemäß den Positionen der Bremszähne, um die die Bremswicklungen (6) gewickelt sind, voneinander abweichen. Linearmotor nach Anspruch 1, wobei ein Schalter (7), der in der Bremswicklung vorgesehen ist, einen durch die Bremswicklung (6) gebildeten geschlossenen Schaltkreis zum Lösen oder Ausschalten einer Bremskraft öffnet.






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