DE69830916T2

DE69830916T2 - Elektromagnetische vorrichtung zur erzeugung einer linearen bewegung

Info

Publication number: DE69830916T2
Application number: DE69830916T
Authority: DE
Inventors: Raymond Phillip Bournemouth DENNE
Original assignee: Advanced Motion Technologies LLC
Current assignee: Advanced Motion Technologies LLC
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: CA2306466A1; ATE300117T1; RU2000109578A; DE69830916D1; US6462439B1; EP1023764A1; GB9721747D0; KR20010031143A; CN1278963A; AU9451598A; WO1999019973A1; JP2001520499A; EP1023764B1; CA2306466C; IL135651A0; WO1999019973A9

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung einer linearen Bewegung. Lineare elektromagnetische Antriebe, manchmal auch Linearmotoren genannt, sind in mehreren Bauformen hergestellt worden. WO93/01646 beschreibt verschiedene Konfigurationen von Linearmotoren. Die Geräte, auf die sich dieser Stand der Technik bezieht, haben axiale Symmetrie und sind als Hubkolbenmaschinen ausgebildet. Der Hauptvorteil der axialen Symmetrie ist, dass die starken Anziehungskräfte zwischen den magnetischen Elementen des Stators und den magnetischen Elementen des Rotors gleichmäßig um eine zentrale Achse verteilt sind und dass dadurch die Lager der Maschine keinen Anziehungskräften zu widerstehen haben.
Ein weiterer Vorteil der axial symmetrischen Anordnung ist, dass die entweder von elektrischen Strömen in Leitern oder von Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder der Maschine, auf ein äußeres Stahlgehäuse des Antriebs eingeschränkt werden können. Wie die Magnetfelder auch immer erzeugt werden, sie können die elektrischen Spulen der Maschine mit einem höheren Wirkungsgrad schneiden.
Noch ein weiterer Vorteil der axial symmetrischen Anordnung ist, dass es durch Nutzung eines zylindrischen Stators möglich ist, eine gleitende Dichtung zwischen dem Stator und dem Rotor zu bilden, wodurch dann die Möglichkeit geschaffen wird, ein Ende des Stators zu schließen und eine Gasfeder zwischen dem Stator und dem Rotor anzubringen. Eine derartige Vorrichtung wird in der internationalen Patentanmeldung des Anmelders, PCT/GB98/02823, näher beschrieben.
Alle diese bekannten linearen Antriebe sind so konstruiert und ausgelegt, dass eine Kraft zwischen den an den Stator und den Rotor angeschlossenen oder mechanisch gekoppelten Maschinenteilen ausgeübt wird, zu welchem Zweck diese eine Anordnung haben, die eine derartige Verbindung ermöglicht. Es gibt jedoch gewisse mechanische Systeme, bei denen es nicht erforderlich ist, ein sich bewegendes Element physisch an ein Antriebselement anzuschließen. Unter solchen Umständen braucht der Rotor des Antriebs keinen kontinuierlichen unmittelbaren Anschluss an das äußere Umfeld. So kann es beispielsweise erforderlich werden, dass ein Element wiederholt auf einer Führungsschiene hin- und herbewegt wird, um beim Richtungswechsel an den Enden seines Hubs Energie zu liefern. Ein Aufbruchhammer oder so genannter Presslufthammer funktioniert auf diese Weise, wobei alternativ Entgegengesetzte Kräfte ausgeübt werden, indem eine unter Druck stehende Flüssigkeit mit einem Klappventil abwechselnd in Entgegengesetzte Kammern eines Druckluftzylinders eingeführt wird.
Wenn das sich bewegende Element deutlich viel Trägheit aufweist, gegen die der äußere Stator der Maschine gemäß seiner Ausgestaltung reagieren soll, kann eine gesteuerte Schwingung bewirkt werden. Dies kann beispielsweise im Zusammenhang mit Erdbaumaschinen Verwendung finden. Als drittes Beispiel kann die Bewegung eines unbehinderten Kolbens benutzt werden, um den gesamten eingeschlossenen Inhalt und/oder den Druck eines Flüssigkeitssystems zu variieren, an das die Kolbenkammer angeschlossen ist. Eine solche Maschine kann als Hydraulikpumpe eingesetzt werden, um eine bemessene Flüssigkeit zu fördern, den Druck in einem Sensor-Pad zu variieren oder einen Bestandteil eines empfindlichen und präzisen Drucksuspensionssystems zu bilden.
Beispiele solcher Geräte werden in den Patentschriften US4965864 , GB 6 452 81 und GB 2 017 420 offenbart.
Patentschrift US4965864 offenbart eine Pumpe mit einem hohlen zylindrischen Stator, der von einer Aneinanderreihung von Spulen umgeben ist, und einem Rotor, der als Pumpkolben dient. Der Rotor besteht aus einer Aneinanderreihung von Magneten, die so angebracht sind, dass sie eine Folge von gleichsinnigen, radial orientierten Magnetfeldern erzeugen. Die Spulen werden in Reihe unter Strom gesetzt, um zu bewirken, dass der Rotor im Stator oszilliert und die Pumpaktion ausführt.
Patentschrift GB 6 452 81 offenbart ein nach dem Prinzip der veränderlichen Reluktanz arbeitendes Solenoid. Das Gerät besteht aus einer Vielzahl an nacheinander angeordneten, eine hohle Zylinderkammer umgebenden Spulen. Die axiale Länge des magnetischen Rotors ist so bemessen, dass er zwei benachbarte Spulen überlappt. Die nacheinander erfolgende Ladung der beiden vom Rotor überlappten Spulen löst eine lineare Bewegung des Rotors aus, die je nach Wunsch nur in einer Richtung oder in Hin- und Herbewegung ausgeführt werden kann.
Patentschrift GB 2 017 420 wiederum offenbart eine elektromagnetische Pumpe mit einem Rotor, der als Kolben wirkt und sich durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Rotor und einer den Stator umgebenden Wicklung in einer Statorkammer hin- und herbewegt und ein Magnetfeld erzeugt, das eine äquivalente Bewegung im Rotor hervorruft.
In diesem Fall ist der Rotor aus einem elektrisch leitenden aber nichtmagnetischen Material wie z.B. Aluminium hergestellt, und das Gerät arbeitet wenig effektiv als Hubkolben-Linear-Induktionsmotor.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen linearen Antrieb zu schaffen, der aus einem Stator und einem Rotor besteht, wobei der Rotor nicht wie bei bekannten derartigen Antrieben an einem aus dem Stator herausragenden Ausgangsglied, wie z.B. einem Antriebsarm oder einer Kolbenstange, befestigt ist. Das heißt, dass der erfindungsgemäße Rotor ein Kolben ist, der sich frei (bzw. wesentlich frei) im Statorvolumen bewegen kann. Es versteht sich, dass sich der in dieser Beschreibung verwendete Begriff "freier Kolben" auf ein Bauteil bezieht, das sich in einem Arbeitsvolumen bewegen kann, ohne ein kraftübertragendes Glied wie eine Kolbenstange aufzuweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung einer axial ausgerichteten Kraft geschaffen, wobei die Vorrichtung besteht aus einem Stator, dessen geschlossene Enden ein Arbeitsvolumen definieren, einer Vielzahl an axial beabstandeter, den Stator umgebenden elektrischen Spulen, einem Rotor in Form eines wie oben definierten, axial im Arbeitsvolumen beweglichen freien Kolbens, sowie einem Mittel zum Anlegen elektrischer Ströme an die Spulen, so dass der Rotor im Arbeitsvolumen oszilliert, dadurch gekennzeichnet, dass, die elektrischen Wicklungen des Stators so verbunden sind, dass sie eine mehrphasige Wicklung bilden, dass der Rotor mit einem Mittel versehen ist, um ein radial ausgerichtetes Magnetfeld zu erzeugen, dessen Polarität entlang der Rotorachse alterniert, wobei das radial ausgerichtete Magnetfeld des Rotors so angeordnet ist, dass es die Spulen des Stators entsprechend dem Muster der mehrphasigen Wicklung, die durch die Spulen gebildet wird, schneidet, so dass eine axial ausgerichtete elektromagnetische Kraft erzeugt wird, wenn in den Spulen des Stators Ströme von angemessener Phase und Größe fließen.
Vorzugsweise werden die physikalischen Parameter des Geräts so gewählt, dass die elektrischen Spulen an eine elektronische Antriebseinheit angeschlossen werden können, um die Phase, Frequenz oder Amplitude des Stromes in den Spulen einzustellen, damit die gewünschte axial ausgerichtete elektromagnetische Kraft zwischen dem Rotor und dem Stator hergestellt werden kann.
In einer Ausführungsform sind der Rotor und der Stator von runder Querschnittform. Dadurch lässt sich die Außenfläche des Rotors leichter in Bezug auf die Innenfläche des Stators abdichten, um zu verhindern, dass Flüssigkeit zwischen den Volumen auf beiden Seiten des Kolbens fließen kann, oder dies zumindest einzuschränken.
Es kann ein Mittel zur sensorischen Erfassung der Position des Kolbens vorgesehen werden, um die Konfiguration der von der elektronischen Antriebseinheit an die Spulen gelieferten Ströme zu optimieren.
Die elektronische Antriebseinheit kann auch so eingerichtet werden, dass sie ein Signal erzeugt, das den dem Rotor zugeführten Strom darstellt, wobei das Integral dieses Signals dazu verwendet wird, um den Druck eines mindestens auf einer Seite eines abgedichteten Rotors zugeführten Gases zu regeln.
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben, wobei
1 einen schematischen axialen Schnitt durch einen freien Kolben darstellt, der als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird;
2 einen axialen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform mit Induktionsantrieb und einem Arbeitswerkzeug darstellt;
3 einen schematischen axialen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform darstellt, welche in einem Druckkissen-Antriebssystem Anwendung findet; und
4 einen axialen Schnitt durch eine weitere alternative Ausführungsform darstellt, wobei Ringmagneten verwendet werden.
1 zeigt eine besondere Form der Vorrichtung, wobei der Rotor (Kolben) gegenüber der Innenfläche des Rotorrohrs abgedichtet sein muss. Bei diesem Beispiel trägt der Stator (1) ein Aggregat von Spulen (2), die um den Umfang der Zylinderachse herum laufen. Der sich auf Lagern (9) und Dichtungen (6) bewegende Kolben (3) trägt eine Anordnung von Magneten (4) und Polstücken (5), um ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Polarität entlang der Zylinderachse alterniert. Die Enden der Vorrichtung enthalten Verschlüsse (7), in denen – in dieser Ausführungsform – Flüssigkeitsdurchlässe (8) vorgesehen sind, damit sich die Flüssigkeit durch die Bewegung des Kolbens (3) bewegen kann, wenn diese Bewegung in Bezug auf das eingeschlossene Volumen von Bedeutung ist.
2 zeigt ein Beispiel eines Rotors in Form eines freien Kolbens, der dazu dient, in einer Werkzeugmaschine (10) wiederholte Schläge auszuführen. Der Rotor dieser Vorrichtung besteht aus einem gehärteten Kern (11), der auch Blei enthalten kann, um seine Masse zu erhöhen. Der Kern ist in einen äußeren magnetischen Stahlzylinder 12 eingekeilt, der eine Reihe von Schlitzen aufweist, in denen sich Kupferringe (13) befinden.
Das Spulenaggregat (2) wird unter Strom gesetzt, um ein alternierendes Magnetfeld zu erzeugen, das entlang der Kolbenachse läuft. Dadurch werden in den Rotorringen (13) Ströme induziert, um ein zweites alternierendes Magnetfeld zu erzeugen, dessen Wechselwirkung mit dem ersten Feld den Kolben beschleunigt. Der Kolben muss mit einfachen (nicht dargestellten, aber der Bezugszahl 9 in 1 entsprechenden) Lagerringen ausgerüstet sein. Trotzdem ist zu beachten, dass die induzierten, den Kolben beschleunigenden Kräfte auch bewirken, dass er von den Seiten des Zylinders abgehalten wird, wenn er sich bewegt; solche Lager brauchen daher nicht von hoher Qualität zu sein.
Nicht dargestellte Ausgestaltungen werden geschaffen, um Luft oder anderen Gasen im Zylinder (12) zu ermöglichen, sich frei zwischen den entgegengesetzten Enden der in 2 dargestellten Vorrichtung zu bewegen, damit sie die Bewegung des Kolbens nicht behindern.
Es versteht sich, dass sich die erfindungsgemäße elektromagnetische Konfiguration nicht auf die Anwendung von Permanentmagneten und einer beispielsweise in 1 dargestellten eisenlosen Statorbaugruppe oder auf die Anwendung einer beispielsweise in 2 dargestellten Induktionstechnik beschränkt. Der Rotor bzw. der Kolben kann unter gewissen Umständen vorteilhaft eine veränderliche Reluktanz-Antriebstechnik verwenden, und/oder der Stator kann Schlitze aufweisen, um die Spulen aufzunehmen.
3 zeigt eine besondere Form des Rotors im Zusammenhang mit einem Druckkissen (15), das eine Ladung (19) trägt. Die Hauptteile der Rotorvorrichtung sind ähnlich wie die in 1 beschriebenen Teile.
In diesem Beispiel weist der dargestellte Kolben Lager (9) auf, muss aber gegen das Druckkissen (15) und gegen die Quelle der Druck erzeugenden Flüssigkeit mit einem Balg (18) abgedichtet werden.
4 zeigt eine modifizierte Form der in 3 dargestellten Vorrichtung, wobei das axial alternierende Magnetfeld des Kolbens von ebenen Ringen aus magnetischem Material statt von Scheiben erzeugt wird. Diese Technik ermöglicht es, dass die Vorrichtung von leichter Bauart sein kann, während Kraft auf eine Membran (20) ausgeübt wird, deren Fläche größer ist als die Fläche der Magneten.
In der internationalen Patentanmeldung PCT/GB98/02823 des Anmelders wird beschrieben, dass das Zeitintegral des vom Gerät verbrauchten Stromes laufend berechnet wird, und dass der Flüssigkeitsdruck im Volumen (17) unter dem Kolben häufig verstellt wird, um dieses Integral auf Null zu stellen. Die Steuertechnik gewährleistet, dass die mittleren Druckwerte über und unter dem Kolben ausgeglichen sind.
Ferner verwendet das Steuersystem nicht dargestellte Positionssensoren, um zu gewährleisten, dass die Mittelposition des Kolbens im zentralen Bereich des Antriebs liegt.
Es versteht sich, dass es durch Verwendung eines Balges als Ersatz für die Kolbendichtung überflüssig wird, dass der Kolben und die Innenfläche des Rotors eine runde Querschnittform aufweisen müssen.
Es versteht sich ferner, dass die Verwendung von Federn oder ähnlichen Widerständen zur Bildung einer mechanischen Spannung für die Kolbenposition beim Fehlen von elektrischem Strom den Schutzbereich der Erfindung nicht schmälert und dass derartige Spannungsmittel auch Permanentmagnetfelder verwenden können. In Ausführungsformen, bei denen sich der Rotor bei hoher Geschwindigkeit hin- und her bewegen soll, kann die im Statorzylinder gefangene Luft an jedem Ende der Kolben als Gasfeder wirken, um die Aufschlagbelastung am Ende jedes Kolbenhubs zu dämpfen. Die Kolben-/Zylinderdichtung braucht nicht luftdicht zu sein, da die Frequenz der periodischen Bewegung hoch genug ist, dass die Leckwirkung auf ein Minimum beschränkt bleibt.

Claims

Elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung einer linearen Bewegung, bestehend aus einem Stator (1) mit geschlossenen Enden, der ein Arbeitsvolumen definiert, einer Mehrzahl axial beabstandeter Wicklungen (2), die den Stator (1) umgeben, einem Rotor (3) in der Form eines freien Kolbens, der wie oben definiert in dem Arbeitsvolumen linear beweglich ist, und Mitteln zum Anlegen elektrischer Ströme an die Wicklungen, so dass der Rotor in dem Arbeitsvolumen in dem Stator oszilliert, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Wicklungen des Stators so verbunden sind, dass sie eine mehrphasige Wicklung bilden, der Rotor (3) Mittel (4, 5) besitzt um ein radial ausgerichtetes magnetisches Feld zu erzeugen, dessen Polarität entlang der Achse des Rotors wechselt, wobei das radial ausgerichtete magnetische Feld des Rotors so angeordnet ist, dass es die Wicklungen (2) des Stators entsprechend des Musters der mehrphasigen Wicklung, die durch die Wicklungen gebildet wird, unterbricht, so dass eine linear gerichtete elektromagnetische Kraft erzeugt wird, wenn Ströme einer geeigneten Phase und Größe in die Wicklungen des Stators eingeleitet werden.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (17, 18) vorhanden sind, die Bewegung des Rotors an oder neben wenigstens einem Ende seines Bewegungsbereichs in dem Stator elastisch aufzufangen.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Mittel aus einem geschlossenen Volumen (17) eines kompressiblen Fluids zwischen dem Rotor und dem einen Ende des Stators besteht.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor wenigstens ein geschlossenes ringförmiges leitendes Teil (12, 13) besitzt, in das eine Mehrzahl elektrische Ströme und entsprechender magnetischer Felder durch die Wechsel bei den magnetischen Feldern, die in den Rotorkörper (11) durch Ströme, die in den Statorwicklungen (2) fließen induziert werden, induziert wird, wobei die induzierten magnetischen Felder die Ströme der Statorwicklungen unterbrechen und dabei eine daraus resultierende axiale Kraft erzeugen.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine Mehrzahl geschlossener ringförmiger Leiter (13) besitzt, die an einem gemeinsamen ferromagnetischen Körper (12) befestigt sind.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich wiederholende axiale Bewegung des Rotors (11) Aufschläge gegen einen Endanschlag (10) einschließt, der an wenigstens einem Ende des Bewegungsbereichs des Rotors (11) in dem Arbeitsvolumen des Stators (1) angeordnet ist, so dass die kinetische Energie des Rotors (11), die sich aus dessen Bewegung ergibt, an ein äußeres Objekt abgegeben wird.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endanschlag (10) aus einem Werkzeug besteht, das mit dem Stator (1) verbunden und wenigstens über einen begrenzten Bewegungsbereich diesem gegenüber bewegbar ist.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3; 11) mit Öffnungen versehen ist, um den Durchgang des Fluids bei der Verschiebung des Rotors in dem Arbeitsvolumen des Stators (1) von dessen einer auf dessen andere Seite zu ermöglichen.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Mittel vorhanden sind, um die axiale Position des Rotors in dem Stator zu erkennen und wobei die Mittel zur Anlegung elektrischen Stroms an die Statorwicklung um den Rotor oszillieren zu lassen geeignet sind, auf Signale des Rotorpositionssensors zu reagieren, um sicherzustellen, dass die Mittelposition des Rotors im mittleren Bereich des Stators liegt.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsvolumen (17) in dem Stator von einer Membran (18) oder einem Balg eingeschlossen ist und ein geschlossenes Volumen (16) in dem Stator mit einem Arbeitsvolumen (15) veränderlicher Größe außerhalb des Stators kommuniziert, so dass die Verschiebung des Rotors (20) in dem Arbeitsvolumen des Stators Druckveränderungen in einem Fluid erzeugt, das von dem Stator zu dem Volumen veränderlicher Größe geleitet wird.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, das das Volumen (15) veränderlicher Größe in physischem Kontakt mit einem Druckkissen (19) steht, um den Druck zu variieren, der wenigstens über einen begrenzten Teil dessen Fläche ausgeübt wird.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Rotor (3) darin beschränkt ist, sich zwischen entgegen gesetzten Endpositionen in dem Stator (1) zu bewegen, so dass die Bewegungsenergie des Rotors ausschließlich über den Stator (1) oder ein von diesem getragenes Teil übertragen wird, das physisch nicht mit dem Rotor (3) verbunden ist.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Stator (1) Öffnungen (8) besitzt, um bei der Verschiebung des Rotors (1) in diesem das Einströmen und Ausströmen von Fluid aus dem Arbeitsvolumen des Stators (1) zu erlauben.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) aus einer Mehrzahl Permanentmagneten (4) besteht oder eine solche besitzt, um das wechselnde magnetische Feld zu erzeugen.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (4) mit ihrer Magnetisierungsrichtung parallel zu der Achse des Stators (1) orientiert sind und mit Polstücken (5) an beiden Enden versehen sind, um die Magnetfelder, die von den Magneten (4) erzeugt werden, radial von den Umfangsflächen der Polstücke (5) auszurichten, um die Wicklungen zu unterbrechen.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Permanentmagneten (4) jeweils mit Polstücken (5) vorhanden ist, die so orientiert sind, dass die Magnetisierung benachbarter Magneten (4) entgegen gesetzt ausgerichtet ist.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel dazu dienen, eine zyklische Steuerungsfunktion durchzuführen, um den Rotor (3) zu veranlassen, sich in dem Arbeitsvolumen des Stators (1) hin- und herzubewegen.
Elektromagnetische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator an seiner Innenfläche eine verschleißfeste Beschichtung aufweist und der Rotor Lager (9) und/oder Dichtungen (6) trägt, die mit der Beschichtung in Eingriff stehen, um den Rotor (3) entlang des Axialwegs in dem Arbeitsvolumen des Stators (1) zu führen und wobei die Dichtungen (6) zwei entgegen gesetzte Kammern in dem Stator (1) gegen ein Kommunizieren untereinander abtrennen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Kräfte, die auf den Kolben (3) wirken und dessen gesteuerte Verschiebung so eingestellt sind, dass der Druck eines Fluids in wenigstens einer durch den Kolben (3) abgetrennten Kammer in einer vorbestimmten Weise modifizierbar ist.