DE10323629A1 - Traveling wave linear motor - Google Patents

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Heinz Lehr
Stephan Schrader
Steffen Walter
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Technische Universitaet Berlin
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Technische Universitaet Berlin
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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Abstract

Die Erfindung betrifft einen dreiphasigen linearen Synchronmotor, der einen Läufer (11) mit zentraler, axialer Bohrung aufweist, in die optische Elemente - z. B. eine optische Linse (7) - eingebaut werden können. Der Läufer (11) besteht aus einer Gleithülse (2), in der sich ein in axialer Richtung polarisierter Permanentmagnet (3) mit freiem Mitteldurchgang befindet. Die Führung des Läufers (11) erfolgt in einem ortsfesten Hüllrohr (1). Der Läufer (11) wird durch Wechselwirkung des Permanentmagneten (3) mit einem entlang der optischen Achse bewegten magnetischen Wanderfeld verschoben. Das Wanderfeld entsteht durch mindestens drei nebeneinanderliegende, um das Hüllrohr (1) gewickelte, ortsfeste Statorspulen (4) mit separater und variabler Bestromung. Die Position des Läufers (11) wird durch Selbsthaltekräfte des Permanentmagneten (3) im Magnetfeld der Spulen (4) festgelegt. Das magnetische Wanderfeld und somit auch der Läufer (11) sind axial beliebig fein verschiebbar. Die Verfahrstrecke des Läufers (11) kann je nach Anzahl der Spulen (4) beliebig lang gestaltet werden. Das System ist zur Miniaturisierung von optischen Systemen geeignet.The invention relates to a three-phase linear synchronous motor, which has a rotor (11) with a central, axial bore, in the optical elements - for. B. an optical lens (7) - can be installed. The rotor (11) consists of a sliding sleeve (2) in which there is a permanent magnet (3) polarized in the axial direction with a free central passage. The rotor (11) is guided in a stationary cladding tube (1). The rotor (11) is displaced by the interaction of the permanent magnet (3) with a magnetic traveling field moving along the optical axis. The traveling field is created by at least three stationary stator coils (4) lying next to one another and wound around the cladding tube (1) with separate and variable current supply. The position of the rotor (11) is determined by the self-holding forces of the permanent magnet (3) in the magnetic field of the coils (4). The magnetic traveling field and thus also the rotor (11) can be moved axially as desired. The travel distance of the rotor (11) can be made as long as desired, depending on the number of coils (4). The system is suitable for miniaturization of optical systems.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Wanderfeld-Linearmotor, der eine Magnetspulenanordnung sowie einen relativ zur Magnetspulenanordnung linear beweglichen Permanentmagneten aufweist. Die Magnetspulenanordnung umfasst dabei wenigstens drei Magnetspulen, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass ein magnetisches Wanderfeld zum positionsgenauen Bewegen des Permanentmagneten zu erzeugen ist.The The invention relates to an electromagnetic traveling field linear motor, one magnet coil arrangement and one relative to the magnet coil arrangement linearly movable permanent magnet. The magnet coil arrangement includes at least three magnetic coils, which are designed and are arranged that a magnetic traveling field for precise position Moving the permanent magnet is to be generated.

Außerdem betrifft die Erfindung einen Antrieb für optische Elemente wie beispielsweise Linsen, Prismen, Spiegel, Blenden, CCD-Chips usw.Also concerns the invention a drive for optical elements such as lenses, prisms, mirrors, screens, CCD chips etc.

insbesondere die Miniaturisierung von optischen Systemen, die motorisch verschiebbare optische Elemente enthalten (Linse, Prisma, Spiegel, Blende, CCD-Chip, etc.), erfordert die Entwicklung besonderer Antriebstechniken. Hierbei sind eine Reihe optischer Anforderungen einzuhalten, beispielsweise eine gute Positionierbarkeit, eine beliebig lange Verfahrstrecke des zu bewegenden optischen Elements, eine individuelle Verschiebung von mehreren optischen Komponenten mit überschneidenden Verfahrwegen, Freihalten des Strahlengangs in allen Stellungen des optischen Elements, etc.in particular the miniaturization of optical systems, the motor-driven contain optical elements (lens, prism, mirror, aperture, CCD chip, etc.), requires the development of special drive technologies. in this connection there are a number of optical requirements to be met, for example one good positionability, any travel distance of the optical element to be moved, an individual shift of several optical components with overlapping travel paths, Keeping the beam path clear in all positions of the optical element, Etc.

Aus dem US-Patent 5 490 015 ist ein piezoelektrischer Stellantrieb zur Bewegung einer Fokussierlinse bekannt. Dabei wird ein piezoelektrischer Stapelaktor impulsförmig erregt, wodurch sich die mit dem Aktor verbundene Fokussierlinsenhalterung kurzzeitig bewegt. Längere Stellwege lassen sich durch eine zeitliche Abfolge von Spannungsimpulsen erzielen. Allerdings führen der einseitige Krafteingriff des Aktors sowie dessen impulsartige Betätigung zu einer longitudinalen Ruckbewegung, deren Amplitude empfindlich von der örtlichen Haftreibung bestimmt wird, so dass Verstellgeschwindigkeit und Stellgenauigkeit begrenzt sind. Störend sind auch die zur Betätigung des Aktors notwendigen hohen Spannungsimpulse, die z. B. das Videobild beeinträchtigen. Insgesamt erschwert die Ausführung dieses Aktors die Verstellung mehrerer Linsengruppen, behindert die Miniaturisierung der gesamten Anordnung und ist wegen der Piezoaktorik bei Temperaturen über 100 °C (z. B. Sterilisation medizinischer Instrumente bei 133 °C, Überwachung von Schweißvorgängen usw.) nur schwer einsetzbar.Out U.S. Patent 5,490,015 is a piezoelectric actuator for Movement of a focusing lens is known. A piezoelectric stack actuator is used pulse form excited, whereby the focusing lens holder connected to the actuator briefly emotional. longer Travel ranges can be achieved through a chronological sequence of voltage pulses. However, lead the one-sided force intervention of the actuator and its impulse-like activity to a longitudinal jerk movement, the amplitude of which is sensitive from the local Stiction is determined so that adjustment speed and positioning accuracy are limited. disturbing are also those for actuation of the actuator necessary high voltage pulses, the z. B. the video image affect. Overall, the implementation is difficult this actuator prevents the adjustment of several lens groups the miniaturization of the entire arrangement and is because of the piezo actuator at temperatures above 100 ° C (e.g. B. Sterilization of medical instruments at 133 ° C, monitoring welding processes, etc.) difficult to use.

Zur Ansteuerung eines Zoomobjektivs sind aus der DE 43 12 489 A1 beispielsweise motorische Antriebssysteme bekannt, die zur Kraftübertragung vom Motor auf die Halterung des Zoomobjektivs Ritzel, Zahnräder und Helixführungen einsetzen. Allerdings wird der Einsatz solcher Elemente offensichtlich eine Miniaturisierung optischer Instrumente erschweren.To control a zoom lens are from the DE 43 12 489 A1 For example, motor drive systems are known which use pinions, gears and helical guides for power transmission from the motor to the mount of the zoom lens. However, the use of such elements will obviously complicate miniaturization of optical instruments.

Aus der DE 199 27 129 C1 sind streifenförmige piezoelektrische Biegeaktoren bekannt, die zur Verstellung einer Fokussierlinse dienen. Dabei bewegen sich die streifenförmigen bimorphen Piezoaktoren bei Anlegen einer Spannung orthogonal zur Verstellrichtung der Fokussierlinse. Gelenkglieder zwischen der Fokussierlinse sowie den Piezostreifen besorgen schließlich die Bewegung der Fokussierlinse entlang der optischen Achse des Linsensys tems. Dem Vorteil der kontinuierlichen haftreibungsfreien Bewegung stehen allerdings die Nachteile eines erheblichen, den Durchmesser vergrößernden Platzbedarfs des Antriebssystems sowie dessen beschränkter Stellbereich gegenüber.From the DE 199 27 129 C1 strip-shaped piezoelectric bending actuators are known, which are used to adjust a focusing lens. The strip-shaped bimorph piezo actuators move orthogonally to the direction of adjustment of the focusing lens when a voltage is applied. Articulated links between the focusing lens and the piezo strips finally ensure the movement of the focusing lens along the optical axis of the lens system. However, the advantage of the continuous movement without static friction is offset by the disadvantages of a considerable, space-increasing space requirement for the drive system and its limited adjustment range.

Aus der DE 199 27 129 C1 ist gleichermaßen die Bewegung eines Zoomobjektivs durch einen Schrittmotor bekannt. Allerdings befindet sich der Motor nicht in der Längsachse des Linsensystems, so dass der gesamte Durchmesser erheblich vergrößert wird.From the DE 199 27 129 C1 the movement of a zoom lens by a stepper motor is also known. However, the motor is not in the longitudinal axis of the lens system, so that the entire diameter is increased considerably.

Aus der Offenlegungsschrift DE 196 18 355 A1 ist ein elektrodynamischer Antrieb bekannt, der aus einer permanentmagnetischen Hülse besteht, die in einem Hüllrohr gleitet und bei Bestromung zweier gegenläufig gewickelter Solenoide durch Lorentzkräfte bewegt wird (Tauchspulenprinzip). Allerdings weist dieser Aktor, der bei Endoskopen eingesetzt werden soll, einige Nachteile auf: Bei Bestromung der Solenoide fährt der Permanentmagnet an eine Endposition, die durch die Länge des Magneten und die gegenläufig gewickelten Solenoide festgelegt ist. Da der Aktor über keine natürliche Haltestellung sowie keine Selbsthaltung verfügt, lässt sich die Positionierung von Linsen oder Linsengruppen sowie die Fixierung ihrer Position, z. B. beim Auftreten von Beschleunigungskräften, durch einen Regelkreis erzielen, wobei eine Wegmessung, wie sie in der DE 196 05 413 A1 beschrieben ist, erforderlich wird. Alternativ hierzu wäre zur Positionierung die Bewegung gegen eine Federkraft denkbar, die dann jedoch zusätzlichen Platz beansprucht. In beiden Fällen steigt aber der Aufwand erheblich. Der mögliche Verfahrweg des Magneten wird durch die Länge der gesamten magnetischen Anordnung festgelegt. Will man bei einem Motor auf Tauchspulenbasis große Verfahrwege realisieren, so ist dies nur durch eine entsprechende magnetische Länge des Läufers sowie mindestens doppelt so lange Solenoidspulen erreichbar. Dies kann aufgrund der Zunahme der axialen Länge der schmalen Bohrung des Läufers zu einer Beeinträchtigung des optischen Strahlengangs führen. Weiterhin wird durch lange Solenoide der Einsatz mehrerer unabhängiger, axial in Reihe angeordneter und angetriebener optischer Elemente problematisch. Die Pole des Läufers können sich nicht über die zugeordneten Spulen hinausbewegen. Dadurch ist das Verfahren von einem Läufer in das Spulensystem eines anderen Läufers sowie überlappende Verfahrstrecken verschiedener Läufer gänzlich unmöglich. Hieraus ergeben sich wesentliche Einschränkungen bei der Gestaltung des optischen Systems.From the published application DE 196 18 355 A1 an electrodynamic drive is known which consists of a permanent magnetic sleeve which slides in a cladding tube and is moved by Lorentz forces when energized by two oppositely wound solenoids (moving coil principle). However, this actuator, which is to be used in endoscopes, has some disadvantages: When the solenoids are energized, the permanent magnet moves to an end position which is determined by the length of the magnet and the solenoids wound in opposite directions. Since the actuator has no natural holding position and no self-holding, the positioning of lenses or lens groups and the fixing of their position, e.g. B. when acceleration forces occur, by a control loop, a distance measurement, as in the DE 196 05 413 A1 is required. As an alternative to this, the movement against a spring force would be conceivable for positioning, but this would then take up additional space. In both cases, however, the effort increases considerably. The possible travel of the magnet is determined by the length of the entire magnetic arrangement. If you want to realize long travels with a motor based on a moving coil, this can only be achieved by a corresponding magnetic length of the rotor and at least twice as long solenoid coils. This can lead to an impairment of the optical beam path due to the increase in the axial length of the narrow bore of the rotor. Furthermore, the use of several independent, axially arranged and driven optical elements becomes problematic due to long solenoids. The rotor poles cannot move beyond the assigned coils. As a result, the process from one rotor into the coil system of another rotor and overlapping Ver routes of different runners completely impossible. This results in significant restrictions in the design of the optical system.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst kleinen, einfachen und positionsgenauen Antrieb der eingangs genannten Art zu schaffen. Im Falle eines Antriebs für optische Elemente soll die Positionierung optischer Elemente beliebig flexibel erfolgen können und die gesamte Einheit so weit miniaturisierbar sein, dass Durchmesser im Bereich weniger Millimeter erreichbar sind.It is the object of the present invention, the smallest possible, simple and create positionally accurate drive of the type mentioned. In the case of a drive for The positioning of optical elements should be as flexible as possible can be done and the entire unit can be miniaturized to the extent that diameter can be reached in the range of a few millimeters.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen elektromagnetischen Wanderfeld-Linearmotor der eingangs genannten Art erreicht, bei dem die Magnetspulen um einen längsgestreckten Hohlraum gewundene, geschlossene Leiterdrahtwicklungen aufweisen und der Permanentmagnet axial polarisiert und im Inneren des Hohlraums längs beweglich geführt ist.According to the invention Task by an electromagnetic traveling field linear motor achieved at the outset, in which the magnetic coils by one elongated Have void wound, closed conductor wire windings and the permanent magnet is polarized axially and inside the cavity longitudinally movable guided is.

Indem die Wicklungen der Magnetspulen vollständig um den Hohlraum gewunden sind, ist ein besonders einfacher und kleiner Aufbau des Linearmotors möglich. Das ortsveränderliche magnetische Wanderfeld bewegt den Permanentmagneten, der beispielsweise mit ebenfalls in dem Hohlraum positionierten optischen Elementen verbunden sein kann. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders kleiner positionsgenauer Linearantrieb für optische Elemente.By doing the windings of the solenoids are completely wound around the cavity are a particularly simple and small structure of the linear motor possible. The portable Magnetic traveling field moves the permanent magnet, for example with optical elements also positioned in the cavity can be connected. This results in a particularly small one Positionally accurate linear drive for optical elements.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind an beiden Längsenden des Permanentmagneten weichmagnetische Läuferpolschuhe angeordnet. Außerdem ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ein weichmagnetisches Außenrohr vorgesehen, welches den Hohlraum umschließt und in dem die Leiterdrahtwicklungen untergebracht sind. Diese beiden Maßnahmen tragen jeweils separat zu einer effizienten Nutzung des durch die Magnetspulenanordnung erzeugten elektromagnetischen Wanderfeldes bei.In are a preferred embodiment at both longitudinal ends the permanent magnet arranged soft magnetic rotor pole shoes. Besides, is in a further preferred embodiment, a soft magnetic Outer tube provided, which encloses the cavity and in which the conductor wire windings are housed. These two activities contribute separately to the efficient use of the by Magnetic coil arrangement generated electromagnetic traveling field at.

Schließlich ist vorzugsweise eine in dem Hüllrohr axial beweglich geführte Gleithülse vorgesehen, die mit dem Permanentmagneten verbunden ist und die beispielsweise die optischen Elemente in Form von Linsen aufnehmen kann.Finally is preferably one in the cladding tube guided axially movable sliding sleeve provided that is connected to the permanent magnet and the for example, the optical elements in the form of lenses can.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante umfasst einen dreiphasigen linearen Synchronmotor der in Anspruch 1 genannten Art, der eine axiale Verschiebung von optischen Elementen entlang seiner Achse bewirkt. Sein Aufbau erlaubt eine Miniaturisierung des optischen Systems und bewahrt dabei eine große Flexibilität bei der Auslegung der Optik.A particularly preferred embodiment variant comprises a three-phase linear synchronous motor which in claim 1 mentioned type, the axial displacement of optical elements along its axis. Its structure allows miniaturization of the optical system while maintaining great flexibility in the Design of the optics.

Konkret ist ein elektromagnetischer Wanderfeldmotor zur Bewegung optischer Elemente in einem Hüllrohr vorgesehen, bei dem der Motor eine axial bewegliche Gleithülse aufweist, die in dem Hüllrohr gleitet und mindestens einen axial polarisierten Permanentmagneten sowie optische Elemente aufnimmt. Außerdem ist eine Anordnung von mindestens drei Spülen vorgesehen, die um das Hüllrohr geschlungen sind und durch unabhängige, variable Bestromung ein magnetisches Wanderfeld erzeugen können, das durch einen magnetischen Rückfluss über ein weichmagnetisches Außenrohr und weichmagnetische Läuferpolschuhe konzentriert geführt und verstärkt wird. Das dreiphasige Wanderfeld dient zur axialen Bewegung des Permanentmagneten und der mit diesem verbundenen Gleithülse. Das Wanderfeld erzeugt durch Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten Selbsthaltekräfte, die zur Festigung des Läuferorts sowie zur Positionsstabilisierung der optischen Elemente durch rücktreibende Kräfte führen.Concrete is an electromagnetic traveling field motor for moving optical Elements in a cladding tube provided in which the motor has an axially movable sliding sleeve, those in the cladding tube slides and at least one axially polarized permanent magnet as well as optical elements. In addition, an arrangement of at least three sinks provided around the cladding tube are looped and by independent, variable current can generate a magnetic traveling field that through a magnetic reflux over a soft magnetic outer tube and soft magnetic rotor pole shoes focused and guided reinforced becomes. The three-phase traveling field serves for the axial movement of the Permanent magnet and the sliding sleeve connected to it. The Traveling field generated by interaction with the permanent magnet Even holding forces, those to consolidate the runner's place as well as to stabilize the position of the optical elements by driving them back Lead forces.

Diese Anordnung stellt einen elektromagnetischen Wanderfeldmotor dar, der vom Prinzip her als dreiphasiger linearer Synchronmotor aufgefasst werden kann. Dieser dient zur kontinuierlichen Verschiebung einzelner Linsen, Linsengruppen oder anderer optischer Elemente (beispielsweise Prismen, Spiegel, Blenden, CCD-Chips, etc.) und eignet sich insbesondere für miniaturisierte optische Instrumente wie z.B. Endoskope. Typische Aufgaben des Motors sind das Vergrößern oder Verkleinern eines Bilds in einer Bildebene durch Bewegen eines Zoomobjektivs, Bewegen eines Bildaufnehmers oder das Einstellen der Bildschärfe durch Verschieben einer Fokussierlinse.This Arrangement represents an electromagnetic traveling field motor, which is understood in principle as a three-phase linear synchronous motor can be. This is used to continuously shift individuals Lenses, lens groups or other optical elements (for example Prisms, mirrors, panels, CCD chips, etc.) and is particularly suitable for miniaturized optical instruments such as Endoscopes. Typical engine tasks are enlarging or Reducing an image in an image plane by moving a zoom lens, Moving an imager or adjusting the focus Moving a focusing lens.

Hierzu gleitet pro Stellelement eine dünnwandige Gleithülse, in der sich ein in axialer Richtung polarisierter Permanentmagnet mit freiem Mitteldurchgang befindet, als Läufer in einem ortsfesten Hüllrohr. Die Gleithülse dient zur Aufnahme und Zentrierung des Permanentmagneten sowie der optischen Elemente. Sie wird durch Wechselwirkung des Permanentmagneten mit einem entlang der optischen Achse gerichteten magnetischen Wanderfeld bewegt, das durch mindestens drei nebeneinanderliegende und um das Hüllrohr gewickelte ortsfeste Spulen mit separater und variabler Bestromung entsteht. Die Position des Läufers wird durch Selbsthaltekräfte des Permanentmagneten im Magnetfeld der Spulen festgelegt, so dass keinerlei Wegmeßsystem erforderlich ist. Die Selbsthaltung ist insbesondere bei fest eingestellter Position der optischen Elemente vorteilhaft, da sie eine Fehljustage der Linsen oder Objektive durch eine ruckweise Bewegung des Instruments oder infolge der Schwerkraft verhindert. Weiterhin gelingt eine sehr präzise Einstellung der Position, da der Einfluss der Haftreibung durch kurzzeitige Erhöhung der Stromstärke beliebig reduzierbar ist. Aufgrund der Spulenanordnung und dem resultierenden Magnetfeld ist die longitudinale Abmessung des Permanentmagneten gering, so dass der optische Strahlengang kaum beeinträchtigt wird.For this purpose, a thin-walled sliding sleeve, in which there is a permanent magnet polarized in the axial direction with a free central passage, slides per actuator as a rotor in a stationary cladding tube. The sliding sleeve is used to hold and center the permanent magnet and the optical elements. It is moved by the interaction of the permanent magnet with a magnetic traveling field directed along the optical axis, which is created by at least three stationary coils lying next to one another and wound around the cladding tube with separate and variable current supply. The position of the rotor is determined by the self-holding forces of the permanent magnet in the magnetic field of the coils, so that no displacement measuring system is required. The self-holding is particularly advantageous when the position of the optical elements is fixed, since it prevents misalignment of the lenses or lenses due to a jerky movement of the instrument or due to gravity. Furthermore, the position can be set very precisely, since the influence of static friction can be reduced as desired by briefly increasing the current. Due to the coil arrangement and the resulting magnetic field, the longitudinal dimension is Solution of the permanent magnet low, so that the optical beam path is hardly affected.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante erlauben es weitere nebeneinander angebrachte Dreiergruppen von Spulen, den Verfahrweg des Permanentmagneten, im Gegensatz zum Tauchspulenprinzip, beliebig weit zu gestalten. Hierfür ist keinerlei zusätzliche Längenänderung des Permanentmagneten erforderlich, wodurch alle Freiheitsgrade zur Gestaltung optischer Systeme erhalten bleiben und insbesondere die unabhängige Verschiebung verschiedener Linsen oder Linsengruppen eines optischen Systems durch mehrere Aktoren ermöglicht wird.In allow a preferred embodiment there are three groups of coils attached side by side, the Travel path of the permanent magnet, in contrast to the moving coil principle, as far as you want. There is no additional for this change in length of the permanent magnet required, giving all degrees of freedom for designing optical systems are retained and in particular the independent Shifting different lenses or lens groups of an optical system made possible by several actuators becomes.

Optische Instrumente wie Endoskope, Videokameras für die Mikromontage und zur Überwachung müssen einen möglichst geringen Durchmesser aufweisen. Ziel muss es daher sein, eine Miniaturisierung des gesamten optischen Systems einschließlich der Aktorik für die Linsenverstellung zu erreichen. Dies wird durch den erfindungsgemäßen feldgeführten permanentmagnetischen Wanderfeldmotor erreicht. Er lässt sich platzsparend und bis zu wenigen Millimeter im Durchmesser ausführen, wobei die Positioniergenauigkeit im Mikrometerbereich liegt.optical Instruments such as endoscopes, video cameras for micro assembly and for monitoring have to one if possible have a small diameter. The goal must therefore be miniaturization of the entire optical system including the actuator system for lens adjustment to reach. This is made possible by the field-guided permanent magnetic according to the invention Wanderfeldmotor reached. He let are space-saving and up to a few millimeters in diameter, whereby the positioning accuracy is in the micrometer range.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und darin dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:The Invention is illustrated below with reference to drawings and therein embodiments described. The drawings show:

1: Schnittzeichnung des dreiphasigen linearen Synchronmotors. 1 : Sectional drawing of the three-phase linear synchronous motor.

2: Linearantrieb entsprechend 1 jedoch mit drei Spulensystemen mit je drei Spulen (4a, b, c) zur Verlängerung des Fahrwegs. 2 : Linear actuator accordingly 1 however with three coil systems with three coils each ( 4a . b . c ) to extend the route.

3: Linearantrieb entsprechend 1 jedoch mit dreipoligem Läufer (11). 3 : Linear actuator accordingly 1 but with three-pole rotor ( 11 ).

4: Linearantrieb entsprechend 1 jedoch ohne Gleithülse (2). 4 : Linear actuator accordingly 1 but without sliding sleeve ( 2 ).

5: Linearantrieb entsprechend 1 jedoch mit weichmagnetischen Statorpolschuhen (8) zwischen den Spulen (4) zur Führung des magnetischen Flusses. 5 : Linear actuator accordingly 1 but with soft magnetic stator pole shoes ( 8th ) between the coils ( 4 ) to guide the magnetic flux.

6: Zwei getrennt voneinander ansteuerbare Läufer (11 und 12) mit überlappenden Verfahrwegen in einem Spulensystem. 6 : Two separately controllable runners ( 11 and 12 ) with overlapping travel paths in a coil system.

7: Axialer Verlauf der resultierenden Axialkraft (F) als Funktion des Wegs (x) für zwei unterschiedliche Phasenansteuerungen. 7 : Axial course of the resulting axial force (F) as a function of the path (x) for two different phase controls.

8: Bestromung (I) der drei Spulen (a, b, c) in Abhängigkeit des Ortes (x). 8th : Energization (I) of the three coils ( a . b . c ) depending on the location (x).

In 1 ist anhand einer Schnittzeichnung der grundsätzliche Aufbau des dreiphasigen linearen Synchronmotors gemäß Anspruch 1 dargestellt. Gezeigt wird ein ortsfester Stator (10), der aus einem Hüllrohr (1), drei um das Hüllrohr gewickelte Spulen (4a, b, c) und einem Außenrohr (6) zusammengesetzt ist. Das Hüllrohr (1) des Stators (10) dient zur Führung des axial verschiebbaren Läufers (11), der von einer Gleithülse (2) gebildet ist sowie von einem innerhalb der Gleithülse befestigten axial magnetisierten Permanentmagneten (3) mit freiem Mitteldurchgang. In diesem ist in dem Ausführungsbeispiel ein optisches Element eingebettet, beispielsweise eine Linse (7).In 1 the basic structure of the three-phase linear synchronous motor according to claim 1 is shown using a sectional drawing. A stationary stator is shown ( 10 ) made from a cladding tube ( 1 ), three coils wound around the cladding tube ( 4a . b . c ) and an outer tube ( 6 ) is composed. The cladding tube ( 1 ) of the stator ( 10 ) is used to guide the axially displaceable rotor ( 11 ), which is supported by a sliding sleeve ( 2 ) is formed and by an axially magnetized permanent magnet fastened within the sliding sleeve ( 3 ) with a free central passage. In the exemplary embodiment, an optical element is embedded in it, for example a lens ( 7 ).

Ein das Bewegen und Positionieren des Läufers (11) bewirkendes Magnetfeld ergibt sich aus der Überlagerung des Magnetfeldes des Permanentmagneten (3) und der stromdurchflossenen Spulen (4a, b, c), die variabel und unabhängig voneinander, jedoch stets in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander (8), bestromt werden können. Zur Führung des magnetischen Flusses dienen die am Permanentmagneten angebrachten Läuferpolschuhe (5) und das Außenrohr (6), die beide aus weichmagnetischen Materialien bestehen.On moving and positioning the runner ( 11 ) magnetic field results from the superposition of the magnetic field of the permanent magnet ( 3 ) and the current-carrying coils ( 4a . b . c ) that are variable and independent of each other, but always in a predetermined relationship to each other ( 8th ), can be energized. The rotor pole shoes attached to the permanent magnet ( 5 ) and the outer tube ( 6 ), both made of soft magnetic materials.

Der Magnet (3) wird zur Miniaturisierung vorzugsweise aus permanentmagnetischen Materialien mit höchsten Energiedichten wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt hergestellt. Das Hüllrohr (1) und die Gleithülse (2) dienen einzig der Führung des Läufers (11) im Stator (10) und sollen das Magnetfeld nicht beeinflussen. Sie bestehen daher aus nicht-ferromagnetischem Material wie beispielsweise Chrom-Nickel-Stahl oder Kupfer-Beryllium. Zur Minimierung von Reibung und Verschleiß sind die Laufflächen des Hüllrohrs (1) und der Gleithülse (2) poliert und können zusätzlich mit einem Hartstoff (wie Si3N4, SiC oder diamantähnlichem Kohlenstoff, kurz DLC) beschichtet sein. Der dargestellte Aufbau kann zu folgenden Varianten modifiziert werden, die auch untereinander kombinierbar sind:

  • (I) 2: gezeigt ist der Linearantrieb entsprechend 1 jedoch mit drei Spulensystemen mit je drei Spulen (4a, b, c), wobei jede vierte Spule die gleiche Bestromung erfährt. Die Strecke, in der der Läufer (11) aktiv verschoben wird, ist im Vergleich zu 1 verdreifacht. Auf diese Weise kann die aktive Verfahrstrecke gemäß Anspruch 2 beliebig verlängert werden, wobei eine gleichzeitige axiale Verlängerung des Läufers (11) nicht erforderlich ist. Der Läufer (11) kann kontinuierlich und mit konstanter axialer Antriebskraft durch alle Spulensystem hindurch verschoben werden.
  • (II) 3 zeigt einen Wanderfeldmotor der zuvor beschriebenen Art, bei dem zwei Permanentmagnete des Läufers gegensinnig angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass zusätzliche Spulen (bei mehr als drei Spulen) von einem magnetischen Fluss durchflossen werden, die eine zusätzliche Lorenzkraft erzeugen. Damit nimmt die maximale Antriebskraft und die Steifigkeit bei gleicher elektrischer Leistung zu. Im Prinzip kann der Läufer beliebig viele Pole (> = 2) haben.
  • (III) 4: gezeigt ist der Linearantrieb entsprechend 1 jedoch ohne Gleithülse (2). Durch diesen Verzicht lässt sich radialer Bauraum gewinnen. In diesem Fall dienen die Mantelflächen der Polschuhe, des Permanentmagneten oder beider Komponenten als Laufflächen, die zur Minimierung von Reibung und Verschleiß mit Hartstoff beschichtet werden können.
  • (IV) 5: gezeigt ist der Linearantrieb entsprechend 1 jedoch mit ringförmigen, weichmagnetischen Statorpolschuhen (8) zwischen den Spulen (4) zur Führung des magnetischen Flusses. Daraus ergeben sich gemäß Anspruch 10 im Vergleich zu der Luftspulenanordnung (1) höhere Stellkräfte. Die Axialkraft ist aber ortsabhängig und kann je nach Auslegung zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Rastkraft führen.
  • (V) 6: beispielhafte Darstellung, wie gemäß Anspruch 3 zwei Läufer (11 und 12) mit überlappenden Verfahrstrecken getrennt voneinander verschoben werden können. Der dargestellte Stator (10) entspricht 2, die beiden Läufer (11 und 12) entsprechen 1. Im oberen Teil (A) von
  • 5 wird der Läufer (11) von den zwei Spulensystemen (4) bewegt, während ein davon unabhängig bestromtes Spulensystem (9) auf den Läufer (12) einwirkt. Wird nun die mittlere Dreiergruppe von Spulen an das System (9) angeschlossen (untere Teilabbildung B), so kann der Läufer (12) in den Bereich verfahren werden, in dem vorher Läufer (11) mit dem Spulensystem (4) bewegt wurde. Vor dem Umschalten der Bestromung des mittleren Dreierspulenpakets sollte der Läufer (11) aus dem mittleren Spulensystems herausgefahren werden, da er ansonsten – gemeinsam mit dem Läufer (12) – von dem System (9) angesprochen wird.
The magnet ( 3 ) is preferably made for miniaturization from permanent magnetic materials with the highest energy densities such as neodymium-iron-boron or samarium-cobalt. The cladding tube ( 1 ) and the sliding sleeve ( 2 ) only serve to guide the runner ( 11 ) in the stator ( 10 ) and should not influence the magnetic field. They are therefore made of non-ferromagnetic material such as chrome-nickel steel or copper-beryllium. To minimize friction and wear, the running surfaces of the cladding tube ( 1 ) and the sliding sleeve ( 2 ) polished and can also be coated with a hard material (such as Si 3 N 4 , SiC or diamond-like carbon, DLC for short). The structure shown can be modified to the following variants, which can also be combined with one another:
  • (I) 2 : the linear drive is shown accordingly 1 however with three coil systems with three coils each ( 4a . b . c ), with every fourth coil receiving the same current. The distance in which the runner ( 11 ) is moved actively compared to 1 tripled. In this way, the active travel distance can be extended as desired, with a simultaneous axial extension of the rotor ( 11 ) is not required. The runner ( 11 ) can be moved continuously and with constant axial driving force through all coil systems.
  • (II) 3 shows a traveling field motor of the type described above, in which two permanent magnets of the rotor are arranged in opposite directions. This has the advantage of having additional coils (if there are more than three coils) from one magnetic Flow through, which generate an additional Lorenz force. This increases the maximum driving force and rigidity with the same electrical power. In principle, the rotor can have any number of poles (> = 2).
  • (III) 4 : the linear drive is shown accordingly 1 but without sliding sleeve ( 2 ). This waiver allows radial space to be gained. In this case, the outer surfaces of the pole shoes, the permanent magnet or both components serve as running surfaces that can be coated with hard material to minimize friction and wear.
  • (IV) 5 : the linear drive is shown accordingly 1 however with ring-shaped, soft magnetic stator pole shoes ( 8th ) between the coils ( 4 ) to guide the magnetic flux. According to claim 10, this results in comparison to the air coil arrangement ( 1 ) higher actuating forces. However, the axial force is location-dependent and, depending on the design, can lead to a more or less pronounced locking force.
  • (V) 6 : exemplary representation of how two runners according to claim 3 ( 11 and 12 ) can be moved separately from each other with overlapping travel distances. The stator shown ( 10 ) corresponds 2 , the two runners ( 11 and 12 ) correspond 1 , In the upper part (A) of
  • 5 the runner ( 11 ) of the two coil systems ( 4 ) moves while a coil system that is powered independently of it ( 9 ) on the runner ( 12 ) acts. If the middle group of three coils is now connected to the system ( 9 ) connected (lower part B), the runner ( 12 ) be moved into the area in which runners ( 11 ) with the coil system ( 4 ) was moved. Before switching the current to the middle triple coil package, the rotor ( 11 ) are moved out of the middle coil system, otherwise it - together with the rotor ( 12 ) - from the system ( 9 ) is addressed.

7 zeigt den Verlauf der resultierenden Axialkraft (F) eines gattungsgemäßen Wanderfeldmotors in der Ausführung mit Luftspulen (gemäß 1 bis 4) als Funktion des Wegs (x) (durchgezogene Linie). Der Nulldurchgang der Axialkraft (P1) legt die jeweilige Sollposition des Permanentmagneten (3) und damit der Gleithülse (2) fest. Die Steigung an dieser Stelle führt zu rücktreibenden Kräften. Eine Erhöhung der Stromamplituden ergibt eine größere Steigung und größere Rückstellkräfte. Der Nulldurchgang der gestrichenen Linie (P2) zeigt eine neue Sollposition bei Fortschreiten des Wanderfelds durch geänderte relative Stromamplituden der Spulen (4). Dabei kann die Sollposition beliebig genau vorgegeben werden. 7 shows the course of the resulting axial force (F) of a generic traveling field motor in the version with air coils (according to 1 to 4 ) as a function of the path (x) (solid line). The zero crossing of the axial force (P1) defines the respective target position of the permanent magnet ( 3 ) and thus the sliding sleeve ( 2 ) firmly. The slope at this point leads to driving forces. An increase in the current amplitudes results in a larger gradient and greater restoring forces. The zero crossing of the dashed line (P2) shows a new target position as the traveling field progresses due to changed relative current amplitudes of the coils ( 4 ). The target position can be specified exactly as desired.

In 8 ist die Bestromung (I) der drei Spulen (a, b, c) in Abhängigkeit des Phasenwinkels bzw. des Ortes (x) dargestellt. Die Ströme in einem dreiphasigen Drehfeld sind um jeweils 120° phasenversetzt. Durch die Bestromung ergibt sich – unter Einhaltung dieser Phasenbeziehung – ein resultierendes Magnetfeld, dessen örtliche Verteilung innerhalb des Stators (10) von dem absoluten Phasenwinkel (entspricht der x-Achse) der drei Ströme abhängig ist. Da der absolute Phasenwinkel der Ströme beliebig genau wählbar ist, kann auch die Lage des Magnetfeldes und somit die Position des Läufers (x) beliebig fein vorgegeben werden.In 8th is the energization (I) of the three coils ( a . b . c ) depending on the phase angle or location (x). The currents in a three-phase rotating field are 120 ° out of phase. The energization results in a resulting magnetic field - while maintaining this phase relationship - whose local distribution within the stator ( 10 ) depends on the absolute phase angle (corresponds to the x-axis) of the three currents. Since the absolute phase angle of the currents can be selected as precisely as desired, the position of the magnetic field and thus the position of the rotor (x) can also be specified as desired.

Claims (17)

Elektromagnetischer Wanderfeld-Linearmotor mit einer Magnetspulenanordnung (4) und einem relativ zur Magnetspulenanordnung (4) linear beweglichen Permanentmagneten (3), wobei die Magnetspulenanordnung (4) wenigstens drei Magnetspulen (4a, 4b, 4c) umfasst, die ausgebildet und angeordnet sind, ein magnetisches Wanderfeld zum positionsgenauen Bewegen des Permanentmagneten (3) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen (4a, 4b, 4c) um einen längsgestreckten Hohlraum gewundene, geschlossene Leiterdrahtwicklungen aufweisen und der Permanentmagnet (3) axial polarisiert und im Inneren des Hohlraum längsbeweglich geführt ist.Electromagnetic traveling field linear motor with a magnet coil arrangement ( 4 ) and one relative to the magnet coil arrangement ( 4 ) linearly movable permanent magnets ( 3 ), the magnetic coil arrangement ( 4 ) at least three solenoids ( 4a . 4b . 4c ), which are designed and arranged, a magnetic traveling field for precisely moving the permanent magnet ( 3 ), characterized in that the magnetic coils ( 4a . 4b . 4c ) have closed conductor wire windings wound around an elongated cavity and the permanent magnet ( 3 ) axially polarized and guided longitudinally inside the cavity. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Permanentmagneten (3) weichmagnetische Läuferpolschuhe (5) zur Führung des magnetischen Flusses angebracht sind. 3 Wanderfeld-Linearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetischen Läuferpolschuhe (5) an beiden Längsenden des Permanentmagneten (3) angeordnet sind.Electromagnetic traveling field motor according to claim 1, characterized in that on the permanent magnet ( 3 ) soft magnetic rotor pole shoes ( 5 ) are attached to guide the magnetic flux. 3 traveling field linear motor according to claim 2, characterized in that the soft magnetic rotor pole shoes ( 5 ) on both longitudinal ends of the permanent magnet ( 3 ) are arranged. Wanderfeld-Linearmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein nicht ferromagnetisches Hüllrohr (1), welches den Hohlraum umschließt und um welches die Leiterdrahtwicklungen gewickelt sind.Wanderfeld linear motor according to claim 1, characterized by a non-ferromagnetic cladding tube ( 1 ) which encloses the cavity and around which the conductor wire windings are wound. Wanderfeld-Linearmotor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine in dem Hüllrohr (1) axial beweglich geführte Gleithülse (2), die mit dem Permanentmagneten (3) verbunden ist.Wanderfeld linear motor according to claim 4, characterized by a in the cladding tube ( 1 ) axially movable sliding sleeve ( 2 ) with the permanent magnet ( 3 ) connected is. Wanderfeld-Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein weichmagnetisches Außenrohr (6), welches die Magnetspulenanordnung (4) umschließt.Wanderfeld linear motor according to one of claims 1 to 5, characterized by a soft magnetic outer tube ( 6 ), which the magnet coil arrangement ( 4 ) encloses. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der axial magnetisierte Permanentmagnet (3) eine beliebige geometrische Gestaltung mit einer axialen Bohrung für einen optischen Strahlengang aufweist.Electromagnetic traveling field motor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the axially magnetized permanent magnet ( 3 ) any geometric design with an axial bore for an optical beam path having. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der axial magnetisierte Permanentmagnet (3) ringförmig ausgebildet ist.Electromagnetic traveling field motor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the axially magnetized permanent magnet ( 3 ) is ring-shaped. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander gleitenden Flächen von Gleithülse (2) oder Hüllrohr (3) oder beiden mit Hartstoffschichten wie Si3N4, SiC oder DLC (diamantähnlichem Kohlenstoff) bedeckt sind, um die Reibung und den Verschleiß zu reduzieren.Electromagnetic traveling field motor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sliding surfaces of sliding sleeve ( 2 ) or cladding tube ( 3 ) or both are covered with hard material layers such as Si 3 N 4 , SiC or DLC (diamond-like carbon) in order to reduce friction and wear. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass weichmagnetische Statorpolschuhe (8) zwischen den einzelnen Spulen (4) angebracht sind, um die resultierende Axialkraft zu erhöhen.Electromagnetic traveling field motor according to one of claims 1 to 9, characterized in that soft magnetic stator pole shoes ( 8th ) between the individual coils ( 4 ) are attached to increase the resulting axial force. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Läufer (11) gleicher Bauart durch getrennte Bestromung verschiedener, axial versetzter Dreierspulengruppen, individuell in einem gemeinsamen Hüllrohr (1) verfahrbar angeordnet sind.Electromagnetic traveling field motor according to one of claims 1 to 10, characterized in that a plurality of rotors ( 11 ) of the same design through separate energization of different, axially offset groups of three coils, individually in a common cladding tube ( 1 ) are arranged to be movable. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrwege der unterschiedlichen Läufer (11) durch Umschalten der Spulenbestromung überlappend sind.Electromagnetic traveling field motor according to claim 11, characterized in that the travel paths of the different rotors ( 11 ) are overlapping by switching the coil current. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor zur Bewegung optischer Elemente in einem Hüllrohr (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine axial bewegliche Gleithülse (2) aufweist, die in einem Hüllrohr (1) gleitend geführt ist und zusammen mit mindestens einem axial polarisierten Permanentmagnet (3) einen Läufer (11) bildet, wobei der Motor weiterhin eine Anordnung von mindestens drei Spulen (4) aufweist, die um das Hüllrohr (1) geschlungen sind und durch unabhängige, variable Bestromung ein magnetisches Wanderfeld erzeugen können, das durch einen magnetischen Rückfluss über das weichmagnetische Außenrohr (6) und die weichmagnetischen Läuferpolschuhe (5) konzentriert geführt und verstärkt wird, wobei das dreiphasige Wanderfeld zur axialen Bewegung des Permanentmagneten (3) und damit der Gleithülse (2) dient und durch Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten (3) Selbsthaltekräfte erzeugt, die zur Festlegung des Läuferorts sowie zur Positionsstabilisierung der optischen Elemente (7) durch rücktreibende Kräfte führen.Electromagnetic traveling field motor for moving optical elements in a cladding tube ( 1 ), characterized in that the motor has an axially movable sliding sleeve ( 2 ) which, in a cladding tube ( 1 ) is slidably guided and together with at least one axially polarized permanent magnet ( 3 ) a runner ( 11 ) forms, the motor further comprising an arrangement of at least three coils ( 4 ) around the cladding tube ( 1 ) are looped and can generate a magnetic traveling field through independent, variable current supply, which is generated by a magnetic return flow through the soft magnetic outer tube ( 6 ) and the soft magnetic rotor pole shoes ( 5 ) is guided and strengthened in a concentrated manner, the three-phase traveling field for the axial movement of the permanent magnet ( 3 ) and thus the sliding sleeve ( 2 ) serves and by interaction with the permanent magnet ( 3 ) Generates self-holding forces that are used to determine the position of the rotor and to stabilize the position of the optical elements ( 7 ) by driving forces. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Aneinanderreihung weiterer Dreiergruppen von Spulen (4a, b, c) auf dem Hüllrohr (1) derart, dass der Verfahrweg des Läufers (11) verlängert ist, ohne dass dazu die axiale Länge des Läufers (11) geändert werden muss.Electromagnetic traveling field motor according to claim 13, characterized by a series of further groups of three coils ( 4a . b . c ) on the cladding tube ( 1 ) in such a way that the travel path of the rotor ( 11 ) is extended without the axial length of the rotor ( 11 ) must be changed. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer aus mehreren Segmenten von axial magnetisierten Permanentmagneten besteht, deren Polarität jeweils gegensinnig angeordnet ist.Electromagnetic traveling field motor according to claim 13 characterized in that the runner consists of several segments of axially magnetized permanent magnets, the polarity of each is arranged in opposite directions. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach Ansprüchen 13, 14 oder 15, gekennzeichnet durch wenigstens ein optisches Element, das an dem Läufer (11) befestigt ist.Electromagnetic traveling field motor according to claims 13, 14 or 15, characterized by at least one optical element which is attached to the rotor ( 11 ) is attached. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element innerhalb der Gleithülse (2) angeordnet ist.Electromagnetic traveling field motor according to claim 16, characterized in that the optical element within the sliding sleeve ( 2 ) is arranged. Elektromagnetischer Wanderfeldmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wanderfeldmotor ausgebildet ist, zwecks Sterilisation ohne Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit mehrere Stunden einer Temperatur von mindestens 133 °C ausgesetzt zu werden.Electromagnetic traveling field motor according to one of the Expectations 1 to 16, characterized in that the traveling field motor is formed for the purpose of sterilization without impairing the functionality exposed to a temperature of at least 133 ° C for several hours to become.
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