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Dokumentenidentifikation DE102005013349A1 05.10.2006
Titel Linearmotor und Verfahren zum Betrieb eines Linearmotors
Anmelder Bosch Rexroth Aktiengesellschaft, 70184 Stuttgart, DE
Erfinder Schüren, Volker, 97828 Marktheidenfeld, DE
DE-Anmeldedatum 23.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005013349
Offenlegungstag 05.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.10.2006
IPC-Hauptklasse H02K 41/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02P 25/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B60L 13/03(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Linearmotor mit einem als Langstator ausgebildeten Primärteil (100) und wenigstens einem bezüglich des Primärteils bewegbaren Sekundärteil (200) vorgestellt, wobei das wenigstens eine Sekundärteil (200) Mittel zur Steuerung der Erzeugung eines seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil (100) aufweist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Motors. Es ist möglich, aufwendige Steuereinrichtungen für die Bestromung des Stators zu vermeiden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit einem als Langstator ausgebildeten Primärteil und wenigstens einem Sekundärteil sowie ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Linearmotors.

Linearmotoren, die nach dem Synchronprinzip arbeiten, weisen ein als Langstator ausgebildetes Primärteil auf, auf dem ein Sekundärteil frei bewegbar angeordnet ist. Zur Fortbewegung des Sekundärteils wird ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, das das mit Magneten ausgebildete Sekundärteil durch magnetische Wechselwirkung mitbewegt.

Die Erzeugung des Wanderfeldes in den Statorwicklungen erfolgt durch Einspeisung eines Drehstroms variabler Frequenz, die die Bewegungsgeschwindigkeit bestimmt.

Der Langstator ist in einzelne Segmente unterteilt, die jeweils zusammenhängende Wicklungen aufweisen. An den Verbindungsstellen der Segmente sind Bestromungseinrichtungen angeordnet, die jeweils die angeschlossenen Segmente mit dem Strom beaufschlagen, der zur Bewegung notwendig ist.

Diese Aufbauform erfordert eine aufwendige Gestaltung und Steuerung der einzelnen Bestromungseinrichtungen.

Beispielsweise wird in der DE 39 00 511 A1 ein Linearmotor mit einem Primärteil mit in Reihe angeordneten Statorpolen und einem längs des Primärteils beweglichen Sekundärteil offenbart.

Die Spulen des Langstators werden durch Stromrichter mit Strom beaufschlagt, dessen Frequenz und Amplitude von einer elektronischen Steuerung unter Berücksichtigung des Aufenthaltortes des Sekundärteils steuerbar ist, um das Sekundärteil auf dem Primärteil zu bewegen. Zur Fortbewegung werden Segmente des Primärteils von der externen Steuereinrichtung bestromt, wobei sich alle Sekundärteile, die sich zu diesem Zeitpunkt auf einem Segment des Primärteils befinden, gleichförmig fortbewegen.

In der DE 199 22 441 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Magnetfahrzeugs mit einem synchronen Langstator-Linearmotor beschrieben. Es wird eine aufwendige Steuerung offenbart, die die Bestromung der einzelnen Wicklungsabschnitte und damit die Fortbewegung der Sekundärteile steuert. Sekundärteile, die sich auf einem gleichartig gesteuerten Bereich befinden, der sich auch aus mehreren Wicklungsabschnitten bzw. Segmenten zusammensetzen kann, werden wiederum gleichförmig fortbewegt.

Insbesondere wenn sich mehrere Sekundärteile unabhängig voneinander auf einem Langstator, der auch ein ausgedehntes Schienensystem sein kann, bewegen sollen, ist die geeignete Bestromung der Spulen bzw. Wicklungen des Stators mit großem Aufwand verbunden. Gegenläufige Fortbewegung von Sekundärteilen ist innerhalb eines Statorsegments im dargestellten Stand der Technik nicht möglich.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine einfache Steuerung für die Strombeaufschlagung der Statorwicklungen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Linearmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Ein erfindungsgemäßer Linearmotor, der insbesondere nach dem Synchronprinzip arbeiten kann, weist ein als Langstator ausgebildetes Primärteil und wenigstens ein bezüglich des Primärteils bewegbares Sekundärteil auf, das Mittel zur Steuerung der Erzeugung eines seine (Fort-)Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil aufweist. Dadurch ist es möglich, aufwendige, dem Langstator zugeordnete Steuereinrichtungen für die Bestromung der Statorwicklungen zu vermeiden. Zur Fortbewegung des Sekundärteils ist ein räumlich verteiltes magnetisches Wechselfeld erforderlich, das sich entlang des Stators bewegt, das sog. Wanderfeld oder Antriebsfeld.

Vorteilhafterweise ist ein erfindungsgemäßer Linearmotor mit einem eine Anzahl aneinandergereihter Einzelspulen aufweisenden Primärteil ausgestattet, wobei die Einzelspulen unabhängig voneinander mit Strom zur Erzeugung eines Magnetfeldes beaufschlagbar sind, wobei das die Bewegung des wenigstens einen Sekundärteils verursachende Magnetfeld im Primärteil mittels Strombeaufschlagung der Einzelspulen erzeugt wird. Diese vorteilhafte Ausgestaltung erlaubt die Bestromung nur der Einzelspulen, die sich in unmittelbarer Nähe bzw. im Einflussbereich des wenigstens einen Sekundärteils befinden, und damit eine unabhängige Bewegung der Sekundärteile.

Es ist bevorzugt, wenn das wenigstens eine Sekundärteil eines erfindungsgemäßen Linearmotors die Erzeugung des seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil mittels eines entlang der Fortbewegungsrichtung verteilten Steuerfeldes steuert. Das Steuerfeld entspricht einem Sollwertfeld und kann entweder von einer Steuervorrichtung bestimmt werden, die sich auf dem Sekundärteil befindet, oder dem Sekundärteil von außen zugeführt werden. Es bildet vorzugsweise das zur Fortbewegung notwendige Antriebsfeld räumlich ab und ist deshalb ein Wechselfeld, insbesondere ein sinusförmiges Wechselfeld.

Ebenso bevorzugt ist es, wenn das von dem wenigstens einen Sekundärteil des erfindungsgemäßen Linearmotors bereitgestellte Steuerfeld einer Einzelspule zugeordnet lokal gemessen wird und der Messwert als Stromsollwert für diese Einzelspule verwendet wird. Im Falle eines magnetischen Steuerfeldes bietet es sich an, den Einzelspulen Magnetfeldsensoren zuzuordnen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors stellt das wenigstens eine Sekundärteil ein Magnetfeld als Steuerfeld bereit. Dieses bereitgestellte Magnetfeld kann auf einfache Weise durch entlang des Primärteils angeordnete Magnetfeldsensoren, z.B. Hall-Sensoren, detektiert werden. Die Stärke des detektierten Magnetfeldes wird als Stromsollwert zur Beaufschlagung der Einzelspule verwendet.

Dieses magnetische Steuerfeld kann vorteilhaft durch am Sekundärteil angeordnete Sendespulen erzeugt werden. Durch entsprechende Gestaltung und geeignete Anordnung der Sendespulen wird die Form (bspw. Sinusform) des Steuerfeldes bestimmt. Die Vorschubkraft hängt von der Stärke des Antriebsfeldes ab, die durch die Amplitude des Steuerfeldes bestimmt wird. Die Signalverarbeitung auf dem Sekundärteil muss in dieser vorteilhaften Ausgestaltung nur einen eindimensionalen Sollstromwert bereitstellen und diesen als Erregerstrom in die Sendespulen einprägen. Im Ergebnis erhält man ein von den Einzelspulen des Stators erzeugtes Antriebsfeld im Einflussbereich des Sekundärteils.

Ebenso bevorzugt ist es, wenn das wenigstens eine Sekundärteil eines erfindungsgemäßen Linearmotors ein elektrisches Feld als Steuerfeld bereitstellt. Ein elektrisches Feld kann vorteilhafterweise verwendet werden, um eine Beeinflussung der Detektion durch das magnetische Antriebsfeld auf einfache Weise zu vermeiden.

Bevorzugterweise wird in einem erfindungsgemäßen Linearmotor die Erzeugung des die Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil mittels elektromagnetischer Wellen, die insbesondere moduliert sind, gesteuert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird die Wellenlänge und/oder die Polarisation der elektromagnetischen Wellen zur Steuerung verwendet. Dabei kann das Vorzeichen des Sollstromes insbesondere durch verschiedene Wellenlängen oder Polarisationsrichtungen dargestellt werden.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Linearmotors mit einem als Langstator ausgebildeten Primärteil und wenigstens einem bezüglich des Primärteils bewegbaren Sekundärteil vorgeschlagen, wobei die Erzeugung eines seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil von dem wenigstens einen Sekundärteil gesteuert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt ein erfindungsgemäßer Linearmotor verwendet. Zur Steuerung sind insbesondere die Möglichkeiten vorteilhafterweise zu verwenden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Linearmotor offenbart sind.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Figurenbeschreibung

Im Folgenden sollen die Erfindung und insbesondere deren Vorteile anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigt

1 eine schematische Ansicht von oben einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Linearmotors;

2 eine schematische Seitenansicht im Querschnitt entlang der Mittelachse aus 1; und

3 eine schematische Seitenansicht des Linearmotors aus 1.

Ausführliche Figurenbeschreibung

Die in 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors weist ein Primärteil 100 und ein Sekundärteil 200 auf. Das Primärteil 100 weist zwei im wesentlichen gleich ausgebildete Antriebsschienen 101 und 102 auf. Auf der Mittelachse des Primärteils sind Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw. angeordnet. Es versteht sich, dass die konkret dargestellte Anordnung nur als Beispiel zu sehen ist.

Die Antriebsschiene 101 weist Einzelspulen 110a, 110b usw., die Antriebsschiene 102 weist Einzelspulen 111a, 111b usw. auf. In der bevorzugten Ausführungsform sind die sich gegenüberliegenden Einzelspulen, 110a und 111a, 110b und 111b, usw., mittig bzgl. der Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw. ausgerichtet, wobei daneben auch andere Anordnungen gewählt werden können. Es versteht sich, dass die Antriebsschienen je nach Länge eine Vielzahl Einzelspulen und Magnetfeldsensoren über die gezeigte Anzahl hinaus aufweisen können.

Jeder einzelne Magnetfeldsensor 120a, 120b usw. ist für die Steuerung der Strombeaufschlagung jeweils eines Einzelspulenpaars 110a und 111a, 110b und 111b usw. zuständig. Beispielsweise steuert der Magnetfeldsensor 120a die Strombeaufschlagung der Einzelspulen 110a und 111a, usw. Zur Strombeaufschlagung sind noch weitere Mittel, wie z.B. Verstärkerschaltungen, Stromquellen usw., vorgesehen, die aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Einzelnen gezeigt sind.

Das Sekundärteil 200 weist den Antriebsschienen 101 und 102 zugeordnete Fahrschienen 201 und 202 auf. Daneben weist das Sekundärteil Steuerungsspulen 220a bis 220d auf, die über ein erzeugtes Steuerfeld mit den Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw. in Wirkverbindung treten.

Die Fahrschienen 201 und 202 weisen einzelne permanent magnetische Abschnitte 210a bis 210e und 211a bis 211e auf. Das Sekundärteil 200 ist auf dem Primärteil 100 entlang der Antriebsschienen 101 und 102 frei bewegbar. Die magnetische Wirkverbindung der Antriebsschienen 101, 102 mit den Fahrschienen 201, 202 stellt die Vorschubfunktionalität des Linearmotors bereit. Die Lagerung und Führung des Sekundärteils 200 auf dem Primärteil 100 ist nicht näher dargestellt. Sie kann beispielsweise durch weitere magnetische Schienen oder Rollen bewerkstelligt werden.

2 zeigt eine Querschnittsansicht des oben beschriebenen Linearmotors entlang dessen Mittelachse. Das Primärteil 100 ist unter dem Sekundärteil 200 angeordnet.

Auf dem Primärteil 100 sind in regelmäßigen Abständen die Magnetfeldsensoren 120a bis 120i angeordnet. An dem Primärteil 200 sind in regelmäßigen Abschnitten die Steuerspulen 220a bis 220d angeordnet. Die regelmäßige Beabstandung der Steuerspulen entspricht in dieser Ausführungsform nicht der regelmäßigen Beabstandung der Magnetfeldsensoren.

Es ist von Vorteil, wenn die Unterteilungen der permanent magnetischen Abschnitte 210a bis 210e und 211a bis 211e (1 und 3) entlang der Mittelpunkte der Steuerspulen 220a bis 220d ausgerichtet sind.

Das Sekundärteil 200 weist eine Steuereinrichtung 230 auf, die über eine Verbindung 240, insbesondere ein Kabel, mit den Steuerspulen 220a bis 220d verbunden ist und die Steuerspulen mit Strom beaufschlagen kann.

In der dargestellten Abbildung werden die Steuerspulen mit Strom beaufschlagt, dessen Richtung sowohl durch den Pfeil im Steuergerät 230 als auch durch den Pfeil auf der Verbindung 240 angedeutet ist. In dieser Stromrichtung bilden die Steuerspulen 220a und 220c einen magnetischen Nordpol an ihrer Unterseite, die Steuerspulen 220b und 220d einen magnetischen Südpol an ihrer Unterseite.

Zwischen den Steuerspulen 220a bis 220e entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das als Steuerfeld 250 bezeichnet ist. Die räumliche Verteilung des Steuerfeldes 250 wird durch die Geometrie und die Anordnung der Steuerspulen 220a bis 220d vorgegeben. Die Amplitude des magnetischen Steuerfeldes 250 wird durch die Amplitude des Stroms, mit dem die Steuerspulen beaufschlagt sind, vorgegeben. Das Steuergerät regelt die Amplitude des Stroms durch die Steuerspulen.

Das Steuerfeld 250, das in der Abbildung durch die Feldlinien dargestellt ist, tritt mit den Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw. in Wirkverbindung. Die Intensität des in den Magnetfeldsensoren erfassten Magnetfeldes ist vom Abstand der Magnetfeldsensoren von den Steuerspulen 220a bis 220d abhängig.

In diesem Beispiel werden die Magnetfeldsensoren 120c und 120f von starken magnetischen Feldern im wesentlichen senkrecht von oben nach unten durchsetzt, wohingegen die Magnetfeldsensoren 120d, 120e, 120g und 120h von schwächeren magnetischen Feldern schräg von unten nach oben durchsetzt werden. Die jeweilig erfasste Magnetfeldstärke in senkrechter Richtung (bzw. die senkrechte Komponente des Feldes)wird zur Steuerung der Strombeaufschlagung der zugeordneten Einzelspulen 110a, 110b usw. sowie 111a, 111b usw. verwendet. Durch die sinusförmige Ausgestaltung des Steuerfeldes wird eine entsprechende sinusförmige Ausgestaltung des Antriebsfeldes erreicht.

3 zeigt eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform. Die Fahrschiene 201 des Sekundärteils 200 liegt benachbart zu der Antriebsschiene 101 des Primärteils 100.

Die Antriebsschiene 101 weist die Einzelspulen 110a bis 110h auf, deren jeweilige Strombeaufschlagung durch die Magnetfeldsensoren 120a bis 120h (in 3 nicht gezeigt) gesteuert wird. Die Fahrschiene 201 besteht aus den permanent magnetischen Abschnitten 210a bis 210e.

Es ist vorteilhaft, wenn die Abschnitte 210a, 210c und 210e eine identische magnetische Polarität aufweisen, die der Polarität der Abschnitte 210b und 210e entgegengesetzt ist. In dem dargestellten Beispiel weisen die Abschnitte 210a, 210c, 210e einen magnetischen Nordpol auf, wohingegen die Abschnitte 210b und 210d einen magnetischen Südpol aufweisen. Das magnetischen Feld, das von den Abschnitten 210a bis 210e ausgeht, wird hier als Permanentfeld bezeichnet.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors wird die Strombeaufschlagung der Einzelspulen 110a bis 110h von den Magnetfeldsensoren 120a bis 120h gemäß der in 2 dargestellten und beschriebenen Weise gesteuert. Demnach werden die Einzelspulen 110a bis 110h derart mit Strom beaufschlagt, dass die Spulen 110c, 110f ein magnetisches Nordpolfeld und die Spulen 110b, 110d, 110e, 110h ein magnetisches Südpolfeld unterschiedlicher Stärke ausbilden und in der Gesamtheit ein im wesentliches sinusförmiges magnetisches Antriebsfeld bzw. Wanderfeld entsteht.

Die Wirkverbindung des magnetischen Antriebsfeldes mit dem Permanentfeld versetzt das Sekundärteil 200 gegenüber dem Primärteil 110 in die durch den Pfeil A angedeutete Bewegung. Das Steuerfeld wird mit dem Sekundärteil mitbewegt. Die Bewegung des Steuerfeldes führt zu einer Fortbewegung des Antriebsfeldes ebenfalls entlang der Richtung A, wodurch wiederum das Sekundärteil weiterbewegt wird.

Die Vorschubkraft (Beschleunigung) des Sekundärteils ist von der Stärke des Antriebsfeldes abhängig, welche von der Stärke des Stromes, mit dem die Einzelspulen 110a bis 110hbeaufschlagt werden, vorgegeben wird. Diese Stromstärke ist wie erläutert durch die Stärke des Steuerfeldes vorgegeben, das vom Strom abhängig ist, der von der Steuereinrichtung 230 an die Steuerspulen 220a bis 220d abgegeben wird. Eine Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit ist somit durch Änderung des Stromes, der vom Steuergerät 230 ausgegeben wird, auf einfache Weise bereitzustellen.

Eine Änderung der Bewegungsrichtung ist auf dieselbe Weise durch eine einfache Änderung der Stromrichtung durch die Steuerspulen 220a bis 220d bereitzustellen. Mit einer derartigen Änderung der Stromrichtung kehrt sich die Polarität des Steuerfeldes und damit die Polarität des Antriebsfeldes um. Da die Polarität des Permanentfeldes erhalten bleibt, kommt es zu einer Änderung der Bewegungsrichtung.

Es versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors dargestellt ist. Daneben ist jede andere Ausführungsform, insbesondere durch eine andere Anordnung der Antriebsschienen, Anordnung der Einzelspulen, Anordnung der Fahrschienen, Aufbau der Fahrschienen, Aufbau und Anordnung der Steuerungsspulen, Anordnung der Magnetfeldsensoren usw. denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]
Linearmotor mit einem als Langstator ausgebildeten Primärteil (100) und wenigstens einem bezüglich des Primärteils bewegbaren Sekundärteil (200), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sekundärteil (200) Mittel zur Steuerung der Erzeugung eines seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil (100) aufweist. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil (100) eine Anzahl aneinander gereihter Einzelspulen (110a bis 110h, 111a bis 111h) aufweist, die unabhängig voneinander mit Strom zur Erzeugung eines Magnetfeldes beaufschlagbar sind, und dass das die Bewegung des wenigstens einen Sekundärteils (200) verursachende Magnetfeld im Primärteil (100) mittels Strombeaufschlagung der Einzelspulen (110a bis 110h, 111a bis 111h) erzeugt wird. Linearmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sekundärteil (200) die Erzeugung des seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil (100) mittels eines entlang der Fortbewegungsrichtung verteilten Steuerfeldes (250) steuert. Linearmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem wenigstens einen Sekundärteil (200) bereitgestellte Steuerfeld (250) einer Einzelspule (110a bis 110h, 111a bis 111h) zugeordnet lokal gemessen wird und der Messwert als Stromsollwert für diese Einzelspule verwendet wird. Linearmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen Sekundärteil (200) ein Magnetfeld (250) als Steuerfeld (250) bereitgestellt wird. Linearmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen Sekundärteil (200) ein elektrisches Feld als Steuerfeld (250) bereitgestellt wird. Linearmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des die Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil (100) mittels, insbesondere modulierter, elektro-magnetischer Wellen gesteuert wird. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge und/oder die Polarisation der elektromagnetischen Wellen zur Steuerung verwendet werden. Verfahren zum Betreiben eines Linearmotors mit einem als Langstator ausgebildeten Primärteil (100) und wenigstens einem bezüglich des Primärteils bewegbaren Sekundärteil (200) dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung eines seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil (100) von dem wenigstens einen Sekundärteil (200) gesteuert wird. Verfahren nach Anspruch 9 gekennzeichnet durch einen Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8.






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