DE102005017498A1

DE102005017498A1 - Synchronlinearmotor mit berührungsloser Abtastung der Zahnstruktur des Sekundärteils

Info

Publication number: DE102005017498A1
Application number: DE102005017498A
Authority: DE
Inventors: Zeljko Dr. Jajtic; Markus Knorr; Johannes Wollenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-16
Also published as: US7679226B2; WO2006108855A1; DE102005017498B4; JP4942736B2; US20080164830A1; JP2008536468A

Abstract

Ein Synchronlinearmotor mit permanentmagnetlosem Sekundärteil soll mit einem einfachen Lagemesssystem ausgestattet werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Zahnstruktur des zahnstangenförmmigen, permanentmagnetlosen Sekundärteils (S) in Bewegungsrichtung (B) ortsabhängig ist. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Synchronlinearmotor mit einem absoluten und inkrementellen Lagemesssystem ausgestattet werden kann, so dass die grobe Auflösung des Absolutmesssystems durch die Feinauflösung des Inkrementalsystems ergänzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Synchronlinearmotor mit einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetlosen Sekundärteil, wobei das Sekundärteil in Bewegungsrichtung des Synchronlinearmotors eine vorgegebene Zahnstruktur besitzt.
Zum geregelten Betrieb eines Synchronlinearmotors ist ein Lagesignal zur Bestimmung des momentanen Kommutierungswinkels und/oder zur Positionsregelung erforderlich. Dieses Signal wird in der Regel durch ein externes, vom Aktivteil des Motors unabhängiges Lagemesssystem gewonnen. Andere bekannte Lösungen sehen vor, Permanentmagnete der Sekundärteilstrecke als Geber für das Lagesignal zu nutzen. Dabei werden häufig Hall-Sensoren zur Signalgewinnung eingesetzt.
Ein externes Lagemesssystem ist jedoch in der Regel aufwendig und bei Anwendungen mit starker Verschmutzung oder ähnlichen Störungen durch den Arbeitsprozess der Maschine nicht oder nur mit großem technischen Aufwand und hohen Kosten realisierbar. Darüber hinaus hat ein Messsystem mit Hall-Sensoren zur Erfassung von Permanentmagneten des Sekundärteils für die Lagesignalgewinnung eine relativ große Ungenauigkeit und ist so für eine Positionsregelung nur selten geeignet. Der Grund hierfür liegt in den mechanischen und magnetischen Toleranzen des Sekundärteils als Geber. Speziell verursachen die Toleranzen in den Magnetabmessungen und magnetischen Eigenschaften der einzelnen Magnete Sinus- bzw. Kosinus-Amplitudenfehler. Des Weiteren verursachen Positionierungsfehler der einzelnen Magnete auf der Sekundärteilstrecke Teilungsfehler des Messsystems.
Für das vorliegende Dokument sei betont, dass es sich bei einer Bewegung des Synchronlinearmotors grundsätzlich um eine Relativbewegung jeglicher Art zwischen Primär- und Sekundär teil des Motors handelt, auch wenn z. B. nur eine Bewegung des Primärteils über dem Sekundärteil beschrieben ist. Ähnliches gilt für Positionen des Primärteils gegenüber dem Sekundärteil.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Synchronlinearmotor vorzuschlagen, dessen Lage einfacher und besser zu ermitteln ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Synchronlinearmotor mit einem Primärteil und einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetlosen Sekundärteil, wobei das Sekundärteil in Bewegungsrichtung des Synchronlinearmotors eine vorgegebene Zahnstruktur besitzt, und eine Lageerfassungseinrichtung an dem Primärteil direkt oder indirekt angeordnet ist, um die Zahnstruktur zur Gewinnung eines Lagesignals, insbesondere eines inkrementellen Lagesignals berührungslos abzutasten. Dabei kann die Zahnstruktur zumindest in Bewegungsrichtung ortsabhängig veränderlich sein. Damit kann ein Synchronlinearmotor mit einem integrierten Lagemesssystem zur Positionsregelung und/oder zur Bestimmung der Pollage bzw. des Kommutierungswinkels beim Umrichterbetrieb des Synchronmotors bereitgestellt werden. Dies erfordert jedoch eine sehr exakte Fertigung des Sekundärteils, denn für den primären Zweck des Linearmotors als Krafterzeuger ist es von vornherein nicht notwendig, das Sekundärteil mit solch feinen Toleranzen herzustellen, dass auch eine genaue Maßverkörperung entsteht.

Vorzugsweise ist die Zahnstruktur durch Nuten zwischen den Zähnen definiert, und die Nuten sind in Bewegungsrichtung verschieden tief ausgebildet. Mit einem Magnetflusssensor lässt sich dann die Nuttiefe bestimmen. Aus ihr kann die entsprechende Lageinformation gewonnen werden.

Alternativ oder zusätzlich können die Zähne des Sekundärteils in Bewegungsrichtung unterschiedliche Form besitzen. Auch dies lässt sich durch einen Flussmesser feststellen, so dass auch die Zahnform Lageinformationen liefern kann.

Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Zahnstruktur quer zur Bewegungsrichtung des Synchronlinearmotors ortsabhängig. Dabei liefern mehrere Spuren in Bewegungsrichtung des Synchronlinearmotors jeweils über ihre Zahnstruktur (Nuttiefe, Zahnform, etc.) Lageinformationen, so dass auch über längere Strecken durch Kombination dieser Lageinformationen die Lage des Synchronlinearmotors verhältnismäßig genau ermittelt werden kann.

Günstigerweise entspricht die Zahnstruktur einer lageabhängigen Kodierung. Dabei kann durch die Kodierung eine absolute Lage auf dem Sekundärteil definiert sein. Bei der Kodierung kann es sich um eine binäre oder höherwertige Kodierung handeln. Insbesondere kann die Kodierung auch mehrstellig sein.

Bei längeren Verfahrwegen des Linearmotors kann es günstig sein, das Sekundärteil in mehrere Abschnitte zu unterteilen, die nummeriert sind, wobei an dem Primärteil des Linearmotors oder dessen Umgebungskonstruktion ein Sensor zur Erfassung der Nummerierung der Abschnitte angebracht ist, so dass die Lage des Primärteils des Linearmotors aus der Nummerierung und einer von der Zahnstruktur gewonnenen Lageinformation ermittelt werden kann. Auf diese Weise lassen sich absolute Lageinformationen aus groben Absolutinformationen und feinen Inkrementalinformationen ermitteln.

Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Synchronlinearmotor mit einem Primärteil und einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetlosen Sekundärteil, entlang dem das Primärteil bewegbar ist, sowie einem Lagemesssystem einschließlich einer Maßeinrichtung, die an dem Sekundärteil angebracht oder in das Sekundärteil integriert ist, zur Bereitstellung einer Absolutlageinformation, und einer Lagesensoreinrichtung zur Erfassung der Absolutlageinformation und einer Inkrementalinformation durch Abtasten der Zähne des Se kundärteils und gegebenenfalls der Maßeinrichtung, so dass durch das Lagemesssystem eine absolute Lage des Primärteils anhand der Absolutlageinformation und der Inkrementalinformation ermittelbar ist.

Erfindungsgemäß kann somit ein grobauflösendes Absolutgebersystem mit einem feinauflösenden Inkrementalsystem kombiniert werden. Dabei ist es günstig, wenn die Absolutlageinformation direkt in der Zahnstruktur des Sekundärteils enthalten ist.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine prinzipielle Seitenansicht eines Synchronlinearmotors mit Lagesensor und
2 eine dreidimensionale Ansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Sekundärteils eines Synchronlinearmotors.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Ein Synchronlinearmotor besitzt im Prinzip den in 1 dargestellten Aufbau. Ein Primärteil P bewegt sich linear relativ gegenüber ein zahnstangenförmiges Sekundärteil S. Die Bewegungsrichtung B des Linearmotors ist in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet. Die Permanentmagnete sind in dem Primärteil P untergebracht, so dass das Sekundärteil S permanentmagnetfrei ist. An dem Primärteil P oder dessen Umgebungskonstruktion ist ein Lagesensor L befestigt. Dieser greift das Sekundärteil S mechanisch, optisch oder magnetisch ab. Als günstig erweist sich hier ein Zahnradsensor, der in die Zähne des Sekundärteils S eingreift, wobei die Drehposition des Zahnrads entsprechend erfasst wird. Hierzu kann das Sekundärteil mit dem Zahnrad in üblicher Weise mechanisch oder magnetisch „verzahnt" sein. In letzterem Fall sind Magnete an dem Zahnrad angeordnet, von denen jeweils einer einem Zahn des Sekundärteils berührungslos gegenüber steht. Dies bedeutet, dass das Sekundärteil zwei Funktionen besitzt. Zum einen dient es für den primären Zweck als Motorteil zur Krafterzeugung und zum anderen dient es als Maßverkörperung zur Gewinnung eines Lagesignals.
In den permanentmagneterregten Synchronmotor mit permanentmagnetfreiem Sekundärteil ist somit das Lagemesssystem direkt integriert, indem die Zahnstruktur des Sekundärteils als Maßverkörperung ausgenutzt wird. Zur Signalgewinnung können verschiedene Sensoren eingesetzt werden, wie dies oben bereits angedeutet wurde und bekannte Techniken der Auflösungssteigerung (z.B. Interpolationsmethoden) herangezogen werden.
Da sekundärseitig keine Magnete eingesetzt sind, treten keine Fehlerursachen durch mechanische und magnetische Toleranzen auf. Die Genauigkeit lässt sich auch dadurch steigern, dass gestanzte Sekundärteilbleche eingesetzt werden. Dabei werden kürzere Sekundärteilstrecken aus einteiligen, gestanzten Sekundärteilblechen aufgebaut, so dass die Länge des Blechstreifens gleich der Läge des gesamten Sekundärteils ist. Die Längengenauigkeit ist dann alleine durch die hohe Stanzgenauigkeit gegeben.
Längere Sekundärteile werden in ihrer Länge segmentiert aus mehreren Teilblechpaketen aufgebaut. Zur Einhaltung der erforderlichen Teilungsgenauigkeit der Maßverkörperung sind an Stoßstellen zwischen Teilblechpaketen mehrere Justage-Varianten möglich. So kann beispielsweise eine Justage durch entsprechende Ausstanzungen in den Sekundärteilblechen und/oder durch Passstifte erzielt werden.
Die Zahnung des Sekundärteils kann als Inkrementalgeber zur Lagebestimmung genutzt werden. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, das Sekundärteil auch als Absolutlagegeber zu gestalten, indem die Zahnstruktur für eine Formkodierung über die Sekundärteillänge herangezogen wird. Dabei ist eine Form kodierung durch unterschiedliche und vom Sensor detektierbare Nuttiefen oder Zahnformen möglich.
Eine Formkodierung über längere Strecken hingegen ist beispielsweise dadurch möglich, dass die gesamte Streckenbreite zur Kodierung verwendet wird. Hierzu wird das Sekundärteil in seiner Breite mehrspurig ausgeführt, so dass eine mehrstellige Kodierung entsprechend der Anzahl der Spuren realisiert werden kann, wobei nicht alle Spuren zur Krafterzeugung und Lagemessung gleichzeitig dienen müssen. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 2 wiedergegeben. In diesem Beispiel besteht das Sekundärteil S aus drei parallelen Sekundärteilspuren SP1, SP2 und SP3.
Die Formkodierung erfolgt hier über die Nuttiefe. Die jeweilige Nuttiefe zwischen den Zähnen entspricht dem Codewert. In dem in 2 gewählten Beispiel setzt sich ein Codewort aus drei Codewerten entsprechend den Tiefenbereichen einer Nute N quer zur Verfahrrichtung des Synchronlinearmotors in allen drei Sekundärteilspuren SP1, SP2 und SP3 zusammen. Durch das jeweilige Codewort ist ein eindeutiger Ort auf dem Sekundärteil S festgelegt. Im vorliegenden Fall liegen drei unterschiedliche Nuttiefen h1, h2, h3 vor, die zu entsprechenden Nutinformationen führen. Diese lassen sich dann zu einem dreistelligen Codewort zusammensetzen.
Grundsätzlich ist auch denkbar, zwei, vier, fünf und mehr Sekundärteilspuren zu verwenden, so dass entsprechend höherstellige Codeworte entstehen. Auch kann anstelle eines binären Codes ein dreiwertiger, vierwertiger und höherwertiger Code eingesetzt werden, wobei die Nuttiefen entsprechend zu differenzieren sind. Ferner kann die Kodierung auch über andere Zahnformmaße, wie beispielsweise der Zahnbreite erfolgen.
Das Sekundärteil S wird durch einen mehrspurigen Lagesensor (in 2 nicht eingezeichnet) abgegriffen. Dabei ergeben sich die als Pfeile angedeuteten Lagesensorspuren LS. Damit ist ein mehrspuriger Lagegeber realisiert. Durch geeignete elektromagnetische Auslegung der Formkodierung wird die Kraftbildung des Motors nicht beeinträchtigt.
Die Formkodierung ermöglicht das Gewinnen einer Absolutlageinformation. Demgegenüber werden durch einen Inkrementalgeber lediglich die überfahrenen Zähne aufwärts und abwärts gezählt, so dass sich mit ihm nur relative Lageinformationen gewinnen lassen. Der Inkrementalgeber orientiert sich daher an der Absolutlageinformation. Zur Lagesignalgewinnung kann also die Grobauflösung auch durch die Formkodierung erzielt werden, und die Feinauflösung durch Inkrementalmessung. Dies bedeutet, dass die Vorteile der inkrementellen Lösung auch bei der applikationsspezifischen Notwendigkeit einer absoluten Lageerfassung genutzt werden können.
Alternativ lässt sich das Sekundärteil als Inkrementalgeber mit einem an das Blechpaket des Sekundärteils befestigten Absolutgeberstreifen zur eindeutigen Bestimmung der absoluten Lage einer Inkrementalgeberperiode versehen. Beispielsweise können durch gestanzte Bleche geeignete Aussparungen zur Befestigung (z. B. Einklipsen) der sogenannten Endlosbänder eines groben Absolutmesssystem ohne großen Aufwand realisiert werden. Durch die hohe Präzision der gestanzten Sekundärteile ist ohne großen zusätzlichen Aufwand über Passlöcher im gestanzten Blech eine Justage des Absolutcode-Bandes zu der Sekundärteil-Inkrementalspur mit Passstiften möglich.
Als grob auflösendes Absolutmesssystem ist auch ein System denkbar, bei dem eine Nummerierung der Sekundärteilsegmente durch einen Sensor detektiert wird. Die Feinauflösung erfolgt durch einen Zahnsensor einschließlich einer geeigneten Formkodierung innerhalb eines Sekundärteilssegments. Dabei kann die Nummerierung des Sekundärteilsegments absolut (z.B. dauerhaft geschriebene Seriennummer des Sekundärteilsegments) oder relativ (z.B. durch Lese-/Schreibkopf des Sensors während einer Referenzfahrt im Rahmen der Inbetriebnahme einge schriebene Nummerierung der einzelnen Sekundärteilsegmente) sein.
Eine Möglichkeit für die Lagesignalgewinnung ist beispielsweise auch die Ausnutzung der Positionsabhängigkeit der Motorinduktivitäten basierend auf der gezahnten, permanentmagnetfreien Sekundärteilstruktur des Synchronlinearmotors. Auf diese Weise kann die Lage des Motors nicht nur inkremental erfasst werden, um zu erkennen, in welcher Pollage sich der Motor befindet.
Dies bedeutet, dass ein Absolutgebersystem zur Grobauflösung mit einem Inkrementalsystem zur Feinauflösung kombiniert werden kann. Das Formkodiersystem kann sowohl als Absolutgeber- als auch als Inkrementalsystem verwendet werden.
Erfindungsgemäß kann somit eine gegenüber herkömmlichen Lösungen robuste und genaue, hochauflösende Lagemessung mit absoluter Kommutierungsinformation innerhalb einer inkrementellen Signalperiode durch einen Synchronlinearmotor mit zusätzlicher Abtasteinheit realisiert werden, ohne dass eine zusätzliche Maßverkörperung für die Abtasteinheit parallel zum Motor installiert werden muss.

Claims

Synchronlinearmotor mit – einem Primärteil (P) und – einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetlosen Sekundärteil (S), wobei das Sekundärteil (S) in Bewegungsrichtung des Synchronlinearmotors eine vorgegebene Zahnstruktur besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Lageerfassungseinrichtung (L) an dem Primärteil (P) direkt oder indirekt angeordnet ist, um die Zahnstruktur zur Gewinnung eines Lagesignals berührungslos abzutasten.
Synchronlinearmotor nach Anspruch 1, wobei das Lagesignal ein inkrementelles Lagesignal ist.
Synchronlinearmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zahnstruktur zumindest in Bewegungsrichtung (B) ortsabhängig veränderlich ist.
Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnstruktur durch Nuten (N) zwischen den Zähnen definiert ist, und die Nuten (N) in Bewegungsrichtung (B) verschieden tief (h1, h2, h3) ausgebildet sind.
Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zähne des Sekundärteils (S) in Bewegungsrichtung (B) unterschiedliche Form besitzen.
Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnstruktur quer zur Bewegungsrichtung (B) des Synchronlinearmotors ortsabhängig ist.
Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnstruktur quer zur Bewegungsrichtung (B) des Synchronlinearmotors durch mehrere in Bewegungsrichtung (B) verlaufende Spuren (SP1, SP2, SP3) charakterisiert ist.
Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnstruktur einer lageabhängigen Kodierung entspricht.
Synchronlinearmotor nach Anspruch 8, wobei durch die Kodierung eine absolute Lage auf dem Sekundärteil (S) definiert ist.
Synchronlinearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sekundärteil (S) in mehrere Abschnitte unterteilt ist, die nummeriert sind, und wobei an dem Primärteil (P) des Synchronlinearmotors ein Sensor (L) zur Erfassung der Nummerierung der Abschnitte angebracht ist, so dass die Lage des Primärteils des Synchronlinearmotors aus der Nummerierung und einer von der Zahnstruktur gewonnen Lageinformation ermittelbar ist.
Synchronlinearmotor mit – einem Primärteil (P) und – einem zahnstangenförmigen, permanentmagnetlosen Sekundärteil (S), entlang dem das Primärteil (P) bewegbar ist, gekennzeichnet durch – ein Lagemesssystem einschließlich – einer Maßeinrichtung, die an dem Sekundärteil (S) angebracht oder in das Sekundärteil (S) integriert ist, zur Bereitstellung einer Absolutlageinformation und – einer Lagesensoreinrichtung zur Erfassung der Absolutlageinformation und einer Inkrementalinformation durch Abtasten der Zähne des Sekundärteils (S) und gegebenenfalls der Maßeinrichtung, so dass durch das Lagemesssystem eine absolute Lage des Primärteils (P) anhand der Absolutlageinformation und der Inkrementalinformation ermittelbar ist.
Synchronlinearmotor nach Anspruch 11, wobei die Absolutlageinformation in der Zahnstruktur des Sekundärteils enthalten ist.