DE102016115116A1

DE102016115116A1 - Elektrischer Planardirektantrieb

Info

Publication number: DE102016115116A1
Application number: DE102016115116.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bödrich; Johannes Ziske; Robert Lehmann; Benny Rosul; Jens Lienig
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2017-10-19
Also published as: DE102016015758A1; DE102016115117B4; DE102016115117A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Planardirektantrieb, umfassend eine Statoranordnung (20), die Elemente (29) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses aufweist, und eine gegenüber der Statoranordnung (20) zumindest in eine x-Richtung und in eine y-Richtung kraftwirksame Läuferanordnung (30), die jeweils zu den Elementen (29) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses gehörige permanentmagnetische Bereiche (34) umfasst, wobei die x-Richtung und die y-Richtung eine Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs (10) aufspannen, wobei jeweils ein Element (29) zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses und ein zugehöriger permanentmagnetischer Bereich (34) einen Einzelantrieb (12) bildet. Der Planardirektantrieb (10) umfasst weiterhin eine planare Führungseinheit (40), die eine reibungsarme Bewegung zwischen der Statoranordnung (20) und der Läuferanordnung (30) ermöglicht und eine Bewegung in einer z-Richtung zusammenwirkend mit der magnetischen Haltekraft zwischen der Statoranordnung (20) und der Läuferanordnung (30) verhindert. Der Planardirektantrieb (10) umfasst weiterhin eine interne oder externe Ansteuereinheit, mit der der Magnetfluss in jedem einzelnen Element (29) zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses separat veränderbar ist, wobei als ein Element (29) zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses wenigstens eine Wicklung (26) mit einem weichmagnetischen Kern (22) mit mindestens zwei der Läuferanordnung (30) zugewandten statorseitigen Polflächen (28) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Planardirektantrieb. In Planardirektantrieben wirken die Kräfte mehrerer unabhängig ansteuerbarer Teilantriebe (mindestens zwei, zumeist drei oder vier) auf einen gemeinsamen Läufer, der durch geeignete Ansteuerung der Teilantriebe planar in mindestens zwei mechanischen Freiheitsgraden koordiniert bewegt werden kann.
Solche Planarantriebe mit Einzelantrieben, die eisenlose Wicklungen aufweisen, sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise beschrieben in der Druckschrift DE 195 11 973 A1 . Hier ist ein feldgeführter planarer Präzisionsantrieb vorgestellt, wie er insbesondere zur Positionierung und Bahnbewegung im Submikrometerbereich angewendet wird. Der Planarantrieb ist aufgebaut aus Antriebsgrundelementen, bestehend aus zwei entgegengesetzt polarisierten Magneten, die über ferromagnetische Joche und einen ferromagnetischen Stator einen kurzen Magnetkreis bilden und zugeordneten Flachspulen auf dem Stator, wobei Magnete und Joche im Läufer mitbewegt werden. Der Stator der Anordnung trägt symmetrisch gegenüberliegende Paare von Flachspulen, die entsprechend der Position des Läufers kommutiert werden. Eine gegenphasige Bestromung jeweils gegenüberliegender Spulen gestattet die Erzeugung eines Antriebsmomentes bezüglich des Massenschwerpunktes des Läufers. Der Antrieb ist mit einem hochauflösenden Messsystem ausgestattet.
Die Druckschrift DE 10 2007 037 886 B4 beschreibt einen feldgeführten planaren Präzisionsantrieb mit einem luftgelagerten Läufer, der als Planartisch ausgebildet ist, welcher Permanentmagnetkreise aufweist, weiterhin mit einer unterhalb des Läufers befindlichen Statorplatte, auf der Statorplatte jeweils gegenüberliegend vorgesehenen Antriebsspulenpaaren, in einem rechtwinkligen x-y-Koordinatensystem angeordnet, um je nach Bestromung der Antriebsspulenpaare Kraftwirkungen auf den Läufer mit den Permanentmagnetkreisen auszuüben. Die Statorplatte besitzt Linearführungen für jedes Antriebsspulenpaar, die jeweils in einem rechten Winkel zueinander stehen, um eine Bewegung der Antriebsspulenpaare entlang der jeweiligen x- oder y-Achse des Koordinatensystems zu erreichen. Bei einer Verstellung des Läufers in x-Richtung wird eine Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüberliegenden Antriebsspulenpaare erzeugt, welche der Verstellung des Läufers in y-Richtung dienen, sowie entsprechend bei einer Verstellung des Läufers in y-Richtung. Entlang der Außenränder der Unterseite des Planartisches sind die Permanentmagnetkreise angeordnet, wobei die Längsausdehnung der Antriebsspulenpaare nur unwesentlich größer als die Breite der Permanentmagnetkreise ist und die Linearführungen kreuzförmig symmetrisch auf dem Stator angeordnet sind, wobei jede Linearführung jeweils ein Antriebsspulenpaar aufnimmt. Nachteilig an der vorgeschlagenen Lösung ist, dass vier Einzelantriebe und vier Linearführungen erforderlich sind, was den planaren Präzisionsantrieb aufwändig macht.
Die Druckschrift DE 10 2010 014 663 B4 beschreibt eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Läuferelementes in einem Planarantrieb und dergleichen Bewegungssystem, umfassend einen kompakten Sensormesskopf mit auf einem Sensorträger angeordneten sieben Sensorelementen zum Erfassen von Bewegungen des Läuferelementes in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei Rotationsfreiheitsgraden sowie einem relativ zum Sensormesskopf bewegten, von den Sensorelementen abgetasteten, den Sensorelementen gegenüberliegend angeordneten inkrementalen Flächenmassstab, wobei ein erstes, ein zweites und ein drittes Sensorelement in Form eines ersten, eines zweiten und eines dritten Elementepaares ausgebildet ist, ein siebentes Sensorelement in Form eines Mehrfachelementes ausgebildet ist, wobei das Mehrfachelement gleichmäßig auf einem ersten Abtastkreis verteilt ist, die ersten Elementepaare und dritten Elementepaare gleichmäßig auf einem zweiten Abtastkreis in Form sich jeweils gegenüberliegender Einzelelemente angeordnet sind und der erste Abtastkreis und der zweite Abtastkreis einen gemeinsamen Abtastmittelpunkt aufweisen.
In der Druckschrift DE 10 2013 001 009 A1 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die zur magnetischen Führung von Körpern für große translatorische Bewegungen dient. Das Funktionsprinzip des elektromagnetischen Schwebens für große lineare und planare Bewegungen für Präzisionsanwendungen wird verbessert. Die vorgeschlagene Vorrichtung besteht aus einer Statoreinheit und einer Ankereinheit mit einem ersten und einem zweiten Permanentmagneten und einem zu einer x-y-Ebene parallel angeordneten ferromagnetischen Zwischenteil mit in z-Richtung ober- und unterhalb jeweils beidseitig ausgebildeten Polflächen. Der erste Permanentmagnet ist in z-Richtung oberhalb des ferromagnetischen Zwischenteils und der zweite Permanentmagnet in z-Richtung unterhalb des ferromagnetischen Zwischenteils angeordnet und die Permanentmagnete sind in z-Richtung entgegengesetzt polarisiert. Die Statoreinheit weist zwei zu einer x-y-Ebene parallele, flächig ausgebildete Stator-Teilstücke auf, die über mindestens eine einen Spulenkern aufweisende Führungsspule miteinander ferromagnetisch verbunden sind. Die die Ankereinheit ist zwischen den parallelen Stator-Teilstücken positioniert. Ein solcher Doppelstator ist aufwändig in Herstellung und Montage.
Die Druckschrift EP 2 812 655 B1 beschreibt einen Planarantrieb, umfassend einen Stator und einen gegenüber dem Stator in eine x-Richtung und in eine y-Richtung verfahrbaren Läufer. Die vier Einzelantriebe sind im Bereich der Ecken der Grundfläche angeordnet und gleichwirkende Einzelantriebe sind diagonal versetzt. Diese Anordnung führt zu einem auf den Läufer wirkenden Drehmoment, das stets mit zusätzlichem Aufwand kompensiert werden muss.
Elektrische Planarantriebe sind weiterhin bekannt aus der Veröffentlichung Gao, W. u. a.: A surface motor-driven planar motion drive stage integrated with an XYϕZ surface encoder for precison positioning. In: Precision Engineering 28, Nr. 3 (2003), S. 329–337. doi: 10.1016/j.precisioneng.2003.12.003.
Bei elektrischen Planardirektantrieben nach dem Stand der Technik weist jeder der o. g. Einzelantriebe zumeist mindestens einen Permanentmagneten im Läufer und eine eisenlose Wicklung (bei einphasigen Teilantrieben) oder ein eisenloses Wicklungssystem (bei mehrphasigen Teilantrieben) auf. Der Begriff eisenlose Wicklung bezeichnet hierbei Wicklungen, deren umwickelter innerer Bereich keinen weichmagnetischen Kern aufweist. In den Einzelantrieben elektrischer Planardirektantriebe bedingen eisenlose Wicklungen große Luftspalte, die zu vergleichsweise kleinen magnetischen Flussdichten in den Magnetkreisen der Teilantriebe und damit zu kleinen Antriebskräften der Teilantriebe führen.
Als Resultat ist die Gesamtkraft von Planardirektantrieben, die aus aus dem Stand der Technik bekannten Mitteln aufgebaut sind, klein und deren Dynamik begrenzt. Weiterhin sind die eisenlosen Wicklungen der Teilantriebe i. d. R. um den Verfahrbereich des Planardirektantriebs quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs breiter als die Breite der läuferseitigen Permanentmagnete und ihrer weichmagnetischen Rückschlüsse. Die daraus resultierenden langen Wicklungen führen zusammen mit den oben beschriebenen ineffizienten Magnetkreisen mit kleiner Flussdichte zu einem ungünstig kleinen Verhältnis von Antriebskraft des Planardirektantriebs zu der zu ihrer Erzeugung erforderlichen Verlustleistung. Weiterhin erfordert die effektive Abfuhr der Verlustwärme eisenloser Wicklungen zusätzlichen konstruktiven Aufwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Planardirektantrieb zu schaffen, der sich durch ein großes Verhältnis von Antriebskraft zu erforderlicher Verlustleistung, durch einen einfachen und dadurch kostengünstigen Aufbau, durch gute Dynamik, durch gute Verlustwärmeabfuhr von den Wicklungen an die Umgebung und durch hohe Kompaktheit auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen elektrischen Planardirektantrieb, umfassend eine Statoranordnung, die bevorzugt voneinander beabstandete Elemente zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses aufweist, und eine gegenüber der Statoranordnung zumindest in eine x-Richtung und in eine y-Richtung kraftwirksame Läuferanordnung, die jeweils zu den Elementen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses gehörige permanentmagnetische Bereiche umfasst, wobei die x-Richtung und die y-Richtung eine Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs aufspannen, wobei jeweils ein Element zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses und ein zugehöriger permanentmagnetischer Bereich einen Einzelantrieb bildet, wobei der Planardirektantrieb weiterhin eine planare Führungseinheit umfasst, die eine reibungsarme Bewegung zwischen der Statoranordnung und der Läuferanordnung ermöglicht und eine Bewegung in einer z-Richtung zusammenwirkend mit der magnetischen Haltekraft zwischen der Statoranordnung und der Läuferanordnung verhindert, und wobei der Planardirektantrieb weiterhin eine interne oder externe Ansteuereinheit umfasst, mit der der Magnetfluss in jedem einzelnen Element zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses separat veränderbar ist.
Entsprechend einem vorteilhaften Aufbaukonzept ist die Statoranordnung feststehend und die die Läuferanordnung mit kleinen bewegten Massen ausgeführt. Es ist jedoch auch die umgekehrte Zuordnung möglich, also feststehende Permanentmagnete und beweglich angeordnete eisenbehaftete Wicklungen. Auch eine Relativbewegung beider Hauptelemente des Planardirektantriebs, der Statoranordnung und der Läuferanordnung, zur Umgebung ist möglich. Als Statoranordnung wird ein erstes, eisenbehaftete Wicklungen umfassendes Hauptelement und als Läuferanordnung ein zweites, Permanentmagnete aufweisendes Hauptelement des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass die läuferseitigen Permanentmagnete unmittelbar statorseitigen Polflächen gegenüber angeordnet sind, sie sind nur durch einen zur Relativbewegung zwischen Läufer und Stator erforderlichen Luftspalt von den statorseitigen Polflächen getrennt. Möglich sind darüber hinaus aber auch Ausführungen eines erfindungsgemäßen Planardirektantriebs, bei denen die läuferseitigen Permanentmagnete mit weichmagnetischen Polschuhen versehen sind. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen von Permanentmagnetanordnungen gelten gleichermaßen auch für Planardirektantriebe, deren Permanentmagnete mit Polschuhen versehen sind.
Der elektrische Planardirektantrieb umfasst erfindungsgemäß mindestens ein Element zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses, insbesondere eine Wicklungsanordnung, bei der wenigstens eine Wicklung eisenbehaftet ist, d. h. einen weichmagnetischen Kern aufweist. Erfindungsgemäß weist dieser Kern mindestens zwei der Läuferanordnung zugewandte Polflächen auf.
Durch Einzelantriebe mit eisenbehafteten Wicklungen ergeben sich gegenüber einem Aufbau mit eisenlosen Wicklungen eine erheblich bessere Führung der magnetischen Flüsse und kleinere Luftspalte. Aus diesen beiden Vorteilen resultieren im Vergleich zu Einzelantrieben mit eisenlosen Wicklungen größere Flussdichten in den Magnetkreisen und Luftspalten der Einzelantriebe, die wiederum größere Antriebskräfte bei vergleichsweise kleinen Verlustleistungen in den Einzelantrieben ermöglichen. Die weichmagnetischen Kerne können massiv oder geblecht sein oder aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff bestehen. Durch die eisenbehaftete Ausführung der statorseitig angeordneten Wicklungen ist eine gute Abfuhr der in den Wicklungen entstehenden Verlustleistung an die Umgebung möglich.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die statorseitigen Polflächen quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs im Wesentlichen um einen Verfahrbereich q des Planarantriebs quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs eine größere Breite b_Pol aufweisen als die Breite b_PM des zugehörigen läuferseitigen permanentmagnetischen Bereichs, ausgeführt als Permanentmagnet, Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte (im Falle eines einteiligen, mehrpolig in alternierende Richtung magetisierten Permanentmagneten), in diese Querrichtung. Das heißt, an der Seite der Läuferanordnung weisen die Einzelantriebe jeweils einen Permanentmagneten oder mehrere, in Kraftrichtung des Einzelantriebs hintereinander liegende, in Normalenrichtung zur Bewegungsebene des Läufers alternierend gepolte Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte auf. Bevorzugt ist im Läufer an der von der Statoranordnung abgewandten Seite des zu jedem Einzelantrieb gehörenden permanentmagnetischen Bereichs mindestens ein weichmagnetischer Rückschluss angeordnet, mit dem der permanentmagnetische Bereich verbunden, beispielsweise verklebt ist. Bei einem solchen Aufbau ist die Kraft-Weg-Strom-Charakteristik des Einzelantriebs in seine Arbeits- oder Kraftrichtung nur unwesentlich von der Position seines läuferseitigen Hauptelements quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs abhängig. Die Bezeichnung „im Wesentlichen um einen Verfahrbereich q des Planarantriebs quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs“ ist eine Angabe, die durch den zuständigen Fachmann nach seinem Fachwissen und durch Versuche leicht zu einer geeigneten, erfindungsgemäßen und gemäß des vorgesehenen Einsatzfalls vorteilhaften Ausführung konkret ausgestaltet werden kann. Die Polflächen können beispielsweise auch geringfügig breiter sein als die Summe aus Permanentmagnetbreite b_PM und Verfahrbereich q des Planardirektantriebs quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs, um z. B. rücktreibende Reluktanzkräfte in den Randlagen des läuferseitigen Hauptelements quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs zu minimieren oder zu vermeiden.
Eine sehr einfache und kostengünstige Ausführungsform des Planardirektantriebs sieht zum Antrieb in x-Richtung und in y-Richtung jeweils nur einen Einzelantrieb und zudem jeweils ein Lager und / oder eine Führung in serieller Anordnung vor. Das Lager und / oder die Führung in serieller Anordnung sind jeweils so ausgeführt, dass ein Freiheitsgrad in der Kraftwirkungsebene zugelassen wird. Dadurch können bei entsprechender Gestaltung des Lagers bzw. der Führung mit nur zwei Einzelantrieben entweder Bewegungen in beide Richtungen in der Kraftwirkungsebene oder eine Bewegung in eine Richtung und eine Drehung erzeugt werden.
Eine alternative, besonders leistungsfähige Ausführungsform des Planardirektantriebs weist zum Antrieb in x-Richtung einen oder zwei und in y-Richtung einen oder zwei, insgesamt wenigstens drei (bevorzugt vier) Einzelantriebe auf, die auch neben der Längsbewegung in der Ebene eine Drehung der Läuferanordnung um die z-Achse ermöglichen. Dazu ist es erforderlich, dass die resultierende Kraftlinie jedes der Einzelantriebe nicht durch einen in die Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs projizierten Schwerpunkt der Läuferanordnung verläuft. Bei dieser Ausführungsform werden in x-Richtung und in y-Richtung kein Lager und keine Führung in serieller Anordnung, die jeweils einen Freiheitsgrad in der Kraftwirkungsebene zulassen, erforderlich. Der Aufbau kommt dadurch mit weniger mechanischen Komponenten aus und gewinnt an Funktionssicherheit bei verminderter Verschleißanfälligkeit. Weiterhin verbessert sich die Dynamik des Planardirektantriebs, da ein bei serieller Anordnung von jeweils einem Lager und / oder einer Führung unvermeidlicher, mit zu bewegender Führungsträger entfällt.
Die bevorzugte Ausführungsform sieht weiterhin vor, dass die Kraftwirkung jeweils eines Einzelantriebs längs zu einer Langseite der Statoranordnung ausgerichtet ist, wobei jeder der wenigstens drei Einzelantriebe symmetrisch im Wesentlichen im Bereich des Rands der Statoranordnung und zentrisch zwischen den Enden der jeweiligen Langseite, also in der Mitte der jeweiligen Langseite, angeordnet ist. Dies führt zu einem möglichst großen Abstand zwischen den Elementen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses, so dass keine unerwünschte magnetische Verkopplung zwischen den Einzelantrieben auftritt.
Als besonders vorteilhaft haben sich vier Einzelantriebe mit den zugehörigen Elementen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses in der Statoranordnung erwiesen, wobei die Statoranordnung so ausgeführt ist, dass die Kraftwirkung jeweils eines Einzelantriebs längs zu einer Langseite der Statoranordnung ausgerichtet ist.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Elemente zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflussesaller vier Einzelantriebe in der Mitte auf der Statoranordnung angeordnet und zu einem einzigen Joch verbunden sind, wobei einander gegenüberliegende Statorarme eine Kraft in die gleiche Richtung ermöglichen.
Eine vorteilhafte Läuferanordnung ist so ausgeführt, dass an der von der Statoranordnung abgewandten Seite des zum jeweiligen Einzelantrieb gehörenden permanentmagnetischen Bereichs mindestens ein weichmagnetischer Rückschluss angeordnet und mit dem permanentmagnetischen Bereich verbunden, beispielsweise verklebt ist. Dabei ist ein Mindestquerschnitt des Rückschlusses erforderlich. Der permanentmagnetische Bereich ist erfindungsgemäß bevorzugt ausgeführt als ein Permanentmagnet oder mehrere hintereinander liegende, in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs alternierend gepolte Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Rückschluss wenigstens eines Teilantriebs in der Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs in einem zur Vermeidung von Streufluss ausreichend großem Abstand von den statorseitigen Polflächen breiter ist als die Breite des permanentmagnetischen Bereichs in diese Richtung. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der permanentmagnetische Bereich zumindest teilweise in den weichmagnetischen Rückschluss eingelassen ist. So werden flache, kompakte Bauformen des Planardirektantriebs erreicht.
Umgekehrt sind von der Erfindung auch Antriebe umfasst, deren Permanentmagnete in der Läuferanordnung um den Verfahrbereich in Querrichtung des Einzelantriebs länger sind als der Statorpol.
Vor allem zur Gewichtsersparnis führt eine Ausführungsform, bei der die Läuferanordnung einen unmagnetischer Läufergrundkörper, z.B. aus einem Leichtmetall, und mindestens einen mit diesem verbundenen weichmagnetischen Rückschluss umfasst. Alternativ dazu ist der Läufergrundkörper insgesamt als weichmagnetischer Rückschluss für den jeweiligen Einzelantrieb ausgeführt, wodurch die Herstellung vereinfacht wird.
Es ist weiterhin möglich, dass der permanentmagnetische Bereich zumindest teilweise mit Polschuhen an der der Statoranordnung zugewandten Fläche versehen ist. Dadurch können sich positive Effekte bei der Führung des Magnetflusses ergeben.
Besonders kompakte und einfach aufgebaute Planardirektantriebe hoher Kraft ergeben sich, wenn die Einzelantriebe einphasig ausgeführt sind. Eine bevorzugte Bauform sind dabei Einzelantriebe, die statorseitig einen mit einer Wicklung versehenen U-förmigen weichmagnetischen Kern mit zwei Polflächen und läuferseitig einen Permanentmagneten oder drei in Kraftrichtung des Einzelantriebs hintereinander liegende, in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs alternierend gepolte Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte aufweisen. Derartige Einzelantriebe ermöglichen ausgesprochen kompakte Planardirektantriebe mit vergleichsweise kleinen äußeren Abmessungen. Bevorzugt ist im Läufer an der von der Statoranordnung abgewandten Seite des zu jedem Einzelantrieb gehörenden permanentmagnetischen Bereichs mindestens ein weichmagnetischer Rückschluss angeordnet, mit dem der permanentmagnetische Bereich verbunden, beispielsweise verklebt ist. Der oder die Permanentmagnete können auch zumindest teilweise in den Rückschluss eingelassen sein, um einen Magnetkreis mit kleinen Luftspalten und damit eine große Antriebskraft des Einzelantriebs zu gewährleisten. Einzelantriebe mit nur einem, in Kraftrichtung des Einzelantriebs in Mittelstellung des läuferseitigen Hauptelements mittig relativ zu den beiden statorseitigen Polflächen angeordneten Permanentmagneten geeigneter Länge in Kraftrichtung ermöglichen innerhalb des Verfahrbereichs des Einzelantriebs in dessen Kraftrichtung eine angenähert konstante, von der Position des läuferseitigen Hauptelements in Kraftrichtung relativ unabhängige Antriebskraft. Demgegenüber können Einzelantriebe mit statorseitigem U-förmigen Kern und drei alternierend gepolten Permanentmagneten im Läufer zwar eine höhere Kraft aufbringen, sie weisen aber im stromlosen Zustand aufgrund von Reluktanzkräften eine zentrierende, in Mittelstellung des läuferseitigen Hauptelements relativ zum Stator des Einzelantriebs gerichtete Kraft auf. Bei den vorstehend beschriebenen Einzelantrieben mit U-förmigem Kern sind bevorzugt beide Kernschenkel dieses Kerns mit je einer Teilwicklung versehen, die gemeinsam eine einphasige Wicklung bilden, z. B. durch Reihenschaltung beider Teilwicklungen.
Eine weitere bevorzugte Bauform für kompakte und einfach aufgebaute Planardirektantriebe hoher Kraft mit einphasigen Einzelantrieben sind Einzelantriebe, die statorseitig einen E-förmigen weichmagnetischen Kern mit drei Polflächen und einen mit einer Wicklung versehenen Mittelschenkel aufweisen und läuferseitig zwei oder vier in Kraftrichtung des Einzelantriebs hintereinander liegende, in Normalenrichtung zur Verfahrebene des Planarantriebs alternierend gepolte Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte aufweisen. Bevorzugt ist auch in deren Einzelantrieben an der von der Statoranordnung abgewandten Seite der Permanentmagnete im Läufer ein weichmagnetischer Rückschluss angeordnet, mit dem die Permanentmagnete verbunden, beispielsweise verklebt sind. Einzelantriebe mit zwei, in Kraftrichtung des Einzelantriebs in Mittelstellung des läuferseitigen Hauptelements mittig relativ zu den drei statorseitigen Polflächen angeordneten Permanentmagneten geeigneter Länge in Kraftrichtung ermöglichen innerhalb des Verfahrbereichs des Einzelantriebs in dessen Kraftrichtung eine besonders hohe Antriebskraft und eine besonders geringe Abhängigkeit der Antriebskraft von der Position des läuferseitigen Hauptelements in Kraftrichtung des Antriebs. Demgegenüber können Einzelantriebe mit statorseitigem E-förmigen Kern und vier alternierend gepolten Permanentmagneten im Läufer zwar eine höhere Kraft aufbringen, sie weisen aber im stromlosen Zustand aufgrund von Reluktanzkräften eine zentrierende, in Mittelstellung des läuferseitigen Hauptelements relativ zum Stator des Einzelantriebs gerichtete Kraft auf.
Neben den oben beschriebenen Planardirektantrieben mit einphasigen Teilantrieben sind auch erfindungsgemäße Planardirektantriebe mit mehrphasigen, beispielsweise zwei- oder dreiphasigen Einzelantrieben mit eisenbehafteten Wicklungen möglich. Dies erfolgt besonders vorteilhaft dadurch, dass mehrere Wicklungen auf einem Kern angeordnet werden. Dieser weist dazu mehrere Kernschenkel auf, die zumindest teilweise jeweils mit einer gesonderten Wicklung versehen sind.
Besonders vorteilhaft sind Planardirektantriebe mit Einzelantrieben, bei deren statorseitigen weichmagnetischen Kernen die Länge und Breite der einzelnen Polflächen jeweils größer ist als die Länge und Breite des zugehörigen Kernquerschnitts im Bereich der Wicklung oder Teilwicklung. Auf diese Weise ergeben sich besonders platzsparende Einzelantriebe, deren Wicklungen oder Teilwicklungen nahezu komplett unter den Polflächen angeordnet sind, und damit kompakte Planarantriebe. Insbesondere die Wickelköpfe der Teilwicklungen sind auf diese Weise platzsparend angeordnet. Derartig gestaltete statorseitige Hauptelemente der Einzelantriebe ermöglichen, unter Beachtung von Bauraumrestriktionen, das größtmögliche Verhältnis von Verfahrfläche zu Grundfläche des Planardirektantriebs. Die im Vergleich zu den Polflächen kleinere Länge und Breite der Kernquerschnitte im Bereich der Wicklung ermöglicht weiterhin kürzestmögliche Windungslängen und damit kleine Wicklungsverlustleistungen.
Ein bevorzugter Planardirektantrieb weist Einzelantriebe auf, bei denen die beiden in Kraftrichtung jedes Einzelantriebs äußeren statorseitigen Pole gegenüber dem sie tragenden Kernquerschnitt ungleichmäßig verbreitert sind, so dass die breiteren Abschnitte nach außen ragen. Zwischen den einzelnen statorseitigen Polen jedes Einzelantriebs ist ein Mindestspalt erforderlich, um unerwünschten magnetischen Streufluss zu vermeiden oder zu begrenzen. Wenn insbesondere bei Einzelantrieben mit U-förmigem Statorkern die unter dem Spalt und zwischen den beiden mit je einer Teilwicklung versehenen Kernschenkeln befindliche Nut bestmöglich mit Windungen gefüllt ist, ragen bei der oben beschriebenen Polausführung mit breiteren äußeren Abschnitten die beiden Teilwicklungen in Kraftrichtung des Einzelantriebs nicht über die Pole hinaus. Dadurch ergeben sich besonders kompakte Einzelantriebe und damit Planardirektantriebe.
Bei einem bevorzugten Planardirektantrieb sind die statorseitigen weichmagnetischen Kerne der Einzelantriebe mehrteilig ausgeführt, so dass im demontierten Zustand mindestens einer ihrer Kernschenkel mit einer geordneten, beispielsweise orthozyklischen, körperlos gewickelten oder mit einer auf einem Wickelkörper ausgeführten Wicklung versehen werden kann. Auf diese Weise ergeben sich gegenüber der Bewicklung der Kernschenkel eines einteiligen Kerns besonders hohe Füllfaktoren der Wicklung und damit besonders hohe Antriebskräfte des Planardirektantriebs.
Bei einem bevorzugten Planardirektantrieb ist der Läufergrundkörper unmagnetisch. Er kann im Interesse einer guten Dynamik des Antriebs aus einem leichten Werkstoff, beispielsweise einem Leichtmetall wie Aluminium, gefertigt sein. In diesem Fall weist jeder Einzelantrieb einen mit dem Läufergrundkörper verbundenen weichmagnetischen Rückschluss auf, der so klein und damit so leicht sein kann wie für die Erfüllung seiner Funktion als weichmagnetischer Flussleiter erforderlich.
In einer anderen Ausführung eines bevorzugten Planardirektantriebs ist der gesamte Läufergrundkörper weichmagnetisch und die Permanentmagnete der Einzelantriebe sind mit diesem verbunden, beispielsweise verklebt. Ein solcher Läufer weist als Vorteil besonders wenige Einzelteile auf.
Im einfachsten Fall ist der weichmagnetische Rückschluss jedes Einzelantriebs eines bevorzugten Planardirektantriebs in der Bewegungsebene des Läufers quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs im Wesentlichen so breit wie der oder die läuferseitigen Permanentmagnete in diese Querrichtung. Zur Vermeidung magnetischer Sättigung im Rückschluss ist dabei ein gewisser Mindestquerschnitt des Rückschlusses und damit eine gewisse Mindesthöhe des Rückschlusses in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs erforderlich. Bei einem besonders bevorzugten Planardirektantrieb ist der Rückschluss jedes Teilantriebs in der Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs in einem zur Vermeidung von Streufluss ausreichend großem Abstand von den statorseitigen Polflächen breiter als die Breite des oder der läuferseitigen Permanentmagnete in diese Richtung. Bei gleicher Querschnittsfläche des Rückschlusses gegenüber der o. g. Ausführung ist dabei in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs ein flacherer Rückschluss und damit ein flacherer und kompakterer Planardirektantrieb möglich.
Einzelantriebe mit mindestens einem läuferseitigen Permanentmagnet und statorseitigem weichmagnetischen Kern bewirken magnetische Anziehungskräfte zwischen Läufer und Stator des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs, die vorteilhaft zur Vorspannung einer planaren Führung, beispielsweise einer aerostatischen Planarführung oder einer planaren Wälzführung genutzt werden können.
Bei einem vorteilhaften Planardirektantrieb mit aerostatischer Planarführung sind vorteilhaft mindestens drei Druckluftdüsen im Stator angeordnet. Eine aufwendige bewegliche Druckluftleitung zum Läufer ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Bei einem bevorzugten Planardirektantrieb mit planarer Wälzführung mit mindestens drei einzelnen Kugeln mit oder ohne diese jeweils umgebender Hülse oder mit mindestens drei Kugelnestern jeweils in einem Kugelkäfig sind die Kugeln oder Kugelnester jeweils in einer Anschlagwände umfassenden Ausnehmung von Stator und Läufer angeordnet. Vorteilhaft wird dabei bei geeigneter Geometrie der Ausnehmungen der Verfahrbereich des Läufers durch Anschlag der Einzelkugeln oder Hülsen oder Kugelkäfige an den Rändern der Ausnehmungen, die als Anschlagwände fungieren, begrenzt. Bevorzugt sind die die Einzelkugeln oder die Kugelnester sowie deren Käfige oder Hülsen unmagnetisch, um magnetische Anziehungskräfte in Richtung der Einzelantriebe und ihrer Permanentmagnete zu vermeiden. Die Kugeln können beispielsweise keramisch sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Ansteuereinheit mit wenigstens drei linearen Wegsensoren verbunden ist, von denen wenigstens einer zur Messung einer ersten translatorischen Läuferposition gegenüber der Statoranordnung vorgesehen ist und die beiden anderen zur Messung einer zweiten translatorischen Läuferposition und einer Läuferorientierung gegenüber der Statoranordnung vorgesehen sind.
Bei einem bevorzugten Planardirektantrieb wird demnach die Lage und Orientierung des Läufers, also die Position des Läuferschwerpunkts und die Läuferverdrehung relativ zum Stator, mit mindestens drei linearen Wegsensoren ermittelt. Die Läuferlage und -orientierung werden aus den Sensorsignalen in einer nachgeordneten Auswerteelektronik, die z. B. vorteilhaft in den Planardirektantrieb integriert ist, ermittelt. Dabei misst mindestens ein Sensor eine translatorische Läuferposition. Die beiden anderen Sensoren messen jeweils die andere translatorische Läuferposition. Die beiden letztgenannten Sensoren sind quer zu ihrer Messrichtung in einem Abstand angeordnet, so dass sie bei einer Verdrehung des Läufers unterschiedliche Wege messen. Aus der gemessenen Wegdifferenz und dem Abstand beider Sensoren quer zu ihrer Messrichtung wird die Verdrehung des Läufers berechnet. Im Fall optischer Wegsensoren können die läuferseitig angeordneten Maßverkörperungen zumindest teilweise in die Luftspalte der Einzelantriebe ragen. Dadurch sind besonders kompakte Planardirektantriebe möglich.
Eine alternative Ausführungsform sieht optische Wegsensoren an der Statoranordnung vor. Diese sind in einem Spalt zwischen den Polflächen angeordnet und zudem sind Maßverkörperungen an der Läuferanordnung vorgesehen, wobei diese in einen Luftspalt der Einzelantriebe hineinragen, damit sie mit den dort ebenfalls angeordneten optischen Wegsensoren zusammenwirken können.
Eine weitere alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Ansteuereinheit mit mindestens einem flächig auflösenden Lagesensor zur Messung der planaren Position und der Orientierung der Läuferanordnung gegenüber der Statoranordnung verbunden ist und die Messwerte als Signale übertragen bekommt.
Besonders vorteilhaft, kompakt und kostengünstig ist dies mit mindestens einer statorseitig angeordneten Kamera als Lagesensor, mindestens einer läuferseitig angeordneten, musterbehafteten Lageverkörperung sowie einer der oder den Kameras nachgeordneten Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung der Läuferposition möglich. Vorzugsweise ist in der Lageverkörperung die Absolutlage des Läufers kodiert, so dass die absolute Läuferposition und -orientierung ermittelt werden kann.
Bei einem bevorzugten Planardirektantrieb wird die Läuferorientierung, also seine Verdrehung relativ zum Läufer, nicht nur mit Hilfe der gemessenen Läuferorientierung, sondern unter zusätzlicher Einbeziehung der durch einen läuferseitig angeordneten Drehratensensor gemessenen Läuferdrehrate geregelt. Dieses Verfahren ermöglicht beispielsweise bei einer Zustandsregelung eine besonders stabile und genaue Regelung der Läuferorientierung, da die Drehrate im Regler nicht durch in ihrer Genauigkeit begrenzte Verfahren oder Einrichtungen wie numerische Differentiation der gemessenen Läuferorientierung oder einen Beobachter, sondern durch einen Drehratensensor ermittelt wird. Bei geeigneter Ausführung des Drehratensensors ist eine drahtlose Energie- und / oder Signalübertragung zum oder vom läuferseitig angeordneten Sensor möglich, so dass aufwendige bewegliche elektrische Leitungen zum Läufer vermieden werden können.
Der erfindungsgemäße elektrische Planardirektantrieb zeichnet sich durch ein großes Verhältnis von Antriebskraft zu erforderlicher Verlustleistung, durch einen einfachen und dadurch kostengünstigen Aufbau, durch gute Dynamik, durch gute Verlustwärmeabfuhr von den Wicklungen an die Umgebung und durch hohe Kompaktheit aus.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: schematisch in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform einer Statoranordnung eines erfindungsgemäßen Planardirektantriebs;
2: schematisch in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines Elements zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses;
3: schematisch in perspektivischer Darstellung einen statorseitigen Kern einer Ausführungsform eines Einzelantriebs des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs;
4: schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine alternative Ausführungsform des Magnetkreises eines einphasigen Einzelantriebs des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs;
5: schematisch in einer Draufsicht auf die Statoranordnung und in einer Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt von Statoranordnung und Läuferanordnung eine Ausführungsform einer Führungseinheit des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs;
6 und 7: schematisch in perspektivischer Darstellung zwei Varianten eines mit dem Läufergrundkörper verbundenen weichmagnetischen Rückschlusses für die Einzelantriebe eines erfindungsgemäßen Planardirektantriebs;
8: schematisch in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines kompletten Einzelantriebs des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs und
9: schematisch in geschnittener Darstellung eine Ausführungsform eines kompletten Einzelantriebs des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs.
1 zeigt eine Statoranordnung 20 eines erfindungsgemäßen Planardirektantriebs 10 mit vier unabhängig ansteuerbaren Einzelantrieben 12 mit jeweils U-förmigem weichmagnetischen Kern 22, von dem nur zwei dem hier zur besseren Übersicht nicht dargestellten Läufer des Planarantriebs zugewandte Polflächen 28 sichtbar sind. Mit gestrichelter Linie und teilweise schraffiert dargestellt sind die Projektionen 34‘ des im dargestellten Ausführungsbeispiel zu jedem Einzelantrieb 12 gehörenden einzelnen läuferseitigen Permanentmagneten 34 in einer Ecklage der Läuferanordnung.
Jeweils ein Doppelpfeil kennzeichnet die Kraftrichtung 23 jedes Einzelantriebs 12. Der Verfahrbereich k der Läuferanordnung in Kraftrichtung 23 jedes Einzelantriebs 12 ist im Wesentlichen gleich der Pollänge l_Pol der Einzelantriebe 12 oder geringfügig kleiner als diese. Die Breite b_Pol der statorseitigen Polflächen 28 quer zur Kraftrichtung 23 jedes Einzelantriebs 12 ist im Wesentlichen um den Verfahrbereich q des Planarantriebs 10 quer zur Kraftrichtung 23 des Einzelantriebs 12 breiter als die Breite b_PM des zugehörigen läuferseitigen Permanentmagneten in diese Querrichtung.
1 zeigt ebenfalls als statorseitigen Teil einer Führungseinheit 40 eine planare Wälzführung 42 des Planardirektantriebs 10 mit vier in Kugelkäfigen 45 angeordneten Kugelnestern 44, die jeweils in Ausnehmungen 46 von Statoranordung 20 und Läuferanordnung vorgesehen sind. Durch Anschlag der Kugelkäufige 45 an den Ausnehmungen 46, die an ihren Rändern Anschlagwände 47 ausbilden, wird der Verfahrbereich der Läuferanordnung begrenzt.
2 zeigt ein Element zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses 29, das statorseitige Hauptelement eines einphasigen Einzelantriebs eines erfindungsgemäßen Planardirektantriebs. Es weist einen U-förmigen weichmagnetischen Kern 22 mit zwei ausgeprägten Polflächen 28 auf. Beide Kernschenkel sind jeweils mit einer Teilwicklung 26‘ versehen, die die Kernschenkel in der Ansicht verdecken und mittels Reihenschaltung eine einzelne einphasige Wicklung 26 bilden. Zwischen beiden Polflächen 28 ist ein Spalt angeordnet, durch dessen Breite unerwünschter magnetischer Streufluss zwischen beiden Polen vermieden oder zumindest begrenzt wird. Erkennbar ist, dass durch die nachfolgend in 3 beschriebene Gestaltung der Polabmessungen und Kernschenkelquerschnitte die beiden Teilwicklungen 26‘ seitlich nicht über die Polflächen 28 hinausragen. Das ermöglicht besonders kompakte Einzelantriebe und damit einen insgesamt besonders kompakten Planardirektantrieb.
3 zeigt den statorseitigen weichmagnetischen Kern 22 einer Ausführungsform des Einzelantriebs 12 eines erfindungsgemäßen Planardirektantriebs 10. Er weist einen U-förmigen Querschnitt auf. Erfindungsgemäß sind die Länge l_Pol und die Breite b_Pol seiner beiden Polflächen 28 jeweils größer als die Länge l_K und Breite b_K des Querschnitts seiner beiden mit je einer Teilwicklung zu versehenden Kernschenkel 24. Auf diese Weise ergeben sich besonders kompakte statorseitige Hauptelemente der Einzelantriebe, die einen besonders kompakten Planardirektantrieb ermöglichen. Insbesondere die Wickelköpfe der Teilwicklungen ragen seitlich nicht über die Polflächen 28 hinaus. Die gegenüber den Polflächen 28 in Länge und Breite kleineren Querschnitte der Kernschenkel 24 ermöglichen besonders kurze Windungslängen und damit kleinstmögliche Wicklungsverlustleistungen.
3 zeigt ebenfalls die mehrteilige Ausführung des Kerns 22 eines bevorzugten Planardirektantriebs. Im dargestellten Beispiel sind die beiden Kernschenkel 24 mit ihrem jeweiligen Pol, der auf der Oberseite die Polflächen 28 aufweist, mittels Schraubverbindung durch Schrauben 27 vom Kernjoch 25 lösbar, so dass die Kernschenkel 24 im demontierten Zustand mit einer geordneten, beispielsweise orthozyklischen, körperlos gewickelten oder mit einer auf einem Wickelkörper ausgeführten Wicklung versehen werden können. Auf diese Weise ergeben sich gegenüber der Bewicklung der Kernschenkel eines einteiligen Kerns 22 besonders hohe Füllfaktoren der Wicklung und damit besonders hohe Antriebskräfte des Planardirektantriebs. Andere Trennstellen im Kern sind ebenfalls möglich, beispielsweise zwischen Kernschenkel 24 und Pol.
Bei thermisch gut leitfähiger Verbindung der Kerne 22 der Einzelantriebe mit dem Statorgehäuse des Planardirektantriebs und über dieses mit der Umgebung des Planardirektantriebs ist eine gute Entwärmung der eisenbehafteten Wicklungen möglich. Das in 3 dargestellte Kernjoch 25 ermöglicht eine solche thermisch gut leitfähige Verbindung.
4 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine alternative Ausführungsform des Magnetkreises eines einphasigen Einzelantriebs 12 für einen erfindungsgemäßen Planardirektantrieb. Der Magnetkreis umfasst das Element 29 zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses, bestehend statorseitig aus dem hier E-förmig ausgebildeten weichmagnetischen Kern 22 mit drei gegenüber den Kernschenkeln 24 verbreiterten Polflächen 28. Der mittlere Kernschenkel 24 ist mit einer Wicklung 26 versehen. Zur Läuferanordnung, von der hier ein Läufergrundkörper 31, ein Rückschluss 32 und die Permanentmagnete 34 dargestellt sind, ist das Element 29 zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses durch einen Luftspalt 38 getrennt.
Läuferseitig weist der Einzelantrieb 12 zwei auf dem weichmagnetischen Rückschluss 32 angeordnete, in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs alternierend gepolte Permanentmagnete 34 oder Permanentmagnetabschnitte auf. Die Länge jedes der beiden Permanentmagnete 34 in die durch einen Doppelpfeil dargestellte Kraftrichtung 23 des Einzelantriebs 12 ist im Wesentlichen gleich dem Abstand von Polmitte zu Polmitte zweier benachbarter Polflächen 28 der Statoranordnung.
Bei einer alternativen Magnetkreisausführung sind jeweils außen neben den beiden dargestellten Permanentmagneten 34 zwei weitere Permanentmagnete 34 oder Permanentmagnetabschnitte auf dem Rückschluss 32 vorgesehen, die jeweils entgegengesetzt zu den angrenzenden Permanentmagneten 34 polarisiert sind.
5 zeigt schematisch in einer Draufsicht auf die Statoranordnung 20 und in einer Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt von Statoranordnung 20 und Läuferanordnung 30 eine Führungseinheit 40, hier eine planare Wälzführung 42, speziell als Kugelführung mit in einem Käfig 45 angeordneten Kugeln 43 ausgeführt. In dieser Art kommt die Führungseinheit 40 bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs an wenigstens drei, bevorzugt vier Stellen verteilt über die Grundflächen der Hauptelemente des Planardirektantriebs, Statoranordnung und Läuferanordnung, zum Einsatz. Dabei läuft der Kugelkäfig 45, in alternativen Ausführungsformen Einzelkugeln, in Ausnehmungen 46 der beiden relativ zueinander geführten Hauptelemente des Planardirektantriebs, der Statoranordnung 20 und der Läuferanordnung 30. Der Verfahrbereich des Planardirektantriebs wird durch Anschlagen des Käfigs 45 an den Rändern der Ausnehmungen, die als Anschlagwände 47 ausgeführt sind, begrenzt. Wenn auch ohne Bezeichnung, sind in der Darstellung eingesetzte Platten aus anderen, verschleißfesteren Materialien erkennbar.
6 und 7 zeigen zwei Varianten eines mit dem Läufergrundkörper 31 verbundenen weichmagnetischen Rückschlusses 32 für die Einzelantriebe eines erfindungsgemäßen Planardirektantriebs. Die zur Vermeidung magnetischer Sättigung im Rückschluss 32 erforderliche Querschnittsfläche A ist in beiden Varianten gleich groß. Die Kraftrichtung 23 des Einzelantriebs 12 ist jeweils durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.
6 zeigt einen einfach gestalteten Rückschluss 32, dessen Breite quer zur Kraftrichtung des Antriebs im Wesentlichen der Breite b_PM des Permanentmagneten 34 entspricht. Dargestellt ist beispielhaft ein zur Verkleinerung von Luftspalten und damit zur Vergrößerung der Antriebskraft teilweise in den Rückschluss 32 eingebetteter Permanentmagnet 34. Der Bereich prinzipiell möglicher Tiefen e der Einbettung 36 beträgt 0 ≤ e ≤ h_PM, wobei h_PM die Höhe des Permanentmagneten 34 bezeichnet.
7 zeigt einen gegenüber 6 flacheren Rückschluss 32, der als Vorteil einen flacheren und kompakteren Planardirektantrieb ermöglicht. Dazu ist der Rückschluss 32 in der Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs in einem zur Vermeidung von Streufluss ausreichend großem Abstand a von den statorseitigen Polflächen breiter als die Breite des oder der läuferseitigen Permanentmagnete 34 in diese Richtung. Eine derartige Gestaltung des Rückschlusses 32 der Einzelantriebe ist auch bei erfindungsgemäßen Planardirektantrieben möglich, bei denen der Rückschluss 32 jedes Einzelantriebs nicht als eigenständiges Bauteil ausgeführt ist, sondern die über einen weichmagnetischen Läufergrundkörper mit eingearbeiteten Rückschlussstrukturen verfügen.
8 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung einen kompletten Einzelantrieb 12, wie er in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Planardirektantriebs eingesetzt ist. Die Kraftrichtung 23 gibt zugleich die aktive Bewegungsrichtung des Einzelantriebs 12 an, wobei sich die Läuferanordnung 30 relativ zu der Statoranordnung 20 bewegt, in Kraftrichtung 23 durch Wirkung des dargestellten Einzelantriebs 12 und / oder durch einen anderen Einzelantrieb 12 mit derselben Kraftrichtung, rechtwinklig in der Kraftwirkungsebene dazu durch wenigstens einen Einzelantrieb 12 mit Kraftrichtung rechtwinklig zur Kraftrichtung des dargestellten Einzelantriebs 12.
Ein statorseitiges Hauptelement des Einzelantriebs 12 als Teil der Statoranordnung 20 umfasst einen U-förmigen weichmagnetischen Kern 22 mit zwei Kernschenkeln 24, zwei Polflächen 28 und je einer eisenbehafteten Teilwicklung 26‘, die zusammen, beispielsweise durch Reihenschaltung, die einphasige Wicklung 26 bilden.
Ein läuferseitiges Hauptelement des Einzelantriebs 12 als Teil der Läuferanordnung 30, in einer Mittelstellung dargestellt, umfasst einen weichmagnetischen Rückschluss 32 mit teilweise eingebettetem Permanentmagneten 34, dessen Magnetisierungsrichtung durch einen Pfeil dargestellt ist. Die Kraftrichtung 23 des Einzelantriebs wird ebenfalls durch einen Pfeil angezeigt.
9 zeigt schematisch in geschnittener Seitenansicht den kompletten Einzelantrieb 12 aus 8. Neben dem läuferseitigen weichmagnetischen Rückschluss 32 mit eingebettetem Permanentmagneten 34, wird im Schnitt der Aufbau des statorseitigen Hauptelements, des Elements 29 zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses, deutlich. Die Kraftrichtung 23 des Einzelantriebs wird durch einen Pfeil angezeigt. Bei den statorseitigen Teilwicklungen 26‘ der einphasigen Wicklung 26 ist beispielhaft eine Bestromungsrichtung eingezeichnet. Die Wicklung 26 wird von dem statorseitigen U-förmigen Kern 22 mit zwei Kernschenkeln 24 getragen, wobei der Kern 22 auch die zwei Polflächen 28 umfasst.
Bezugszeichenliste

10: Planardirektantrieb
12: Einzelantrieb
20: Statoranordnung
21: Grundrahmen
22: Kern
23: Kraftrichtung
24: Kernschenkel
25: Kernjoch
26, 26‘: Wicklung, Teilwicklung
27: Schraube
28: Polfläche
29: Element zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses
30: Läuferanordnung
31: Läufergrundkörper
32: Rückschluss
34: permanentmagnetischer Bereich, Permanentmagnet, Permanentmagnetabschnitt
34‘: Projektion Permanentmagnetfläche
36: Einbettung
38: Luftspalt
40: Führungseinheit
41: Einzelführung
42: Wälzführung
43: Kugel, Einzelkugel
44: Kugelnest
45: Kugelkäfig
46: Ausnehmung
47: Anschlagwand
52: Wegsensor, (linear messend)
52‘: Lagesensor (flächig messend)
k V: erfahrbereich Läufer
q V: erfahrbereich Planarantrieb
l_Pol: Länge Pol
l_PM: Länge Permanentmagnet
b_Pol: Breite Polfläche
b_PM: Breite Permanentmagnet
h_PM: Höhe Permanentmagnet
e: Tiefe Einbettung
A: Querschnittsfläche Rückschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19511973 A1 [0002]
DE 102007037886 B4 [0003]
DE 102010014663 B4 [0004]
DE 102013001009 A1 [0005]
EP 2812655 B1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Gao, W. u. a.: A surface motor-driven planar motion drive stage integrated with an XYϕZ surface encoder for precison positioning. In: Precision Engineering 28, Nr. 3 (2003), S. 329–337. doi: 10.1016/j.precisioneng.2003.12.003 [0007]

Claims

Elektrischer Planardirektantrieb, umfassend eine Statoranordnung (20), die Elemente (29) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses aufweist, und eine gegenüber der Statoranordnung (20) zumindest in eine x-Richtung und in eine y-Richtung kraftwirksame Läuferanordnung (30), die jeweils zu den Elementen (29) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses gehörige permanentmagnetische Bereiche (34) umfasst, wobei die x-Richtung und die y-Richtung eine Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs (10) aufspannen, wobei jeweils ein Element (29) zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses und ein zugehöriger permanentmagnetischer Bereich (34) einen Einzelantrieb (12) bildet, wobei der Planardirektantrieb (10) weiterhin eine planare Führungseinheit (40) umfasst, die eine reibungsarme Bewegung zwischen der Statoranordnung (20) und der Läuferanordnung (30) ermöglicht und eine Bewegung in einer z-Richtung zusammenwirkend mit der magnetischen Haltekraft zwischen der Statoranordnung (20) und der Läuferanordnung (30) verhindert, und wobei der Planardirektantrieb (10) weiterhin eine interne oder externe Ansteuereinheit umfasst, mit der der Magnetfluss in jedem einzelnen Element (29) zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses separat veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Element (29) zur Erzeugung des veränderlichen Magnetflusses wenigstens eine Wicklung (26) mit einem weichmagnetischen Kern (22) mit mindestens zwei der Läuferanordnung (30) zugewandten statorseitigen Polflächen (28) vorgesehen ist. Planardirektantrieb nach Anspruch 1, wobei die statorseitigen Polflächen (28) quer zur Kraftrichtung (23) des Einzelantriebs (12) eine im Wesentlichen um einen Verfahrbereich q des Planarantriebs (10) quer zur Kraftrichtung (23) des Einzelantriebs (12) größere Breite b_Pol aufweisen als die Breite b_PM des zugehörigen läuferseitigen permanentmagnetischen Bereichs (34), ausgeführt als Permanentmagnet, Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte, in diese Querrichtung. Planardirektantrieb nach Anspruch 1 oder 2, der zum Antrieb in x-Richtung und in y-Richtung jeweils einen Einzelantrieb (12) und jeweils ein Lager und / oder eine Führung in serieller Anordnung aufweist, jeweils so ausgeführt, dass ein Freiheitsgrad in der Kraftwirkungsebene zugelassen wird.
Planardirektantrieb nach Anspruch 1 oder 2, der zum Antrieb in x-Richtung einen oder zwei und in y-Richtung einen oder zwei, insgesamt wenigstens drei Einzelantriebe (12) umfasst, die auch eine Drehung der Läuferanordnung (30) um die z-Achse ermöglichen, und deren resultierende Kraftlinie jedes der Einzelantriebe (12) nicht durch einen in die Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs (10) projizierten Schwerpunkt der Läuferanordnung (30) verläuft, ohne dass in x-Richtung und in y-Richtung jeweils ein Lager und / oder eine Führung in serieller Anordnung, jeweils einen Freiheitsgrad in der Kraftwirkungsebene zulassend, erforderlich werden.
Planardirektantrieb nach Anspruch 4, wobei die Kraftwirkung jeweils eines Einzelantriebs (12) längs zu einer Langseite der Statoranordnung (20) ausgerichtet ist, wobei jeder der wenigstens drei Einzelantriebe (12) symmetrisch am Rand und zentrisch zwischen den Enden der jeweiligen Langseite angeordnet ist, so dass keine magnetische Verkopplung zwischen den Einzelantrieben (12) auftritt.
Planardirektantrieb nach Anspruch 5, aufweisend vier Einzelantriebe (12), wobei die Statoranordnung (20) so ausgeführt ist, dass die Kraftwirkung jeweils eines Einzelantriebs (12) längs zu einer Langseite der Statoranordnung (20) ausgerichtet ist, wobei die Elemente (29) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses aller vier Einzelantriebe (12) in der Mitte auf der Statoranordnung (20) angeordnet und zu einem einzigen Joch verbunden sind, wobei einander gegenüberliegende Statorarme eine Kraft in die gleiche Richtung ermöglichen.
Planardirektantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Läuferanordnung (30) so ausgeführt ist, dass an der von der Statoranordnung (20) abgewandten Seite des zum jeweiligen Einzelantrieb (12) gehörenden permanentmagnetischen Bereichs (34), ausgeführt als Permanentmagnet oder mehrere hintereinander liegende, in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs (10) alternierend gepolte Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte, mindestens ein weichmagnetischer Rückschluss (32) angeordnet und mit dem permanentmagnetischen Bereich (34) verbunden ist, wobei ein Mindestquerschnitt des Rückschlusses (32) erforderlich ist.
Planardirektantrieb nach Anspruch 7, wobei der Rückschluss (32) wenigstens eines Teilantriebs in der Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs (10) quer zur Kraftrichtung des Einzelantriebs (12) in einem zur Vermeidung von Streufluss ausreichend großem Abstand von den statorseitigen Polflächen (28) breiter ist als die Breite des permanentmagnetischen Bereichs (34) in diese Richtung.
Planardirektantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei der permanentmagnetische Bereich (34) zumindest teilweise in den weichmagnetischen Rückschluss (32) eingelassen ist.
Planardirektantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Läuferanordnung (30) so ausgeführt ist, dass ein unmagnetischer Läufergrundkörper (31) und mindestens ein mit diesem verbundener weichmagnetischer Rückschluss (32) vorgesehen sind oder der Läufergrundkörper (31) insgesamt als weichmagnetischer Rückschluss (32) für den jeweiligen Einzelantrieb (12) ausgeführt ist.
Planardirektantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der permanentmagnetische Bereich (34) zumindest teilweise mit Polschuhen an der der Statoranordnung (20) zugewandten Seite versehen ist.
Planardirektantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei einphasige Einzelantriebe (12) vorgesehen sind, die statorseitig einen mit einer Wicklung (26) versehenen U-förmigen weichmagnetischen Kern (22) mit zwei Polflächen (28) und läuferseitig einen Permanentmagneten (34) oder drei in Kraftrichtung des Einzelantriebs (12) hintereinander liegende, in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs (10) alternierend gepolte Permanentmagnete (34) oder Permanentmagnetabschnitte aufweisen.
Planardirektantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei einphasige Einzelantriebe (12) vorgesehen sind, die statorseitig einen E-förmigen weichmagnetischen Kern (22) mit drei Polflächen (28) und einen mit einer Wicklung (26) versehenen mittleren Kernschenkel (24) aufweisen und läuferseitig zwei oder vier in Kraftrichtung des Einzelantriebs (12) hintereinander liegende, in Normalenrichtung zur Kraftwirkungsebene des Planardirektantriebs (10) alternierend gepolte Permanentmagnete (34) oder Permanentmagnetabschnitte aufweisen.
Planardirektantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die planare Führungseinheit (40) mit wenigstens drei Einzelführungen (41) als aerostatische Planarführung mit in der Statoranordnung (20) vorgesehenen Druckluftdüsen oder als planare Wälzführung (42) ausgestaltet ist.
Planardirektantrieb nach Anspruch 14, wobei jede Einzelführung (41) der planaren Wälzführung (42) in jeweils einer Anschlagwände (47) umfassenden Ausnehmung (46) der Statoranordnung (20) und der Läuferanordnung (30) angeordnet ist, wobei die Einzelführung (41) der Wälzführung (42) als Einzelkugel (43) oder Kugelnest (44) ausgeführt ist.
Planardirektantrieb nach Anspruch 15, wobei die Einzelkugeln (43) oder die Kugelnester (44) unmagnetisch ausgeführt sind.
Planardirektantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ansteuereinheit mit wenigstens drei linearen Wegsensoren (52) verbunden ist, von denen wenigstens einer zur Messung einer ersten translatorischen Läuferposition gegenüber der Statoranordnung (20) vorgesehen ist und die beiden anderen zur Messung einer zweiten translatorischen Läuferposition und einer Läuferorientierung gegenüber der Statoranordnung (20) vorgesehen sind.
Planardirektantrieb nach Anspruch 17, wobei optische Wegsensoren (52) an der Statoranordnung (20) vorgesehen sind und diese in einem Spalt zwischen den Polflächen angeordnet sind und Maßverkörperungen an der Läuferanordnung (30) vorgesehen sind und diese in einen Luftspalt (38) der Einzelantriebe (12) hineinragen.
Planardirektantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ansteuereinheit mit mindestens einem flächig auflösenden Lagesensor (52‘) zur Messung der planaren Position und der Orientierung der Läuferanordnung (30) gegenüber der Statoranordnung (20) vorgesehen ist.
Planardirektantrieb nach Anspruch 19, wobei der flächig auflösende Lagesensor (52‘) mindestens eine an der Statoranordnung (20) angeordnete und auf die Läuferanordnung (30) hin ausgerichtete Kamera und mindestens eine an der Läuferanordnung (30) im Bildfeld der Kamera angeordnete, musterbehaftete Lageverkörperung sowie eine nachgeordnete Signalverarbeitungseinheit für die Verarbeitung eines Kamerasignals umfasst.
Planardirektantrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Ansteuereinheit zusätzlich zu Messwerten der Läuferorientierung Messwerte einer Läuferdrehrate eines läuferseitig angeordneten Drehratensensors einbezieht.