DE102016208136B4

DE102016208136B4 - Vorrichtung zur Steuerung eines magnetischen Spindelantriebs

Info

Publication number: DE102016208136B4
Application number: DE102016208136.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Trangbaek; Vladimir Suplin; Rasmus Koldborg Holm; Nick Ilso Berg; Peter Omand Rasmussen
Original assignee: Aalborg Universitet AAU; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Aalborg Universitet AAU; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: US20160344312A1; DE102016208136A1; US9628001B2; CN106169833A; CN106169833B

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung eines magnetischen Spindelantriebs (30), umfassend:eine magnetische Leitspindel mit:einem Elektromotor (60),einem Rotor (50), der drehbar an den Elektromotor (60) gekoppelt ist;einem Translator (40);wobei der Rotor (50) eine Rotor-Magnetbaugruppe (54) umfasst, die erste Magnetgewinde bildet;wobei der Translator (40) eine Translator-Magnetbaugruppe (44) umfasst, die zweite spiralförmige Magnetgewinde bildet;wobei sich die Drehung des Rotors (50) durch den Elektromotor (60) auf die lineare Übersetzung des Translators (40) durch Interaktion der ersten und zweiten sprialförmigen Magnetgewinde auswirkt;ein externes Steuergerät (80), das elektrisch operativ an eine Elektromotorsteuerung (70) des magnetischen Spindelantriebs (30) gekoppelt ist; undmindestens eine Sensorvorrichtung (12), die in den magnetischen Spindelantrieb (30) integriert ist, und so konfiguriert ist, dass ein magnetischer Fluss im magnetischen Spindelantrieb (30) gemessen wird, der die relative Verschiebung zwischen dem Rotor (50) und dem Translator (40) angibt und der eine Änderung des magnetischen Flusses zwischen der Rotor-Magnetbaugruppe (54) und der Translator-Magnetbaugruppe (44) im magnetischen Spindelantrieb (30) umfasst, wobei die Messung des magnetischen Flusses als Rückkopplung an die Elektromotorsteuerung (70) zurückgegeben wird;wobei die Elektromotorsteuerung (70) konfiguriert ist, die relative Verschiebung zwischen dem Rotor (50) und dem Translator (40) anhand der Änderung im magnetischen Fluss zu bestimmen und die von der magnetischen Leitspindel ausgeübte Kraft anhand der bestimmten relativen Verschiebung zwischen Rotor (50) und Translator (40) zu bestimmen;dadurch gekennzeichnet , dassdie Elektromotorsteuerung (70) ferner konfiguriert ist, die von der magnetischen Leitspindel ausgeübte Kraft anhand der folgenden Gleichung zu bestimmen:F=F0sin(nGewinde×z)wobeiF die Kraft der magnetischen Leitspindel ist;F0eine maximale magnetische Leitspindelkraft ist;nGewindedie Anzahl der Gewindeanfänge auf der magnetischen Leitspindel ist; undZ die relative Verschiebung zwischen Rotor (50) und Translator (40) ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung eines magnetischen Spindelantriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie der Art nach im Wesentlichen aus der JP H11- 153 403 A bekannt ist.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften US 6 011 389 A und US 4 697 144 A verwiesen.
HINTERGRUND
Ein magnetischer Spindelantrieb ist ein Linearantrieb, mit dem eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umgewandelt wird. Magnetische Spindelantriebe können in Anwendungen eingesetzt werden, die bekanntermaßen Linearantriebe benötigen. Eine magnetischer Spindelantrieb kann als ein Dämpfer in einem aktiven Federungssystem verwendet werden.
Federungssysteme absorbieren Schwingungseingänge und lösen sie auf, damit entkoppeln sie ein gefedertes Element von den Impuls- und Vibrationsenergie-Eingängen, die von einem ungefederten Element ausgehen. Fahrwerksysteme werden sowohl bei stationären Systeme als auch bei mobilen Systemen einschließlich PKW eingesetzt. Bekannte Elemente von Federungssystemen sind Federelmente, die parallel bzw. in Reihe mit Dämpfelementen gekoppelt werden, wie z. B. Stoßfänger mit Funktionen wie fluider oder pneumatischer Energieaufnahme und -auflösung.
Beim Einsatz in Fahrzeugsystemen werden Federungssyteme mit Federn und Dämpfern so ausgelegt, dass sie darüber hinaus auch Leistungseigenschaften im Hinblick auf Fahrgastkomfort, Fahrverhalten und Straßenlage aufweisen. Fahrkomfort wird normalerweise in Bezug auf die Federkonstante der wichtigsten Fahrzeugfedern, die Federkonstante der Fahrgastsitze, Reifen und einen Dämpfungskoeffizienten des Dämpfers gesteuert. Für optimalen Fahrkomfort wird eine relativ niedrige Dämpfkraft für eine sanfte Fahrt bevorzugt. „Fahrverhalten“ bezieht sich auf Schwankungen in der Fahrzeugstellung, die so genannten Wank-, Nick- und Gierbewegungen. Für ein optimales Fahrverhalten sind relativ große Dämpfkräfte bzw. eine sichere Fahrt erforderlich, um übermäßig schnelle Schwankungen in der Fahrstellung bei der Kurvenfahrt, beim Beschleunigen und beim Abbremsen zu vermeiden. Unter „Straßenlage“ versteht man normalerweise den Kontakt zwischen Reifen und Boden. Um die Straßenlage eines Fahrzeugs zu optimieren, sind beim Fahren auf unregelmäßigen Oberflächen große Dämpfkräfte erforderlich, um einem Kontaktverlust zwischen den einzelnen Reifen und dem Boden vorzubeugen. Bekannte Fahrzeugfederungssysteme verwenden bestimmte Verfahren, damit die Dämpfeigenschaften auf Veränderungen in den Betriebseigenschaften des Fahrzeugs reagieren, wie zum Beispiel aktive Federungen.
Aktive Federungen profitieren von einer präzisen Messung der Verschiebungsstellung und der Geschwindigkeit der aktiven Federung. Bekannte Federungssysteme verwenden verschiedene Verfahren zur Bestimmung von Verschiebungsstellung und -geschwindigkeit, wie Potenziometer und Linearantriebe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Steuerung eines magnetischen Spindelantriebs anzugeben, die besonders präzise arbeitet.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung für die Steuerung der Kraft eines magnetischen Spindelantriebs gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die bestehend aus einem magnetischen Spindelantrieb, einem externen Steuergerät und mindestens einer Sensorvorrichtung, die in den magnetischen Spindelantrieb integriert ist. Der magnetische Spindelantrieb enthält einen Elektromotor, einen Rotor und einen Translator. Der Rotor enthält eine Rotor-Magnetbaugruppe, die ein erstes spiralförmiges Magnetgewinde entlang des Rotors bildet. Zum Translator gehört eine Translator-Magnetbaugruppe, die ein zweites sprialförmiges Magnetgewinde entlang des Translators bildet. Die Drehung des Rotors durch den Elektromotor wirkt sich durch Interaktion des ersten und zweiten sprialförmigen Magnetgewindes auf die lineare Übertragung des Translators aus. Das externe Steuermodul ist elektrisch operativ an eine elektrische Motorsteuerung des magnetischen Spindelantriebs gekoppelt. Mindestens eine Sensorvorrichtung, die in den magnetischen Spindelantrieb integriert ist, ist so konfiguriert, dass ein Parameter gemessen wird, der die relative Verschiebung zwischen Rotor und Translator angibt, dieser Parameter wird als Feedback an die elektrische Motorsteuerung zurückgegeben.
Figurenliste
Im Folgenden werden beispielhaft eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

ein Schnittbild eines beispielhaften magnetischen Spindelantriebs darstellt, der mit der Erfindung übereinstimmt;
ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, der so konfiguriert ist, dass er in Übereinstimmung mit der Erfindung Schwingungsdämpfung zwischen einem gefederten und einem nicht gefederten Element in einer Federungsbaugruppe bereitstellt;
ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, mit einer integrierten Sensorvorrichtung und einem auf einem Translator im Spindelantrieb vorhandenen Magnetfluss, gemäß dieser Erfindung;
ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, mit einer integrierten Sensorvorrichtung und einem auf einem Translator im Spindelantrieb vorhandenen Magnetfluss, gemäß dieser Erfindung;
ein nicht einschränkendes, beispielhaftes Diagramm eines magnetischen Flusses auf einem Translator eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, wie gemessen durch eingebaute Sensorvorrichtungen an zwei Punkten eines Translators im Spindelantrieb im Zusammenhang mit der relativen Verschiebung des Spindelantriebs, gemäß dieser Erfindung;
ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, mit mehreren integrierten Sensorvorrichtungen, angeordnet entlang des Translators im Spindelantrieb, gemäß dieser Erfindung;
eine Schnittansicht eines magnetischen Spindelantriebs an verschiedenen Stufen der relativen Verschiebung eines Translatorbauteils des Spindelantriebs veranschaulicht;
ein nicht einschränkendes, beispielhaftes Diagramm der Spindelantriebskraft darstellt, die von einem magnetischen Spindelantrieb aufgewendet wird, beschrieben in einem Prozentsatz der Blockierkraft in Bezug auf die relative Verschiebung zwischen einem Rotor und einem Translator des Spindelantriebs, beschrieben in einem Prozentsatz der Leitspindel;
ein nicht einschränkendes, beispielhaftes Diagramm eines magnetischen Flusses auf einem Translator eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, wie gemessen durch eingebaute Sensorvorrichtungen im Zusammenhang mit der relativen Verschiebung des Spindelantriebs, beschrieben in einem Prozentsatz der Leitspindel, gemäß dieser Erfindung;
ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, mit einem Rotor mit einem magnetischen Innengewinde und einer integrierten Sensorvorrichtung, gemäß dieser Erfindung;
ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, bei welchem eine drehbare Welle mit einem Außenmagnetgewinde an der drehbaren Welle am Rotor gekoppelt ist und sich eine integrierte Sensorvorrichtung in der Nähe der drehbaren Welle befindet, gemäß dieser Erfindung;
eine Querschnittsansicht des magnetischen Spindelantriebs aus darstellt, gemäß der Offenlegung;
ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs darstellt, mit mehreren integrierten Sensorvorrichtungen, angeordnet an einem axialen Lagergehäuse des Spindelantriebs, gemäß dieser Erfindung; und
ein Schnittbild des magnetischen Spindelantriebs aus darstellt, gemäß der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Der folgende Text bezieht sich auf die Zeichnungen, die lediglich zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungen dienen. 1 stellt ein Schnittbild eines beispielhaften magnetischen Spindelantrieb 30 dar.
Der Spindelantrieb 30 ist drehbar mit einem Elektromotor 60 verkoppelt. Der magnetische Spindelantrieb 30 ist wie eine mechanische Leitspindel, in der die mechanische Kopplung in der Form von einander gegenüberliegenden Gewinden ersetzt wird durch eine funktional äquivalente Magnetkupplung in Form von radial polarisierten spindelförmigen Magneten mit entgegengesetzter Polarität, wie hier beschrieben. Der magnetische Spindelantrieb 30 enthält einen Translator 40 und eine Rotorschraube 50. Wie dargestellt, ist der Translator 40 als Aufnahmeübersetzungsteil des magnetischen Spindelantriebs 30 konfiguriert und gleichwertig mit einer Gewindemutter. Wie dargestellt, ist die Rotorschraube 50 als Steckerdrehteil des magnetischen Spindelantriebs 30 konfiguriert und gleichwertig mit einer Gewindeschraube. Alternativ ist der Translator 40 als übersetzendes Steckerteil des magnetischen Spindelantriebs 30 und die Rotorschraube 50 als rotierendes Aufnahmeteil des Spindelantriebs 30 konfigurierbar. Die Drehung der Rotorschraube 50 im Translator 40 bewirkt eine lineare Übersetzung der Rotorschraube 50 in Bezug auf den Translator 40 durch Interaktion von sprialförmigen Magnetgewinden. Die Drehung der Rotorschraube 50 kann durch Drehung des Elektromotors 60 verursacht werden, der als Motor agiert, der auf die Einspeisung von Elektroenergie reagiert. Die Drehung der Rotorschraube 50 kann durch Druck- oder Zugkraft zwischen externen Elementen verursacht werden, zwischen welchen der magnetische Spindelantrieb 30 und der Motor 60 positioniert sind. Ein erstes externes Element kann an einem ersten Ende 11 des magnetischen Spindelantriebs 30, und ein zweites externes Element kann an einem zweiten Ende 13 des Antriebs 30 in Position gebracht werden, so dass der Antrieb 30 zwischen den externen Elementen entlang einer Übersetzungsachse positioniert ist. Die Druck- oder Zugkraft zwischen den äußeren Elementen bewirkt, dass sich die Rotorschraube 50 innerhalb des Translators 40 mit der entsprechenden Drehung des Elektromotors 60 dreht. Der Elektromotor 60 kann unter solchen Umständen als Generator elektrischer Energie wirken. Die Drehung der Rotorschraube 50 erhöht oder verringert eine lineare Distanz zwischen den externen Elementen, je nach der Drehrichtung, mit einer begleitenden Zug- oder Druckspannung, die von den auf die externen Elemente einwirkenden Kräften abhängig sind. Somit adaptiert die lineare Übersetzung der Rotorschraube 50 in Bezug auf den Translator 40 die Verschiebung der externe Elemente.
Der Translator 40 enthält eine Translator-Magnetbaugruppe 44, die auf einer Innenfläche eines zylindrisch geformten ringförmigen Rahmens 42 angebracht ist. Die Translator-Magnetbaugruppe 44 enthält eine Vielzahl von Dauermagnetelementen, die so angeordnet sind, dass sie ein kontinuierliches sprialförmiges Magnetgewinde bilden. Die Translator-Magnetbaugruppe 44 ist als eine Vielzahl von überlappenden Magnetabschnitten angeordnet, die ein spiralförmig gewickeltes Gewinde bilden, das aus radial polarisierten Magneten der entgegengesetzten Polarität angeordnet ist. Polaritäten werden lediglich zur Veranschaulichung des Konzepts dargestellt und beinhalten einen Teil mit Nordpolarität 55 und einen Teil mit Südpolarität 57. Der Translatorrahmen 42 enthält ein erstes Ende 45, ein Mittelteil 46 und ein zweites Ende 47, wobei sich das erste Ende 45 in der Nähe des Elektromotors 60 befindet. In einer beispielhaften Ausführung kann die Translator-Magnetbaugruppe 44 komplett axial entlang des Translatorrahmens 42, vom ersten Ende 45 zum zweiten Ende 47 verlaufen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Dauermagnet-Element geformt oder gesintert werden, anstatt eine Vielzahl von einzelnen Magneten zu sein.
Die Rotorschraube 50 enthält eine Rotor-Magnetbaugruppe 54, die auf einer Außenfläche eines zylindrisch geformten Rahmens 52 angebracht ist, der mit einer drehbaren Welle 58 gekoppelt ist, die wiederum an einen Rotor 66 des Elektromotors 60 gekoppelt ist. Die drehbare Welle 58 ist ein Axiallagergehäuse 56. Die Rotor-Magnetbaugruppe 54 beinhaltet mehrere Dauermagnetelemente, von welchen jedes ein Teil 55 mit einer Nord-Polarität und ein Teil 57 mit einer Süd-Polarität hat, die so angeordnet sind, dass sie ein kontinuierliches, spiralförmiges Magnetgewinde bilden, das die gleiche Steigung hat wie das spiralförmige Magnetgewinde der Rotor-Magnetbaugruppe 44. Die Rotor-Magnetbaugruppe 54 ist als eine Vielzahl von überlappenden Dauermagnetabschnitten angeordnet, die ein spiralförmig gewickeltes Gewinde bilden, das aus radial polarisierten Magneten der entgegengesetzten Polarität angeordnet ist. Der Rotorrahmen 52 dieser Ausführung ist vorzugsweise aus Eisen oder anderen ferromagnetischen Materialien produziert. Die Rotor-Magnetbaugruppe 54 ist durch eine axiale Rotor-Magnetlänge 68, und die Translator-Magnetbaugruppe 44 ist durch eine axiale Translator-Magnetlänge 48 gekennzeichnet. In einer Ausführungsform ist die axiale Translator-Magnetlänge 48 im Wesentlichen gleich einer Länge des Translatorrahmens 42, und die axiale Rotor-Magnetlänge 68 wird festgelegt anhand einer gewünschten Magnetkraftkupplung, die wiederum festgelegt wird in Zusammenhang mit den Durchmessern der Rotorschraube 50 und des Translators 40. Magnetkraftkupplung wie hier definiert und verwendet bezieht sich auf die Größe einer Magnetkraft, die zwischen zwei benachbarten Elementen ausgeübt wird, z. B. zwischen dem Rotor 50 und dem Translator 40 des magnetischen Spindelantriebs 30, und kann durch die Größe einer linearen Kraft oder eines Drehmoments gemessen und angezeigt werden, die erforderlich sind, um ein Element relativ zum anderen zu bewegen. Die Steuerung der linearen Kraft, die von der linearen Übersetzung des magnetischen Spindelantriebs 30 generiert wird, wenn der Translator 40 entlang der Rotorschraube 50 übersetzt, erfordert eine Bestimmung der linearen Kraft, die generiert wird. Die lineare Kraft kann als Funktion einer relativen Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs 30 bestimmt werden. Die relative Verschiebung kann als eine Funktion der Drehung der Rotorschraube 50 und der Übersetzung des Translators 30 entlang der Rotorschraube 50 bestimmt werden. Die integrierten Sensorvorrichtungen 12 können so konfiguriert werden, dass sie den magnetischen Fluss im magnetischen Spindelantrieb 30 messen, für die Verwendung bei der Festlegung und Steuerung der durch den magnetischen Spindelantrieb 30 erzeugten linearen Kraft.
Der Außendurchmesser der Rotorschraube 50 und der Innendurchmesser des Translators 40 sind so bemessen, dass sie konzentrisch ineinander passen, ohne sich zu berühren. Die Magnetflüsse der Elemente richten sich zu einer Nullkraftstellung aus, wenn keine äußeren Kräfte angewendet werden. Zu den Parametern, die die Auslegung der Magnetkraftkupplung beeinflussen, gehören die Durchmesser der Rotorschraube 50 und des Translators 40, die Gewindesteigung und der Freiraum zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Rotor-Magnetbaugruppe 54 und der Translator-Baugruppe 44. Die Auslegung der Magnetkraftkupplung kann auch durch Dicke und Material der Magneten und die Magnetisierung der magnetischen Elemente beeinflusst werden. Die Durchmesser werden auf Basis eines Kompromisses ausgewählt zwischen dem Oberflächenbereich, der sich auf die Magnetkraftkupplung, und der physischen Größe, die sich auf Verpackung und Kosten auswirkt. Sensorvorrichtungen 12 können in den magnetischen Spindelantrieb 30 integriert werden, um den im Antrieb erzeugten Magnetfluss zu messen. In einer beispielhaften Ausführungsform und wie dargestellt können die integrierten Sensoren so konfiguriert sein, dass sie einen Magnetfluss messen können, der von der Rotor-Magnetbaugruppe 54 und der Translator-Magnetbaugruppe 44 erzeugt wird. Die Auswahl der Gewindesteigung erfolgt anhand eines Kompromisses zwischen dem Aktivierungsdrehmoment des Elektromotors 60 und einer gewünschten Drehgeschwindigkeit und der entsprechenden Reaktionszeit wie vorgegeben durch einen Zeitänderungsrate in der Länge des magnetischen Spindelantriebs 30, verursacht durch die Drehung der Rotorschraube 50 im Verhältnis zum Translator 40. Die Auswahl des Freiraums zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Rotor-Magnetbaugruppe 54 und der Translator-Baugruppe 44 wird ausgewählt aufgrund eines Kompromisses zwischen Erwägungen das mechanische Design betreffend wie Herstellung oder Baugruppentoleranzen und der gewünschten Magnetkraftkupplung. Eine magnetische Leitspindel hat keine mechanischen Kontakte mit Transfervertikalkraft und damit eine geringe Reibung und Verschleiß. Geringe Reibungskräfte und geringer Verschleiß erhöhen die Zuverlässigkeit und reduzieren die Wartung.
Die Konfiguration des Elektromotors 60 ist beliebig, solange eine kontrollierte Drehung sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn möglich ist. Geeignete Elektromotor Konfigurationen enthalten einen Synchronmotor, einen Induktionsmotor oder einen Dauermagnet-Gleichstrommotor. In einer Ausführungsform wird der Elektromotor 60 als Motor/Generator konfiguriert. Eine Motorsteuerung 70 ist über elektrische Leitungen elektrisch mit dem Elektromotor 60 verbunden. Die Motorsteuerung 70 enthält geeignete elektrische Vorrichtungen, einschließlich beispielsweise Leistungsschalter zur Umwandlung von Strom, der zwischen einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (Batterie) 90 und dem Elektromotor 60 als Reaktion auf die Steuerbefehle einer Steuereinheit 80 übertragen wird. Der Elektromotor 60 ist so konfiguriert, dass genügend Drehmoment ausgeübt wird zur Überwindung der rotatorischen Massenträgheit, einschließlich der Magnetkraftkupplung zwischen der Rotor-Magnetbaugruppe 54 und der Translator-Magnetbaugruppe 44, um den Rotor 50 so zu drehen, dass eine Änderung in der Länge des magnetischen Spindelantriebs 30 verursacht wird, z. B. gemessen in mm/ms. Die Steuereinheit 80 kann so konfiguriert werden, dass sie eine Rückkopplung von den integrierten Sensorvorrichtungen 12 erhält. Die Rückkopplung kann eine Messung des Magnetflusses im magnetischen Spindelantrieb 30 enthalten, die die Steuereinheit 80 verwenden kann, um einen Steuerbefehl auszulösen, um die gewünschte Linienkraft vom magnetischen Spindelantrieb 30 zu erreichen. In einer beispielhaften Ausführung können die Sensorvorrichtungen 12 Hall-Sensoren sein, und die Steuereinheit 80 kann so konfiguriert werden, dass die gemessenen Daten des Hall-Sensors interpretiert werden können und eine relative Verschiebung zwischen Rotorschraube 50 und Translator 40 des magnetischen Spindelantriebs 30 bestimmt werden kann. Die Steuereinheit 80 kann zusätzlich so konfiguriert werden, dass eine von dem magnetischen Spindelantrieb 30 ausgeübte Leitspindel-Magnetkraft bestimmt werden kann. In einer beispielhaften Ausführung kann der magnetische Spindelantrieb zusätzlich eine Sensorvorrichtung enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie ein Zeit-Derivat der relativen Verschiebung zwischen Rotor-Schraube 50 und Translator 40 misst. Eine Sensorvorrichtung, konfiguriert, um ein Zeit-Derivat der relativen Verschiebung zwischen Rotor-Schraube 50 und Translator 40 zu messen, kann ein Spulensensor sein. Möglicherweise muss die Software der Steuereinheit 80 auf den spezifischen magnetischen Spindelantrieb 30 kalibriert werden. Variationen im Fluss, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden, können in der Software der Steuereinheit berücksichtigt werden.
Steuergerät, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen von einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), Zentraleinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und dazugehörige Memory und Speicher (ROM, programmierbare ROM, Direktzugriff, Festplattenlaufwerke, usw.), um eines oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -routinen, logische Verknüpfungsschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Stromkreise und -geräte, entsprechende Signal-Konditionierungs- und Puffer-Schaltung und andere Komponenten auszuführen, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anleitungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bedeuten Befehlssätze einschließlich Kalibrierungen und Look-up-Tabellen. Das Steuergerät hat eine Reihe von Prüfroutinen ausgeführt, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden ausgeführt, z. B. durch eine Zentraleinheit, und werden betrieben, um Eingänge von Sensorgeräten und anderen vernetzten Steuergeräten zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Abständen, z.B. nach jeweils 100 Mikrosekunden, 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden im laufenden Betrieb von Motor und Fahrzeug ausgeführt werden. Alternativ können die Routinen als Reaktion auf ein Ereignis ausgeführt werden.
zeigt ein Schnittbild eines beispielhaften magnetischen Spindelantriebs 30, der in einen magnetischen Spindeldämpfer 25 eingebaut ist, um zwischen einem gefederten Element 10 und einem ungefederten Element 14 in einer aktiven Federungsbaugruppe Schwingungsdämpfung bereitzustellen. Die Federungsbaugruppe 20 enthält eine geladene Feder, parallel angeordnet mit einem magnetischen Spindeldämpfer 25 zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element. Wie dargestellt ist das gefederte Element 10 ein Fahrwerk eines Fahrzeugs, und das ungefederte Element 14 ist ein unterer Querlenker, der eine Radbaugruppe trägt, die Kontakt zum Boden hat. Informationen für die Montage einer Radbaugruppe sind bekannt und werden deshalb nicht hierin beschrieben. Die Federungsbaugruppe 20 kann eingesetzt werden, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element in einer stationären Anwendung mit ähnlicher Wirkung zu dämpfen. Die Federungsbaugruppe 20 beinhaltet den magnetischen Spindeldämpfer 25, um die bevorzugte Dämpferleistung als Reaktion auf statische und dynamische Belastungen zu erzielen, und damit das Fahrwerk 10 zu isolieren und es beim Manövrieren des Fahrzeugs zu stabilisieren. Unter einer statischen Last versteht man die Größe der Kraft, die durch das Chassis 10 an der Federungsbaugruppe 20 und der Radbaugruppe ausgeübt wird, wenn das Fahrwerk 10 in Ruhe ist. Ein solches System bietet die gewünschte Fahrleistung für den Fahrgastkomfort und für die Rad-/Reifen-Straßenhaftung, bei gleichzeitiger Aufnahme der Veränderungen in der statischen Last aufgrund von Massenänderungen sowie der Aufnahme von Veränderungen der dynamischen Last bei Lenkmanövern an einem Fahrzeug. Die Begriffe Federrate, Federkonstante und Steifigkeit sind analoge Begriffe, die sich alle auf eine Änderung einer Kraft beziehen, die durch eine Feder in Bezug auf die Auslenkung der Feder entsteht.
Die Federungsbaugruppe 20 ist ein Tragelement, das statische und dynamische Kräfte und Lasteingänge zwischen dem ungefederten Element 14 und dem Federelement 10, d. h. dem unteren Querlenker 14 und dem Fahrwerk 10 unterstützt und überträgt. Die Federungsbaugruppe 20 kann eine Feder und einen magnetischen Spindeldämpfer 25 enthalten, die parallel zwischen unterem Querlenker 14 und Fahrwerk 10 angeordnet sind. Unter statischen Belastungsbedingungen befindet sich der magnetische Spindeldämpfer 25 bei einer nominalen Verschiebung. Die Einführung einer dynamischen Belastung verursacht eine Verschiebung des magnetischen Spindeldämpfers 25.
Die Bewegung des gefederten Elements 10 relativ zu dem ungefederten Element 14 übt entweder Druck- oder Zugkraft auf den magnetischen Spindeldämpfer 25 aus. In jedem Fall, bewirkt eine solche Druck- oder Zugkraft eine Drehung der Rotorschraube 50 relativ zum Translator 40, und die Drehung der Rotorschraube 50 erfolgt zusammen mit der Drehung des Rotors 66 des Elektromotors 60. Der Elektromotor enthält einen Motorrotor 66 innerhalb eines konzentrischen Motorstators 64, der in einem Rahmen 62 angeordnet ist, der an das Federelement 10 gekoppelt ist. Der Motorrotor 66 ist über eine Welle 58 drehbar an die magnetische Leitspindel-Rotorschraube 50 gekoppelt. Der Elektromotor 60 kann als Motor arbeiten, um entweder in der Uhrzeigerrichtung oder in der Gegenuhrzeigerrichtung zu drehen und die Rotorschraube 50 zu drehen und damit die Länge des magnetischen Spindeldämpfers 25 zu vergrößern oder zu verkürzen. Zusätzlich kann die Gegenwart von Druck- oder Zugkraft auf den magnetischen Spindeldämpfer 25 eine Drehung der Rotorschraube 50 relativ zum Translator 40 verursachen, was zusammen mit der Drehung des Rotos 66 und des Elektromotors 60 geschieht. Der Elektromotor 60 kann als Generator arbeiten, entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn, um mit der Rotorschraube 50 zu drehen, wenn die Länge des magnetischen Dämpfers 25 in Reaktion auf die Zug- oder Druckkraft entweder verlängert oder verkürzt wird. Dämpfung entsteht durch die Steuerung einer Rate der linearen Übertragung der Rotorschraube 50 in Bezug auf den Translator 40.
zeigt eine Schnittansicht eines magnetischen Spindelantriebs 330 mit einer integrierten Sensorvorrichtung und eine erweiterte Darstellung 301 eines gemessenen magnetischen Flussfelds 302 auf dem Translator 340 im magnetischen Spindelantrieb 330. Eine Sensorvorrichtung 312 ist in den Translator 340 integriert und so konfiguriert, dass sie einen magnetischen Fluss 302 misst, der erzeugt wird von der Magnetbaugruppe 354 der Rotorschraube auf der Rotorschraube 350 und der Magnetbaugruppe 344 des Translators auf dem Translator 340 durch die Drehung der Rotorschraube 350 auf der drehbaren Welle 358, was zu einer Übersetzung von Translator 340 führt. Polaritäten werden lediglich zur Veranschaulichung des Konzepts dargestellt und beinhalten einen Teil mit NordPolarität 355 und einen Teil mit Süd-Polarität 357.
Die integrierte Sensorvorrichtung 312 kann ein beliebiger Sensor sein, der so konfiguriert ist, dass er die Magnetflüsse der Magnetbaugruppe der Rotorschraube und des Translators misst. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung 312 ein Hall-Sensor sein, der so konfiguriert ist, dass er einen Spannungsausgang hat, der in Reaktion auf Veränderungen im Magnetflussfeld 302 am Translator 340 variiert. Da der Translator 340 entlang der Rotorschraube 350 übersetzt, variiert der magnetische Fluss im magnetischen Flussfeld 302 zwischen den Bereichen hoher Flussdichte 306 und Bereichen niedriger Flussdichte 304. Basierend auf einer Messung des magnetischen Flusses 302 am Translator 340 kann die relative Verschiebung 310 des magnetischen Spindelantriebs 330 direkt gemessen werden. Die Bewegung des magnetischen Spindelantriebs 330 besteht aus zwei Komponenten. Die erste Komponente ist die Drehbewegung der Rotorschraube 350. Die zweite Komponente ist die Übersetzung des Translators 340, der als Steigung in Hinsicht auf einen festen Punkt des Translators 340 ausgedrückt werden kann. Die relative Verschiebung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. $z = (\frac{d}{β}) - θ$
Mit Bezug auf Gleichung 1 ist z die relative Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs 330, gemessen in rad. β ist die Verzahnung zwischen Linear- und Drehbewegung des magnetischen Spindelantriebs 330. d ist die Übersetzung des Translators 340 und 9 ist die Drehung der Rotorschraube 350. β kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. $β = \frac{l_{l e a d}}{2 * π}$
Hinsichtlich Gleichung 2 ist I_Steigung die lineare Verschiebung des Translators, wenn der Rotor eine Umdrehung gedreht wird. Die Linienkraft oder die Kraft der magnetischen Leitspindel kann anhand des Verhältnisses zur relativen Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs 330 bestimmt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Kraft der magnetischen Leitspindel durch die folgende Fourier-Reihe mit der ersten Harmonischen ausgedrückt werden. $F = F_{0} sin (n_{G e w i n d e} \times z)$
Mit Bezug auf Gleichung 3 ist F die lineare Kraft oder die Kraft der magnetischen Leitspindel. F₀ ist die maximale lineare Kraft, die von dem magnetischen Spindelantrieb 330 ausgeübt werden kann, n_Gewinde ist die Anzahl der Gewindeanfänge auf dem magnetischen Gewindeantrieb 330. In einem Ausführungsbeispiel kann der magnetische Spindelantrieb 330 mehrere Gewindeanfänge haben, z ist die relative Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs 330.
Mit der Verwendung einer integrierten Sensorvorrichtung innerhalb des magnetischen Spindelantriebs 330 zur direkten Messung des magnetischen Flusses auf dem Translator 340 kann eine relative Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs 330 auf der Grundlage von Variationen des magnetischen Flusses 302 auf dem Translator 340 bestimmt werden. Da der Translator 340 entlang der Rotorschraube 358 übersetzt, variiert der magnetische Fluss 302. Diese Variation ist konsistent auf der Grundlage der Ausrichtung der magnetischen Polaritäten der Rotorschrauben-Magnetbaugruppe 354, die an der Rotorschraube 350 und der Translator-Magnetbaugruppe 344 am Translator 340 angebracht ist. Die direkte Messung der relativen Verschiebung ermöglicht eine direkte Messung der Linienkraft basierend auf Gleichung 2, die als Rückkopplung an eine externe Steuerung vorgesehen sein kann und in der Kraftsteuerung des magnetischen Spindelantriebs 330 verwendet wird, um eine gewünschte Linienkraft zu erzielen. Zusätzlich kann die Messung der Relativverschiebung auf der Grundlage eines gemessenen Magnetflusses 302 als Mischmessung der Translation und Rotation auf Basis des Verhältnisses in Gleichung 1 dienen.
zeigt eine beispielhafte Schnittansicht eines magnetischen Spindelantriebs 430 mit mehreren integrierten Sensorvorrichtungen 412, 414 und eine erweiterte Darstellung 401 eines gemessenen magnetischen Flussfelds 402 auf dem Translator 440 im magnetischen Spindelantrieb 430. Eine Sensorvorrichtung 412 ist in den Translator 440 integriert und so konfiguriert, dass sie einen magnetischen Fluss 402 misst, der erzeugt wird von der Magnetbaugruppe 454 der Rotorschraube auf der Rotorschraube 450 und der Magnetbaugruppe 444 des Translators auf dem Translator 440 durch die Drehung der Rotorschraube 450 auf der drehbaren Welle 458, was zu einer Übersetzung von Translator 440 führt. In einer beispielhaften Ausführungsform und wie dargestellt, sind die Sensoren auf dem Translator 440 in einem Bereich positioniert, in dem keine Magneten der Translator-Magnetbaugruppe 444 vorhanden sind. Die Sensorvorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie den Fluss der Rotor-Magnetbaugruppe 454 direkt messen. Die Entfernung eines Teils der Rotor-Magnetbaugruppe 444 zur Installation der beiden Sensorvorrichtungen 412, 414 führt zu einer kleinen Verringerung der Blockierkraft des magnetischen Spindelantriebs 430, da jedoch nur ein Teil des Gewindes entfernt wird, ist jede Verringerung klein. Polaritäten werden lediglich zur Veranschaulichung des Konzepts dargestellt und beinhalten einen Teil mit Nord-Polarität 455 und einen Teil mit Süd-Polarität 457. Die Sensoren sind mit einer Phasenverschiebung von 90° angeordnet, so dass eine 90° -Drehung der Rotorschraube 450 zu einer lineare Übersetzung des Translators 440 führt, die dem Abstand zwischen den Sensorvorrichtungen 412, 414 entspricht. Dementsprechend können die Spannungsmessungen der beiden Sensorvorrichtungen 412, 414, die sich aus Schwankungen des magnetischen Flusses 402 ergeben, direkt verwendet werden, um die relative Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs 430 zu berechnen. Da der Translator 440 entlang der Rotorschraube 450 übersetzt, variiert der magnetische Fluss 402 zwischen den Bereichen hoher Flussdichte 406 und Bereichen niedriger Flußdichte 404. Zusätzlich werden die Positionsmessungen durch die Anbringung der beiden Sensorvorrichtungen 412 und 414 mit einer Phasenverschiebung von 90° unabhängig von Temperaturänderungen. Die relative Verschiebung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. $z = \frac{1}{n_{G e w i n d e}} * {tan}^{- 1} (\frac{A_{2} \cdot (v_{2} + O_{2})}{A_{1} \cdot (v_{1} + O_{1})})$
Bezüglich Gleichung 4 ist n_Gewinde gleich der Anzahl der Gewindeänfänge auf der Rotorschraube 450. v₁ ist die Spannungsmessung von einer ersten Sensorvorrichtung 412 und v₂ ist die Spannungsmessung von einer zweiten Sensorvorrichtung 414. A₁ ist eine Amplitudenkorrektur für die erste Sensorvorrichtung 412, A₂ ist eine Amplitudenkorrektur für die zweite Sensoreinrichtung 414. O₁ ist eine Offset-Korrektur für die erste Sensorvorrichtung 412 und O₂ ist eine Offset-Korrektur für die zweite Sensorvorrichtung 414.
Die integrierten Sensorvorrichtungen 412, 414 können beliebige Sensoren sein, die so konfiguriert sind, dass sie die Magnetflüsse der Magnetbaugruppe der Rotorschraube und des Translators messen. In einer beispielhaften Ausführungsform können die Sensorvorrichtungen 412, 414 Hall-Sensoren sein, die so konfiguriert sind dass sie einen Spannungsausgang haben, der in Reaktion auf Veränderungen im Magnetflussfeld 402 am Translator 440variiert. Wie in Bezug auf den magnetischen Spindelantrieb aus dargelegt, ermöglicht die Integration einer Sensorvorrichtung in den magnetischen Spindelantrieb eine direkte Messung der Relativverschiebung des magnetischen Spindelantriebs, die verwendet werden kann, um die vom magnetischen Spindelantrieb 430 ausgeübte Linienkraft auf der Grundlage des in Gleichung 2 ausgedrückten Verhältnisses zu bestimmen.
zeigt ein nicht einschränkendes, beispielhaftes Diagramm 500 des Magnetflusses 402 auf einem Translator eines magnetischen Spindelantriebs 430 wie von Sensorvorrichtungen 412 und 414 des magnetischen Spindelantriebs 430 gemessen, gemäß sowie die entsprechende relative Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs 430. Die Sensoreinrichtungen 412, 414 sind an zwei aufeinanderfolgenden Punkten in den Translator 440 integriert. Die horizontale Achse 501 stellt eine relative Verschiebung x_rel als Prozentsatz der Steigung dar. Die vertikale Achse 502 stellt magnetischen Fluss B_r in Millitesla [mT] dar. Linie 510 entspricht der Messung des magnetischen Flusses in Bezug auf die relative Verschiebung, wie durch die Sensorvorrichtung 412 gemessen. Linie 520 veranschaulicht die Messung des magnetischen Flusses in Bezug auf die relative Verschiebung, wie durch zweite Sensorvorrichtung 414 gemessen. Durch die Verwendung von zwei Sensorvorrichtungen, so konfiguriert, dass der Magnetfluss gemessen werden kann und mit einer Phasenverschiebung von 90° positioniert, die einer Drehung des Rotors 458 von 90° entspricht, kann die Relativverschiebung zu einer Drehung des Rotors rekonstruiert werden, bei welchem Punkt die Variation des Magnetflusses einen neuen Zyklus beginnt, da die entgegengesetzt magnetisierten Magnete der Rotor-Magnetbaugruppe 454 und der Translator-Magnetbaugruppe 444 aneinander ausgerichtet sind.
stellt ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs 630 dar, mit mehreren integrierten Sensorvorrichtungen 612, angeordnet entlang des Translators 640 im Spindelantrieb 630. Durch Anordnen mehrerer Sensorvorrichtungen entlang des Translators 640 kann die Verschiebung oder die absolute Position des Translators in Bezug auf die Rotorschraube 650 gemessen werden. In einer beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich die Translator-Magnetbaugruppe 644 über die gesamte Länge 648 des Translators 640. Die Rotor-Magnetbaugruppe 654 erstreckt sich über die gesamte Länge 668 der Rotorschraube 650. Die Platzierung der Sensorvorrichtungen 612 entlang der gesamten Länge 648 des Translators 640 ermöglicht es, die absolute Position des Translators 640 zu bestimmen, wie sie entlang der Rotorschraube 650 übersetzt. Die Position des Translators kann durch Sensorvorrichtungen 612, positioniert entlang der Gesamtheit des Translators 640, verfolgt werden.
stellt eine Schnittansicht eines magnetischen Spindelantriebs an verschiedenen Stufen der relativen Verschiebung eines Translatorbauteils des Spindelantriebs dar. Die Kraft der magnetischen Leitspindel, ausgeübt durch einen Antrieb, kann durch eine Sinusfunktion beschrieben werden, die von der relativen Verschiebung zwischen einem Rotor und einem Translator gemäß Gleichung 2 abhängig ist. Wenn sich zwei magnetisierte Magneten gegenüberliegen, wird keine Kraft durch den magnetischen Spindelantrieb übertragen. Wenn bei Stufe 701 die Relativverschiebung 711 Null ist, werden die Translator-Magnetbaugruppe und die Rotor-Magnetbaugruppe so ausgerichtet, dass die Polaritäten der Magnete entgegengesetzt sind. Dies wird als magnetische Ausrichtung der Stufe 1 beschrieben. An dieser magnetischen Ausrichtung ist die Kraft der magnetischen Leitspindel, die vom Antrieb ausgeübt wird, Null. Wenn ein Magnet mit einer Nord- oder Südpolarität einem halb nach Süden und einem halb nach Norden polarisierten Magneten gegenübersteht, wird eine maximale Kraft durch den magnetischen Spindelantrieb übertragen. Auf Stufe 702, wenn die relative Verschiebung 712 25 % der maximalen relativen Verschiebung beträgt, sind Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe so ausgerichtet, dass jedes Magnetgewinde einem halben Magneten mit derselben Polarität und einem halben Magneten mit der entgegengesetzten Polarität gegenüberliegt. Dies wird als magnetische Ausrichtung der Stufe 2 beschrieben. Die vom magnetischen Spindelantrieb ausgeübte Kraft ist maximal. Wenn ein Magnet einem Magneten der gleichen Polarität gegenüberliegt, wird Null Kraft durch den magnetischen Spindelantrieb übertragen, und die Position ist instabil. Auf Stufe 703, wenn die relative Verschiebung 713 50 % der maximalen relativen Verschiebung beträgt, sind Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe so ausgerichtet, dass die Magnetgewinde der Translator-Magnetbaugruppe den Magnetgewinden der Rotor-Magnetbaugruppe gegenüberliegen. Dies wird als magnetische Ausrichtung der Stufe 3 beschrieben. Die vom magnetischen Spindelantrieb ausgeübte Kraft ist Null. In der Stufe 704 beträgt die relative Verschiebung 714 75% der maximalen relativen Verschiebung. Dies wird als magnetische Ausrichtung der Stufe 4 beschrieben. Wie bei Stufe 702 sind Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe so ausgerichtet sind, dass jedes Magnetgewinde einem halben Magneten mit derselben Polarität und einem halben Magneten der entgegengesetzten Polarität gegenüberliegt, dementsprechend ist die Kraft des magnetischen Spindelantriebs maximal. Bei Stufe 705 erzielt die relative Verschiebung 715 100 % der maximalen relativen Verschiebung. Wie bei Stufe 701 sind Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnet-Baugruppe so ausgerichtet, dass die Polaritäten der Magneten entgegengesetzt sind. Wie bei Stufe 701 wird dies als eine magnetische Ausrichtung der Stufe 1 beschrieben, und die von dem magnetischen Spindelantrieb ausgeübte Kraft beträgt Null.
stellt ein nicht einschränkendes, beispielhaftes Diagramm 720 der Spindelantriebskraft dar, die von einem magnetischen Spindelantrieb aufgewendet wird, beschrieben in einem Prozentsatz der Blockierkraft in Bezug auf die relative Verschiebung zwischen einem Rotor und einem Translator des Spindelantriebs, beschrieben in einem Prozentsatz der Leitspindel. Die magnetische Ausrichtung der Stufen 1-4 entsprechend den relativen Verschiebungen sind zusätzlich entlang der sinusförmigen Linie 721 dargestellt. Die horizontale Achse 722 stellt eine relative Verschiebung x_rel als Prozentsatz der Steigung dar. Die vertikale Achse 723 zeigt die Kraft des magnetischen Spindelantriebs in Prozent der Blockierkraft. Wie in Bezug auf beschrieben, befinden sich Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe in Stufe 701 der magnetischen Ausrichtung, und die Kraft des magnetischen Spindelantriebs beträgt Null Prozent einer maximalen Blockierkraft, wenn die relative Verschiebung x_rel bei Null Prozent Steigung liegt, wie in Stufe 1. Wenn die relative Verschiebung _Xrel 25% Steigung beträgt, wie bei Stufe 702, befinden sich Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe in einer magnetischen Ausrichtung der Stufe 2, was zu einer Kraft des magnetischen Spindelantriebs von 100 % der Blockierkraft führt. Wenn die relative Verschiebung x_rel 50 % Steigung beträgt, wie bei Stufe 703, befinden sich Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe in einer magnetischen Ausrichtung der Stufe 3, was zu einer Kraft des magnetischen Spindelantriebs von Null % der Blockierkraft führt. Wenn die relative Verschiebung x_rel 75 % Steigung beträgt, wie bei Stufe 704, befinden sich Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe in einer magnetischen Ausrichtung der Stufe 4, was zu einer Kraft des magnetischen Spindelantriebs von -100 % der Blockierkraft führt. Wenn die relative Verschiebung x_rel 100 % Steigung beträgt, wie bei Stufe 705, befinden sich Translator-Magnetbaugruppe und Rotor-Magnetbaugruppe wieder in einer magnetischen Ausrichtung der Stufe 1, was zu einer Kraft des magnetischen Spindelantriebs von Null Prozent der Blockierkraft führt. Basierend auf diesem dargestellten Verhältnis kann die Messung der relativen Verschiebung zur Schätzung der Kraft verwendet werden, die durch die magnetische Leitspindel übertragen wird.
stellt in nicht einschränkendes, beispielhaftes Diagramm 730 eines magnetischen Flusses auf einem Translator eines magnetischen Spindelantriebs dar, wie gemessen durch eingebaute Sensorvorrichtungen im Zusammenhang mit der relativen Verschiebung des Spindelantriebs, beschrieben in einem Prozentsatz der Leitspindel. Die horizontale Achse 732 stellt eine relative Verschiebung x_rel als Prozentsatz der Steigung dar. Die vertikale Achse 733 stellt den magnetischen Fluss in Millitesla [mT] dar. Die magnetische Ausrichtung der Stufen 1-4 entsprechend den relativen Verschiebungen und Magnetflüssen sind zusätzlich entlang der sinusförmigen Linie 731 dargestellt. Dieses Diagramm veranschaulicht die Korrelation zwischen der relativen Verschiebung x_rel und dem magnetischen Fluss im magnetischen Spindelantrieb. Der magnetische Fluss erreicht maximale Spitzenwerte bei Relativverschiebungen, was zu einer magnetischen Ausrichtung der Stufe 1 führt, wobei die zwei gegenüberliegenden magnetisierten Magneten einander zugewandt sind. Der magnetische Fluss erreicht minimale Spitzenwerte bei Relativverschiebungen, was zu einer magnetischen Ausrichtung der Stufe 3 führt, wobei zwei Magneten mit derselben Polarität einander zugewandt sind. Basierend auf diesem Verhältnis kann eine relative Verschiebung des magnetischen Spindelantriebs anhand eines gemessenen Magnetflusses bestimmt werden.
zeigt eine Schnittansicht eines beispielhaften magnetischen Spindelantriebs 830 mit einer Rotorschraube 850 mit einem magnetischen Innengewinde 851 und integrierten Sensorvorrichtungen 812. In dieser Ausführungsform werden die Messungen von den integrierten Sensorvorrichtungen 812 an einer Innenfläche der Rotorschraube 850 durchgeführt. Die Rotorschraube 850 verfügt über ein internes spiralförmiges Magnetgewinde 851, das aus einem Magnetstreifen aus niedrig-remanentem Ferrit sein kann. Der Translator 840 verfügt über eine interne Welle 862, die die gleiche Steigung aufweist wie das innere Magnetgewinde 851 und somit den Translator 840 entlang des Magnetgewindes 851 antreibt, während die Rotorschraube 850 dreht. Sensorvorrichtungen 812 sind in die innere Welle 862 des Translators 840 integriert. Die Position der Sensorvorrichtung wird an der Übersetzung des Translators 840 festgelegt. In dieser Ausführungsform muss die Rotorschraube eine Länge aufweisen, die größer als der Hub des magnetischen Spindelantriebs.
stellt ein Schnittbild eines magnetischen Spindelantriebs 930 dar, bei welchem eine drehbare Welle 958 mit einem Außenmagnetgewinde 959 an der drehbaren Welle 958 am Rotor 940 gekoppelt ist und sich integrierte Sensorvorrichtungen 912 in der Nähe der drehbaren Welle 958 befinden. In dieser Ausführungsform sind die Sensorvorrichtungen 912 so konfiguriert, dass Messungen an einer Außenfläche der drehbaren Welle 958 durch ein axiales Gehäuse 956 hindurch vorgenommen werden können. Das äußere Magnetgewinde 959 auf der drehbare Welle 958 hat die gleiche Steigung wie das kraftübertragende Gewinde auf der Rotorschraube 940 und auf dem Translator 950. In dieser Ausführung ist die Position der Sensorvorrichtung an der Übersetzung des Translators festgelegt, zeigt eine Querschnittansicht 901 des magnetischen Spindelantriebs 930 aus . Diese Ansicht zeigt Details zur Positionierung der Sensorvorrichtungen 912 nahe der drehbaren Welle 958.
zeigt eine Schnittansicht eines magnetischen Spindelantriebs 130 mit mindestens einer integrierten Sensorvorrichtung 112, angeordnet an einem axialen Lagergehäuse 156 des magnetischen Spindelantriebs 130. Die Sensorvorrichtung(en) 112 ist zwischen den Linearführungen 138 und dem Rotor 150 innerhalb des Translators 140 angebracht und so konfiguriert, dass die Dichte des magnetischen Flusses innerhalb des magnetischen Spindelantriebs 130 gemessen wird. Dementsprechend sind die Messungen des magnetischen Flusses der Sensorvorrichtung(en) 112 unabhängig von einer absoluten linearen Position des Rotors 150. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung(en) 112 an einer Halterung angebracht, die mit dem axialen Lagergehäuse 156 verbunden ist. Der Rotor 150 dreht sich relativ zur Sensorvorrichtung(en) 112, und der Translator 140 übersetzt relativ zur Sensorvorrichtung 112. In einer beispielhaften Verkörperung ist die Sensorvorrichtung(en) 112 so konfiguriert, dass die Dichte des magnetischen Flusses gemessen wird, und die Veränderung der Dichte des magnetischen Flusses, die von der Sensorvorrichtung(en) gemessen wird, von der unterschiedlichen Flussdichte von den Rotormagneten 154 und den Translatormagneten 144 beeinflusst wird, während der Drehung und während der Übersetzung. Bei einer konstanten Kraft des magnetischen Spindelantriebs misst die Sensorvorrichtung(en) 112 eine Veränderung in der Flussdichte, weil die Drehung und die lineare Verschiebung relativ zu der Sensorvorrichtung(en) 112 erfolgt.
zeigt eine Querschnittsansicht des magnetischen Spindelantriebs aus im Abschnitt 101. Dargestellt wird eine beispielhafte Anordnung mehrerer Sensorvorrichtungen 112, 114 und 116 um das Axiallagergehäuse 156 des magnetischen Spindelantriebs 130. In der beispielhaften Ausführung sind die Sensorvorrichtungen 112, 114 und 116 Hall-Sensoren. Drei Hall-Sensoren 112, 114 und 116 mit einer einzelnen Entfernung 120 von 120 elektrischen Grad werden auf dem Axiallagergehäuse 156 angebracht, um die Phasenverschiebung als Funktion des elektrischen Winkels auszugleichen. Platzierung der Sensorvorrichtungen 112, 114 und 116 in einem Abstand von 120 elektrischen Grad von der nächsten Sensorvorrichtung ermöglicht die Durchführung einer Messung einer kompletten magnetischen Periode 122 mit dem Einsatz von drei Sensorvorrichtungen 112, 114 und 116.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung eines magnetischen Spindelantriebs (30), umfassend: eine magnetische Leitspindel mit: einem Elektromotor (60), einem Rotor (50), der drehbar an den Elektromotor (60) gekoppelt ist; einem Translator (40); wobei der Rotor (50) eine Rotor-Magnetbaugruppe (54) umfasst, die erste Magnetgewinde bildet; wobei der Translator (40) eine Translator-Magnetbaugruppe (44) umfasst, die zweite spiralförmige Magnetgewinde bildet; wobei sich die Drehung des Rotors (50) durch den Elektromotor (60) auf die lineare Übersetzung des Translators (40) durch Interaktion der ersten und zweiten sprialförmigen Magnetgewinde auswirkt; ein externes Steuergerät (80), das elektrisch operativ an eine Elektromotorsteuerung (70) des magnetischen Spindelantriebs (30) gekoppelt ist; und mindestens eine Sensorvorrichtung (12), die in den magnetischen Spindelantrieb (30) integriert ist, und so konfiguriert ist, dass ein magnetischer Fluss im magnetischen Spindelantrieb (30) gemessen wird, der die relative Verschiebung zwischen dem Rotor (50) und dem Translator (40) angibt und der eine Änderung des magnetischen Flusses zwischen der Rotor-Magnetbaugruppe (54) und der Translator-Magnetbaugruppe (44) im magnetischen Spindelantrieb (30) umfasst, wobei die Messung des magnetischen Flusses als Rückkopplung an die Elektromotorsteuerung (70) zurückgegeben wird; wobei die Elektromotorsteuerung (70) konfiguriert ist, die relative Verschiebung zwischen dem Rotor (50) und dem Translator (40) anhand der Änderung im magnetischen Fluss zu bestimmen und die von der magnetischen Leitspindel ausgeübte Kraft anhand der bestimmten relativen Verschiebung zwischen Rotor (50) und Translator (40) zu bestimmen; dadurch gekennzeichnet , dass die Elektromotorsteuerung (70) ferner konfiguriert ist, die von der magnetischen Leitspindel ausgeübte Kraft anhand der folgenden Gleichung zu bestimmen: $F = F_{0} sin (n_{G e w i n d e} \times z)$
wobei F die Kraft der magnetischen Leitspindel ist; F₀ eine maximale magnetische Leitspindelkraft ist; n_Gewinde die Anzahl der Gewindeanfänge auf der magnetischen Leitspindel ist; und Z die relative Verschiebung zwischen Rotor (50) und Translator (40) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) einen Magnetflusssensor umfasst, der sich auf dem Translator (40) befindet und der konfiguriert ist, um den magnetischen Fluss auf dem Translator (40) zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) zwei Magnetflusssensoren umfasst, die mit einer Phasenverschiebung von 90° auf dem Translator (40) angeordnet sind, wobei die beiden Magnetflusssensoren konfiguriert sind, um den magnetischen Fluss auf dem Translator (40) zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) ein Hall-Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) auf einem Axiallagergehäuse (56) des magnetischen Spindelantriebs (30) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (12) konfiguriert ist, um ein Zeit-Derivat der relativen Verschiebung zwischen dem Rotor (50) und dem Translator (40) zu messen.