DE102016223901A1

DE102016223901A1 - Beförderungsvorrichtung mit einem Stator und einem Transportkörper zur kontrollierten Beförderung des Transportkörpers relativ zum Stator

Info

Publication number: DE102016223901A1
Application number: DE102016223901.5A
Authority: DE
Inventors: Anton Paweletz; Daniel Seiz; Markus Hanisch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beförderungsvorrichtung (10) mit einem Stator (100) und zumindest einem Transportkörper (200), wobei die Beförderungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, den Transportkörper (200) in kontrollierter Weise entlang einer Beförderungsfläche (12) relativ zum Stator (100) zu befördern. Der der Stator (100) weist zumindest eine Sendespule (104) und zumindest eine Empfangsspule (106) auf, welche nebeneinander entlang der Beförderungsfläche (12) angeordnet sind. Der zumindest eine Transportkörper (200) weist eine Transportkörperspule (202) auf. Die Beförderungsvorrichtung (10) weist ferner eine Positionsbestimmungseinheit (300) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, mittels der Sendespule (104) ein Sendesignal zu senden und mittels der Empfangsspule (106) ein Empfangssignal zu detektieren. Zudem ist die Transportkörperspule (202) derart eingerichtet, dass das Sendesignal zumindest teilweise das Empfangssignal hervorruft, wenn die Transportkörperspule (202) zumindest teilweise mit der Sendespule (104) und zumindest teilweise mit der Empfangsspule (106) überlappend angeordnet ist; und die Positionsbestimmungseinheit (300) ist ferner dazu eingerichtet, um auf Basis des Empfangssignals zumindest teilweise eine Position und/oder eine Orientierung des Transportkörpers (200) relativ zum Stator (100) zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beförderungsvorrichtung mit einem Stator und einem Transportkörper zur kontrollierten Beförderung des Transportkörpers relativ zum Stator. Die Beförderungsvorrichtung weist dabei eine Positionsbestimmungseinheit auf, um zumindest teilweise eine Position und/oder eine Orientierung des Transportkörpers relativ zum Stator zu ermitteln.
Stand der Technik
Die Weiterentwicklung und Verbesserung von Produktionssteuerungen und die Produktionsoptimierung kann oftmals in der Industrie von großer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung sein. Dabei ist der Begriff „Industrie 4.0“ ein Oberbegriff, welcher mit Fortschritten auf diesen Gebieten assoziiert wird. Ein Trend in diesem technologischen Umfeld kann dabei die Flexibilisierung der Fertigungslinien sein, bis hin zu Linien, die einzeln individualisierte Produkte herstellen können.
Von besonderem Interesse können dabei Systeme sein, welche für das zu transportierende Gut möglichst viele Bewegungsfreiheitsgrade bieten, wie etwa bis zu drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade. Dabei kann beispielsweise eine Levitationsbeförderungseinheit verwendet werden, mit welcher einer oder mehrere Transportkörper levitiert, d.h. berührungslos angehoben bzw. zum Schweben gebracht, und in eine Beförderungsrichtung befördert werden können. Eine Levitationsbeförderungseinheit kann dabei ein Stator-Kachelsystem aufweisen, bei welchem Magnetspulen derart angeordnet sind, dass ein entsprechender Transportkörper, welcher auch als „Mover“ bezeichnet werden kann, nach einem Prinzip der magnetischen Levitation frei schwebend über den Kacheln der Levitationsbeförderungseinheit bewegt und befördert werden und auf diese Weise unterschiedliche Positionen anfahren kann. Dabei kommt beispielsweise ein Planarantrieb zum Einsatz. Oftmals sind die Transportkörper mit Permanentmagneten ausgestattet, um das Levitieren durch die Levitationsbeförderungseinheit zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich können jedoch in dem Transportkörper auch durch Elektromagneten erzeugte Magnetfelder verwendet werden. Oftmals kann eine Levitationsbeförderungseinheit Induktionsspulen aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, von einem Strom durchflossen zu werden, um einen magnetischen, insbesondere permanenterregten, Transportkörper berührungslos zu levitieren und zu befördern.
Eine beispielhafte Levitationsbeförderungseinheit ist in der WO 2013/059934 A1 beschrieben. Ferner offenbart die US 6,452,292 B1 einen herkömmlichen elektrischen Planarmotor.
Die Kenntnis der genauen Position bzw. Orientierung der Transportkörper relativ zur Levitationsbeförderungseinheit kann dabei von großer Wichtigkeit sein, um eine genaue Positionierung der Transportkörper und eine sichere Beförderung zu ermöglichen. Insbesondere kann die Kenntnis der Position mit einer sub-Millimeter-Genauigkeit für manche Zwecke erforderlich sein.
Für die Regelung zur kontrollierten Beförderung von Planantrieben können magnetische Sensoren, wie etwa Hallsensoren, verwendet werden. Aus ihren Signalen werden die aktuellen Positionen x und y des Transportkörpers ermittelt. Die Sensorsignale der Hallsensoren sind jedoch oftmals durch Störungen beeinflusst, welche beispielsweise von der Leistungselektrik verursacht sein können, was ihre weitere Verarbeitung erschwert und die Positionsgenauigkeit reduziert. Eine Abschirmung gegen diese Störungen ist dabei technisch sehr aufwendig und oftmals problematisch. Auch für die Aufbereitung bzw. Auswertung der Sensorsignale sind typischerweise mehrere Annahmen bzw. Schätzungen nötig, welche die Genauigkeit abermals reduzieren.
Alternativ können rotatorische Resolver zur Positionsbestimmung in der Antriebstechnik eingesetzt werden. Sie können dabei an den Antriebswellen als separat gelagerte Elemente vorgesehen werden. Ihre Genauigkeit ist zwar oftmals sehr hoch, allerdings sind rotatorische Resolver durch die hohen Anschaffungspreise oftmals nur sehr anspruchsvollen Positionsantrieben vorbehalten.
Es ist daher wünschenswert, eine kostengünstige Beförderungsvorrichtung bereitzustellen, mit welcher eine genaue Positionsbestimmung und somit eine kontrollierte Beförderung ermöglicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Beförderungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft dabei eine Beförderungsvorrichtung mit einem Stator und zumindest einem Transportkörper, wobei die Beförderungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, den Transportkörper in kontrollierter Weise entlang einer Beförderungsfläche relativ zum Stator zu befördern. Der Stator weist zumindest eine Sendespule und zumindest eine Empfangsspule auf und der zumindest eine Transportkörper weist zumindest eine Transportkörperspule auf, welche vorzugsweise auf einer der Beförderungsfläche zugewandten Seite des Transportkörpers angeordnet ist. Ferner umfasst die Beförderungsvorrichtung eine Positionsbestimmungseinheit, die mittels der Sendespule ein Sendesignal zu sendet und mittels der Empfangsspule ein Empfangssignal detektiert, wobei das Sendesignal zumindest teilweise das Empfangssignal hervorruft, wenn die Transportkörperspule zumindest teilweise mit der Sendespule und zumindest teilweise mit der Empfangsspule überlappend angeordnet ist. Hierbei beruht das Funktionsprinzip auf einem Dreiwicklungs-Transformator. Die Positionsbestimmungseinheit ermittelt auf Basis des Empfangssignals zumindest teilweise eine Position und/oder eine Orientierung des Transportkörpers relativ zum Stator.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Beförderungsvorrichtung eine effiziente und kontrollierte Beförderung des Transportkörpers ermöglicht, ohne dafür eine Positionsbestimmung mittels Hallsensoren zu erfordern. Anstatt dessen erfolgt die Positionsbestimmung und/oder Orientierungsbestimmung mittels der Sendespule und der Empfangsspule im Stator, wobei das Empfangssignal von der Position der Transportkörperspule und somit von der Position des Transportkörpers abhängt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit keine fehlerbehaftete Signalermittlung mittels Hallsensoren zwingend erforderlich, wenngleich eine solche Positionsbestimmung zusätzlich vorgesehen werden könnte.
Die Erfindung bietet ferner den Vorteil, dass die Beförderungsvorrichtung in der Herstellung bzw. Anschaffung deutlich kostengünstiger sein kann als eine herkömmliche Beförderungsvorrichtung, welche eine große Anzahl von Hallsensoren und zugehörige, über die Statorfläche verteilte Peripherieelektronik aufweisen muss, um ein ausreichendes Maß an Genauigkeit zu erzielen.
Die Erfindung bietet zudem den Vorteil, dass die am Stator ausgebildete Sendespule und Empfangsspule und/oder die Transportkörperspule sehr dünn, d.h. mit einem in z-Richtung bzw. senkrecht zur Beförderungsrichtung sehr niedrigen Profil, ausgebildet werden können. Dies ermöglicht daher eine Anordnung der Sendespule und/oder Empfangsspule und/oder Transportkörperspule in einem Luftspalt zwischen dem Stator und dem zumindest einen Transportkörper, wobei der Luftspalt sehr klein gehalten werden kann. Auf diese Weise kann die Levitationshöhe gering gehalten werden und dadurch können auch die technischen Anforderungen an die Beförderungsvorrichtung reduziert werden, wodurch sich abermals die Herstellungskosten und der Herstellungsaufwand verringern. Dies kann insbesondere bei der Verwendung von Dreiwicklung-Transformatoren vorteilhaft sein, da diese im Wesentlichen lastfrei betrieben werden können.
Vorzugsweise sind die zumindest eine Sendespule und die zumindest eine Empfangsspule jeweils als eine Statorspule ausgebildet. Die Statorspulen sind dabei vorzugsweise dazu eingerichtet, gewünschtenfalls jeweils als Sendespule und zu anderen Zeitpunkten als Empfangsspule zu agieren. Mit anderen Worten kann der Stator mehrere Statorspulen aufweisen, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von Statorspulen dazu vorgesehen ist, sowohl als Sendespule und/oder als Empfangsspule zu dienen. Besonders bevorzugt sind die Statorspulen vorzugsweise gleichartig ausgebildet sind. Dabei kann ein und dieselbe Statorspule als Sendespule verwendet werden und zu anderen Zeitpunkten als Empfangsspule. Beispielsweise kann die Auswahl, welche Statorspule zu einem bestimmten Zeitpunkt als Sendespule und welche Statorspule als Empfangsspule verwendet wird, davon abhängen, an welcher Position sich der Transportkörper bzw. die Transportkörperspule befindet und/oder an welcher Position der Transportkörper bzw. die Transportkörperspule erwartet wird. Beispielsweise kann die Beförderungsvorrichtung derart eingerichtet sein, dass die Auswahl der Statorspulen als Sendespule und/oder Empfangsspule mit dem Transportkörper relativ zum Stator „mitwandert“, d.h. der Position des Transportkörpers entsprechend nachgeführt bzw. geändert wird.
Dies bietet den Vorteil, dass am Stator eine Mehrzahl von Statorspulen vorgesehen werden kann, deren Verwendung als Sendespule und/oder Empfangsspule entsprechend den momentanen Bedürfnissen flexibel nachgeführt werden kann. Somit ist es beispielsweise nicht erforderlich, jeweils eine separate Lage von Sendespulen und eine separate Lage von Empfangsspulen bereitzustellen. Auf diese Weise können somit der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten der Beförderungsvorrichtung gesenkt werden.
Bevorzugt umfasst die Beförderungsvorrichtung einen Planarantrieb, welche für die Beförderung des Transportkörpers relativ zum Stator eingerichtet ist. Vorzugsweise sind die Statorspulen dazu eingerichtet, um zumindest teilweise als Antriebsspulen des Planarantriebs zu agieren und zumindest teilweise als Sendespulen und/oder Empfangsspulen zu agieren. Mit anderen Worten gehören die Statorspulen zumindest teilweise zum Planarantrieb und dienen zumindest teilweise dazu, die Levitation und/oder den Vortrieb des Transportkörpers relativ zum Stator zu bewirken. Beispielsweise sind die Statorspulen zumindest teilweise als Motorspulen ausgebildet. Besonders bevorzugt werden zumindest manche der Motorspulen des Planarantriebs zu bestimmten Zeitpunkten gewünschtenfalls als Sendespule und/oder als Empfangsspule verwendet, um die Position des Transportkörpers zu bestimmen.
Dies hat den Vorteil, dass die Statorspulen mit mehreren verschiedenen Funktionen versehen werden können, und somit für den Planarantrieb und für die Positionsbestimmung nicht separate Spulen bzw. Statorspulen bereitgestellt werden müssen. Mit anderen Worten können beispielsweise zumindest manche der am Stator ausgebildeten Motorspulen des Planarantriebs auch als Sendespule und/oder Empfangsspule verwendet werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der erforderlichen Statorspulen, welche am Stator bereitgestellt werden müssen, reduziert werden, wodurch sich abermals der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten reduzieren lassen.
Vorzugsweise ist die Transportkörperspule mit einer Impedanz verbunden, welche eine Resonanzfrequenz der Transportkörperspule beeinflusst. Die Impedanz ist dabei ein Bauteil mit einem frequenzabhängigen Wechselstromwiderstand. Beispielsweise kann die Impedanz im Sinne der Beschreibung einen Kondensator und/oder eine Spule umfassen. Vorzugsweise bildet die Transportkörperspule zusammen mit der Impedanz einen elektromagnetischen Schwingkreis. Die Impedanz kann dabei derart gewählt bzw. eingerichtet werden, dass die Transportkörperspule bzw. der Schwingkreis, der vorzugsweise die Impedanz und die Transportkörperspule umfasst, eine gewünschte Resonanzfrequenz aufweist. Mit anderen Worten kann die Impedanz auf die erforderliche oder gewünschte Resonanzfrequenz des Schwingkreises bzw. der Transportkörperspule abgestimmt werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine Abkoppelung bzw. Entkopplung der Transportkörperspule von einer Steuerelektronik des Antriebes auf effektive Weise erfolgen kann und gleichzeitig eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Sende- und der Empfangsspule über die Transportkörperspule optimiert werden kann.
Dies bietet den Vorteil, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bzw. der Transportkörperspule auf das Sendesignal abgestimmt werden kann, wobei das Sendesignal vorzugsweise ein bei der Resonanzfrequenz oszillierendes, elektromagnetisches Signal umfasst. Somit kann beispielsweise bewirkt werden, dass der Schwingkreises bzw. die Transportkörperspule bei der Frequenz des Sendesignals besonders sensitiv ist und/oder bei davon abweichenden Frequenzen besonders insensitiv ist. Auf diese Weise lassen sich Einflüsse von Störquellen, wie etwa elektromagnetische Emissionen der Leistungselektronik und/oder Sendesignale von anderen Sendespulen, deren Empfang mit der jeweiligen Transportkörperspule nicht gewünscht ist, reduzieren oder gar ganz vermeiden. Somit kann auf besonders effiziente Weise die Selektivität und/oder Sensitivität des Schwingkreises bzw. der Transportkörperspule eingestellt bzw. verbessert und/oder das Signal-RauschVerhältnis verbessert werden.
Vorzugsweise weist die Beförderungsvorrichtung zumindest eine Sendespule und zumindest eine Empfangsspule zur Positionsbestimmung in eine x-Richtung entlang der Beförderungsfläche und zumindest eine Sendespule und zumindest eine Empfangsspule zur Positionsbestimmung in eine y-Richtung entlang der Beförderungsfläche auf, wobei die x-Richtung vorzugsweise senkrecht zur y-Richtung ist und vorzugsweise die zumindest eine Sendespule und die zumindest eine Empfangsspule zur Positionsbestimmung in x-Richtung senkrecht zu der Sendespule und der Empfangsspule zur Positionsbestimmung in y-Richtung angeordnet sind. Besonders bevorzugt weist die Beförderungsvorrichtung jeweils zumindest zwei Sendespulen und Empfangsspulen zur Positionsbestimmung in x-Richtung entlang der Beförderungsfläche und jeweils zumindest zwei Sendespulen und Empfangsspulen zur Positionsbestimmung in y-Richtung entlang der Beförderungsfläche auf. Insbesondere kann die Beförderungsfläche im Wesentlichen eine Ebene darstellen, welche vorzugsweise durch die x-Richtung und die y-Richtung aufgespannt wird. Beispielsweise können die Sendespule und die Empfangsspule für die x-Richtung in einer ersten Ebene und die Sendespule und die Empfangsspule für die y-Richtung in einer von der ersten Ebene verschiedenen zweiten Ebene angeordnet sein.
Beispielsweise kann der Stator ferner Statorspulen aufweisen, welche für die Positionsbestimmung in x-Richtung geeignet sein können, und Statorspulen, welche für die Positionsbestimmung in y-Richtung geeignet sein können. Die Statorspulen für die x-Richtung und die Statorspulen für die y-Richtung können dabei unterschiedlich angeordnet sein und insbesondere in unterschiedliche Richtungen verlaufen und beispielsweise senkrecht zueinander angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Positionsbestimmung in x-Richtung und in y-Richtung separat und/oder unabhängig voneinander erfolgen können. Vorzugsweise kann die Positionsbestimmungseinheit dazu eingerichtet sein, die Sendespule und/oder Empfangsspule der x-Richtung und der y-Richtung separat und unabhängig voneinander anzusteuern.
Vorzugsweise weist der Transportkörper zumindest eine erste Transportkörperspule zur Positionsbestimmung in x-Richtung und/oder und zumindest eine zweite Transportkörperspule zur Positionsbestimmung in y-Richtung auf. Besonders bevorzugt weist der Transportkörper jeweils zwei Transportkörperspulen zur Positionsbestimmung in x-Richtung und/oder zur Positionsbestimmung in y-Richtung auf. Dies hat den Vorteil, dass die Positionsbestimmung in x-Richtung und die Positionsbestimmung in y-Richtung entkoppelt werden können. Zudem wird eine Bestimmung der Orientierung des Transportkörpers parallel zur Beförderungsebene vereinfacht.
Vorzugsweise ist die zumindest eine erste Transportkörperspule mit einer ersten Impedanz verbunden und die zumindest eine zweite Transportkörperspule mit einer zweiten Impedanz verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass jeweils ein separater Schwingkreis für die Positionsbestimmung in x-Richtung und für die Positionsbestimmung in y-Richtung bereitgestellt werden kann. Besonders bevorzugt sind die erste Impedanz und die zweite Impedanz derart eingerichtet, dass die zumindest eine erste Transportkörperspule bzw. der Schwingkreis für die Positionsbestimmung in x-Richtung eine andere Resonanzfrequenz aufweist als die zumindest eine zweite Transportkörperspule bzw. der Schwingkreis für die Positionsbestimmung in y-Richtung. Auf diese Weise können die Resonanzfrequenzen derart festgelegt werden, dass nur die jeweilige, zugehörige Transportkörperspule bzw. der zugehörige Schwingkreis das jeweilige Sendesignal empfangen kann, während andere Transportkörperspulen im Wesentlichen nicht durch das jeweilige Sendesignal beeinflusst werden. Dies bietet den Vorteil, dass ein Frequenz-Multiplexing erreicht werden kann, d.h. dass für die Positionsbestimmung in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Frequenzen verwendet werden können, welche sich bevorzugt gegenseitig nicht beeinflussen und/oder stören.
Vorzugsweise wird das Sendesignal mittels jeweils zwei benachbarten Sendespulen zur Positionsbestimmung in x-Richtung und/oder mittels jeweils zwei benachbarten Sendespulen zur Positionsbestimmung in y-Richtung derart gesendet, dass das Sendesignal der zwei benachbarten Sendespulen zur Positionsbestimmung in x-Richtung bzw. das Sendesignal der zwei benachbarten Sendespulen zur Positionsbestimmung in y-Richtung eine Phasenverschiebung von 180° aufweist. Die benachbarten Sendespulen müssen dabei nicht notwendigerweise aneinander angrenzend ausgebildet sein. Insbesondere können eine oder mehrere Empfangsspulen zwischen zwei benachbarten Sendespulen angeordnet sein. Beispielsweise kann das Sendesignal in einer fortlaufenden Folge mittels mehrerer aufeinanderfolgender Sendespulen gesendet werden, so dass jeweils zwischen benachbarten Sendespulen eine Phasenverschiebung von 180° vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass sich die durch die Sendesignale von benachbarten Sendespulen in Transportkörperspulen, welche nicht für den Empfang dieser Sendesignale bestimmt sind, induzierten magnetischen Flüsse gegenseitig reduzieren oder gar ganz auslöschen können.
Besonders bevorzugt überdeckt die zumindest eine erste Transportkörperspule zur Positionsbestimmung in x-Richtung jeweils gleiche Flächen von den benachbarten Sendespulen zur Positionsbestimmung in y-Richtung und/oder die zumindest eine zweite Transportkörperspule zur Positionsbestimmung in y-Richtung jeweils gleiche Flächen von den benachbarten Sendespulen zur Positionsbestimmung in x-Richtung. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass sich die Sendesignale der Sendespulen zur Positionsbestimmung in y-Richtung in der ersten Transportkörperspule zumindest teilweise gegenseitig auslöschen können bzw. sich die Sendesignale der Sendespulen zur Positionsbestimmung in x-Richtung in der zweiten Transportkörperspule zumindest teilweise gegenseitig auslöschen können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Differenzierung der Signale der Spulen zur Positionsbestimmung in x-Richtung und in y-Richtung erreicht werden, ohne dass ein Frequenz-Multiplexing zwingend erforderlich ist, wenngleich dies mit dem Frequenz-Multiplexing kombiniert werden kann.
Bevorzugt ist die Positionsbestimmungseinheit ferner dazu eingerichtet, mittels der Positionsbestimmung in x-Richtung und der Positionsbestimmung in y-Richtung eine Positionsbestimmung in eine z-Richtung, welche senkrecht zur x-Richtung und zur y-Richtung ist, durchzuführen und/oder eine Bestimmung der Orientierung bezüglich Orientierungswinkeln des Transportkörpers in der Beförderungsebene und/oder zumindest teilweise senkrecht zur Beförderungsebene durchzuführen. Beispielsweise können die Empfangssignale für die Positionsbestimmung in x-Richtung und in y-Richtung derart kombiniert werden, dass die Orientierung bzw. Orientierungswinkel des Transportkörpers parallel zur Beförderungsfläche ermittelt werden können. Zudem kann die absolute Signalstärke des Empfangssignals auch dazu verwendet werden, einen Abstand des Transportkörpers in z-Richtung vom Stator zu ermitteln. Beispielsweise kann es dazu vorteilhaft sein, zumindest jeweils zwei Transportkörperspulen für die Positionsbestimmung in x-Richtung und für die Positionsbestimmung in y-Richtung bereitzustellen, da auf diese Weise ein Verkippen des Transportkörpers relativ zum Stator auf besonders effiziente Weise erkannt werden kann, da in diesem Fall vorzugsweise eine der Transportkörperspulen einen größeren mittleren Abstand in z-Richtung aufweist als die andere Transportkörperspule für die Positionsbestimmung in die gleiche Richtung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben, ohne jedoch auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein.
Figurenbeschreibung

1 zeigt das Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Seitenansicht;
2 zeigt das Funktionsprinzip der Kopplung zwischen der Sendespule, der Transportkörperspule und der Empfangsspule gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht;
3 zeigt die relative Anordnung der Transportkörperspule relativ zu der Sendespule und der Empfangsspule gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Seitenansicht;
4 zeigt eine schematische Darstellung der Beförderungsvorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 1 in einer Draufsicht;
5 zeigt eine schematische Darstellung der Beförderungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Draufsicht;
6 zeigt einen beispielhaft skizzierten Verlauf der Transmittanz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
7 zeigt in einer schematischen Darstellung ein bevorzugtes Funktionsprinzip der Positionsbestimmungseinheit;
8 zeigt eine Anordnung von Statorspulen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
9 zeigt eine Spulenanordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
10 zeigt eine Spulenanordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
11 zeigt eine Beförderungsvorrichtung mit einem dreiphasigen Planarantrieb gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
12 zeigt eine Beförderungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
13 zeigt eine beispielhafte Spulenanordnung für eine x-y-Entkopplung.
14 zeigt eine bevorzugte Anordnung des Schwingkreises;
15 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung des Schwingkreises;
16 stellt in einer Draufsicht einen Ausschnitt eines planaren Antriebsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dar.
17 zeigt eine Anordnung der Statorspulen zusammen mit dem lokalen Koordinatensystem des Transportkörpers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Gleiche oder ähnliche Elemente, welche in verschiedenen Figuren und/oder Ausführungsformen ausgebildet sind, sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei eine Wiederholung der entsprechenden Ausführungen vermieden wurde. Ferner wird darauf hingewiesen, dass Merkmale, welche nur in Bezug auf einzelne Ausführungsformen erläutert werden, auch in anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, wenngleich diese Merkmale in den anderen Ausführungsformen nicht explizit erläutert sind. Ferner können mehrere Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden und dennoch die Erfindung verwirklichen.
1 zeigt das Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung von der Seite. Die Beförderungsvorrichtung 10 weist dabei einen Stator 100 und einen Transportkörper 200 auf. An einer Beförderungsfläche 12, welche in der gezeigten Ausführungsform der Oberseite des Stators 100 entspricht, sind in und/oder an dem Stator 100 mehrere Statorspulen 102 angeordnet, wobei lediglich drei Statorspulen 102 gezeigt sind, wenngleich der Stator 100 auch eine größere Anzahl an Statorspulen 102 aufweisen kann. Zur Erläuterung sind die Statorspulen 102 nummeriert, wobei die mittlere Statorspule 102 durch die Nummer k bezeichnet ist, die linke Statorspule 102 durch die Nummer (k-1) und die rechte Statorspule 102 durch (k+1).
Der Transportkörper 200 weist an der der Beförderungsfläche 12 zugewandten Seite, welche in der gezeigten Darstellung die Unterseite des Transportkörpers 200 ist, eine Transportkörperspule 202 auf. Diese bildet mit einer Impedanz 204 einen elektromagnetischen Schwingkreis.
Sowohl die Statorspulen 102 als auch die Transportkörperspule 104 sind dabei als flache Spulen ausgebildet, d.h. die Leiterquerschnitte sind sehr dünn ausgebildet. Beispielsweise kann dazu eine Doppelschichtfolie mit einem entsprechenden Layout bzw. einer entsprechenden Anordnung von elektrischen Leitern ausgebildet sein. Beispielsweise können die Folienspulen eine schleifen- oder mäanderförmige Leiteranordnung und/oder eine konzentrische Leiteranordnung aufweisen. Vorzugsweise sind die Wicklungsfaktoren der Statorspulen und der Transportkörperspulen derart aufeinander abgestimmt, dass diese eine möglichst starke magnetische Kopplung ermöglichen.
Ferner weist die Beförderungsvorrichtung 10 eine Positionsbestimmungseinheit 300 auf, welche mit den Statorspulen 102 verbunden ist und diese als Sendespule 104 und als Empfangsspule 106 verwenden kann, indem Sie die jeweilige Statorspule 102 mit einem Sendesignal U_sk beaufschlagt oder ein Empfangssignal bei der entsprechenden Spule detektiert. Wird beispielsweise die Statorspule 102 an der Position k mit einem Sendesignal U_sk beaufschlagt, wird die Statorspule 102 an der Position k als Sendespule 104 verwendet, wobei in der Sendespule 104 ein magnetischer Fluss Ψ_k induziert wird. Äquivalentes gilt für den Fall, dass die Statorspulen 102 an den Positionen (k-1) und/oder (k+1) als Sendespulen 104 verwendet werden, wobei in diesen Fällen ein magnetischer Fluss Ψ_k-1 bzw. Ψ_k+1 entsprechend in den Statorspulen 102 an den jeweiligen Positionen (k-1) bzw. (k+1) erzeugt wird.
Die Positionsbestimmungseinheit kann ferner die Statorspulen 102 als Empfangsspulen 106 verwenden, wobei in diesem Fall ein an der jeweiligen Statorspule 102 anliegendes elektromagnetisches Empfangssignal detektiert wird. Die Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst ein Steuermodul 302 und vorzugsweise für jede Statorspule 102 eine Sende- und Empfangselektronik 304 (E_k bzw. E_k-i bzw. E_k+i), welche jeweils mit den Statorspulen 102, die als Sendespule 104 oder als Empfangsspule 106 verwendet werden sollen, verbunden und dazu eingerichtet ist, das Sendesignal U zu detektieren und/oder das Empfangssignal bei den jeweiligen Statorspulen 102 bereitzustellen. Das Sendesignal U kann beispielsweise als ein oszillierendes Spannungssignal ausgebildet sein.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist die Transportkörperspule 202 in x-Richtung 902 eine größere Abmessung auf als jeweils die Abmessung D_s der Statorspulen 102 in x-Richtung 902. Bevorzugt weist die Transportkörperspule 202 auch in y-Richtung 904 eine größere Abmessung auf (nicht gezeigt) als jeweils die Statorspulen 102. Besonders bevorzugt ist die Transportkörperspule 202 in ihrer Spulenfläche größer ausgebildet als jeweils die Statorspulen 102. Besonders bevorzugt ist die jeweilige Abmessung der Transportkörperspule 102 deutlich größer als die entsprechende Abmessung der Statorspulen 102 und weist beispielsweise eine Abmessung D_s + Delta auf. Die z-Richtung 906 erstreckt sich senkrecht zur Beförderungsfläche 12 in Richtung eines Luftspalts 14 zwischen dem Stator 100 und dem Transportkörper 200.
Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die Transportkörperspule 202 zumindest zwei benachbarte Statorspulen 102 zumindest teilweise überlappt, wovon bevorzugt eine als Sendespule 104 und die andere als Empfangsspule 106 verwendet wird. Wird beispielsweise die Statorspule 102 an der Position k als Sendespule 104 verwendet, so wird durch das Sendesignal U_k und den magnetischen Fluss Ψ_k auch ein magnetischer Fluss in der Transportkörperspule 202 induziert, welcher wiederum einen magnetischen Fluss Ψ_k+1 in der benachbarten, ebenfalls teilweise überlappten Statorspule 102 induziert, welche als Empfangsspule 106 verwendet wird. In der Empfangsspule 106 kann somit das Empfangssignal E_k+1 detektiert werden, wobei die Intensität bzw. Amplitude des Empfangssignals E_k+1 von der Ausprägung des Überlapps der Transportkörperspule 202 mit der Sendespule 104 und der Empfangsspule 106 abhängt.
2 zeigt das Funktionsprinzip der Kopplung zwischen der Sendespule 104, der Transportkörperspule 202 und der Empfangsspule 106 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung von oben. Gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind eine Sendespule 104 und eine Empfangsspule 106 gezeigt, welche zur Positionsbestimmung der Transportkörperspule 202 entlang der y-Richtung 904 eingerichtet sind und derart in einer länglichen Form ausgebildet sind, dass die jeweiligen Abmessungen in y-Richtung 904 kleiner sind als die jeweiligen Abmessungen in x-Richtung 902. Die Transportkörperspule 202 weist in x-Richtung 902 derartige Abmessungen auf, dass die Transportkörperspule 202 an jeder Position vorzugsweise zumindest teilweise mit der Sendespule 104 und mit der Empfangsspule 106 überlappt. In anderen Ausführungsformen können auch andere Abmessungen der Transportkörperspule 202 und/oder der Sendespule 104 und/oder der Empfangsspule 106 möglich sein, jedoch eignet sich die dargestellte bevorzugte Ausführungsform in besonderer Weise zur Positionsbestimmung.
Die Transportkörperspule 202 weist eine Impedanz 204 auf, mittels welcher zusammen mit der Transportkörperspule 202 ein Schwingkreis 206 gebildet wird, welcher symbolisch dargestellt ist. Der Schwingkreis 206 weist dabei eine Resonanzfrequenz auf, welche bevorzugt mit einer Oszillationsfrequenz des mittels der Sendespule 104 gesendeten Sendesignals zumindest teilweise überlappt oder übereinstimmt.
Durch das Sendesignal, welches beispielsweise an einem Kontaktabschnitt 104a der Sendespule 104 angelegt wird und mittels der Sendespule 104 zumindest teilweise in die Richtung der Transportkörperspule 202 gesendet wird, wird im Kopplungsbereich 208 mit der Sendespule 104 bzw. im Überlappbereich zwischen der Sendespule 104 und der Transportkörperspule 202 ein magnetischer Fluss induziert, welcher wiederum einen Stromfluss und/oder ein Spannungssignal in der Transportkörperspule 202 hervorruft. Das in der Transportkörperspule 202 hervorgerufene Spannungssignal bzw. der in der Transportkörperspule 202 hervorgerufene Stromfluss bzw. der damit einhergehende magnetische Fluss in der Transportkörperspule 202 verursachen wiederum einen magnetischen Fluss in dem Kopplungsbereich 210 mit der Empfangsspule 106, wodurch ein Empfangssignal in der Empfangsspule 106 hervorgerufen bzw. induziert wird. Das Empfangssignal kann beispielsweise über einen Kontaktabschnitt 106a der Empfangsspule 106 als Spannungssignal und/oder als Stromfluss detektiert werden.
3 zeigt die relative Anordnung der Transportkörperspule 202 relativ zu der Sendespule 104 und der Empfangsspule 106 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Seitenansicht. Insbesondere ist dabei zu erkennen, dass die Transportkörperspule 202 in einem Abstand in z-Richtung 906 über der Sendespule 104 und der Empfangsspule 106 angeordnet ist bzw. befördert wird, so dass zwischen der Transportkörperspule 202 und der Sendespule 104 sowie der Empfangsspule 106 ein Luftspalt 14 vorliegt. Vorzugsweise liegen die Sendespule 104 und die Empfangsspule in einer Ebene. Besonders bevorzugt ist der Abstand in z-Richtung 906 bzw. die Ausdehnung des Luftspalts 14 im Wesentlichen gleichmäßig, d.h. besonders bevorzugt verlaufen die Transportkörperspule 202 und die Sendespule 104 bzw. Empfangsspule 106 im Wesentlichen parallel. „Im Wesentlichen parallel“ bedeutet dabei, dass die Abweichungen von einer perfekt parallelen Ausrichtung, falls vorhanden, derart gering sind, dass die Abweichungen die Positionsbestimmung in x-Richtung 902 und/oder in y-Richtung 904 nicht oder nur derart gering beeinflussen, dass dennoch eine präzise Positionsbestimmung erfolgen kann.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Beförderungsvorrichtung 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 1 in einer Draufsicht. Der Stator 100 weist dabei eine Mehrzahl von nebeneinander angrenzend ausgebildeten Statorsegmenten 108 auf, wobei jedes Statorsegment 108 mit jeweils mehreren Statorspulen 102a und 102b ausgebildet ist. Die Statorspulen 102a weisen dabei eine Wicklung in einer Ebene auf, wobei die Wicklung in die x-Richtung 902 verläuft. Die Statorspulen 102b weisen eine Wicklung in einer Ebene auf, wobei die Wicklung in die y-Richtung 904 verläuft. Jedes Statorsegment 108 weist somit eine Mehrzahl von Statorspulen 102a und eine Mehrzahl von Statorspulen 102b auf. Ferner ist gemäß der gezeigten Ausführungsform eine Positionsbestimmungseinheit 300a für die x-Richtung und eine weitere eine Positionsbestimmungseinheit 300b für die y-Richtung bereitgestellt. Der Transportkörper ist dabei größer ausgebildet als die einzelnen Statorspulen 102a bzw. 102b.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Beförderungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Draufsicht. Gemäß der gezeigten Ausführungsform weisen die Statorspulen 102a mit Wicklung in x-Richtung 902 andere Abmessungen auf als die Statorspulen 102b mit Wicklung in y-Richtung 904.
Die Positionsbestimmung erfolgt gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform für jeden Transportkörper 200 mittels jeweils zweier Koordinatensystemen, nämlich ein Koordinatensystem des einzelnen Statorsegments 108 (xs, ys) sowie des jeweiligen Transportkörpers 200 (xm, ym).
Befindet sich der Transportkörper 200 an einer Position, an welcher sich die Transportkörperspule 202 zwischen zwei Statorsegmenten 108, beispielsweise in y-Richtung 904, befindet, ist die Kopplung der beiden überlappten Statorspulen 102 der jeweiligen Statorsegmente 108, welche als Sendespule 104 bzw. als Empfangsspule 106 fungieren, maximal, so dass das Empfangssignal, welches durch das Sendesignal hervorgerufen wird, in der Empfangsspule 106 eine maximale Intensität aufweist. Dieser Fall liegt beispielsweise bei dem Linken der beiden dargestellten Transportkörper 200 vor. In diesem Fall befindet sich der Transportkörper 200 an einer Position ym = 0.
Im Fall des Rechten der beiden gezeigten Transportkörper 200 erstreckt sich die Transportkörperspule 202 über vier Statorspulen 102b bzw. Statorsegmente 108 und vier Statorspulen 102a, welche für die Positionsbestimmung in y-Richtung 904 bzw. in x-Richtung 902 ausgelegt sind. In diesem Fall ist das in die als Empfangsspule 106 fungierende Statorspule 102b mit Wicklung in y-Richtung induzierte Signal von geringerer Intensität, da in die Transportkörperspule 202 aufgrund des geringeren Überlapps mit der Sendespule 106 ein geringerer magnetischer Fluss induziert wird und sich ferner der von der Transportkörperspule 202 wiederum in die Statorspulen 102 induzierte magnetische Fluss auf mehrere Statorspulen 102 aufteilt.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Verfahren zur Positionsbestimmung des Transportkörpers 200 erläutert. Dabei wird die Nomenklatur verwendet, wie diese auch in 1 bzw. in der zugehörigen Beschreibung verwendet wird.
Das Steuermodul 302 speist mittels der jeweiligen Sende- und Empfangselektronik 304 (E_k) ein Spannungssignal als Sendesignal U_sk(ω) in die Statorspule 102 an der Position k, welche somit als Sendespule 104 verwendet wird. Das Sendesignal ist dabei vorzugsweise ein oszillierendes Signal, welches zumindest teilweise mit der Frequenz ω oszilliert.
Beispielsweise kann die Frequenz ω eine Trägerfrequenz des Sendesignals U_sk(ω) darstellen.
In der Transportkörperspule 202 wird durch das Sendesignal U_sk(ω) ein magnetischer Fluss Ψ_sxk induziert, welcher wiederum über eine magnetische Kopplung der Transportkörperspule 202 mit der Sendespule 104 einen magnetischen Fluss in die Transportkörperspule 202 induziert, durch welchen ein Stromfluss l_m(ω) in der Transportkörperspule 202 hervorgerufen wird. Aufgrund des Überlapps der Transportkörperspule 202 mit der nachfolgenden Statorspule 102 an der Position (k+1) wird über die Transportkörperspule 202 auch in der Statorspule 102 an der Position (k+1) ein magnetischer Fluss Ψ_sx(k+1) induziert und dadurch in der Statorspule 102 an der Position (k+1) ein Spannungssignal U_s(k+1)( ω) hervorgerufen. Diese Spannung U_s(k+1)( ω) wird sodann als Empfangssignal durch die Sende- und Empfangselektronik 304 an der Position (k+1) detektiert und durch das Steuermodul 302 ausgewertet.
Die Sende- und Empfangselektroniken 304 (E(k-1), Ek und E(k+1)) können dabei nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren wie Wirbelstromsensoren. Beispielsweise können diese ein Stromsignal messen, welches durch das Sendesignal hervorgerufen wird, und beispielsweise einen positionsabhängigen Wechselstromwiderstand ermitteln, welcher sich in Abhängigkeit von der Position der Transportkörperspule 202 in x-Richtung 902 ändert.
Wird die Position des Transportkörpers 200 in x-Richtung 902 bestimmt, so kann eine Verschiebung des Transportkörpers 200 in y-Richtung, beispielsweise abweichend von einer Koordinate im Koordinatensystem des Statorsegments ys=0, die magnetische Kopplung zwischen der Sendespule 104 und der Empfangsspule 106 über die Transportkörperspule 202 reduzieren und somit das Empfangssignal abschwächen. Bei einer angrenzenden Anordnung der Statorspulen 102 kann dies jedoch zu einer Intensivierung eines Empfangssignals in einer in y-Richtung 904 angrenzenden Statorspule 102 bzw. Empfangsspule 106 führen.
Eine Reduktion der Kopplung bzw. des Empfangssignals, welche beispielsweise an einem Übergang der Transportkörperspule 202 zwischen benachbarten, angrenzenden Statorspulen 102 auftreten kann, kann beispielsweise durch eine Korrekturfunktion zumindest teilweise korrigiert werden, um Abweichungen bei der Positionsbestimmung zu vermeiden. Beispielsweise kann die Korrekturfunktion experimentell ermittelt werden und vorzugsweise in dem Steuermodul hinterlegt werden. Auf diese Weise kann sodann eine Transferfunktion, welche von der Position des Transportkörpers 200 in x-Richtung 902 und in y-Richtung 904 abhängt, bereitgestellt werden, mittels welcher sich die Position des Transportkörpers 200 ermitteln lässt.
Beispielsweise kann zur Ermittlung der Position des Transportkörpers 200 eine operatorische Transmittanz ermittelt werden, welche sich beispielsweise für die x-Richtung 902 durch eine Laplace-Transformation der Wirkkette bzw. der Empfangssignale in x-Richtung 902, d.h. der Empfangsspulen 106 zur Positionsbestimmung in x-Richtung, gemäß dem folgenden mathematischen Zusammenhang darstellen lässt: $K_{x} (p, x, y) = \frac{U_{s x (k + 1)} (p, x, y)}{U_{s x k} (p)}$
Durch die Laplace Transformation erhält man sodann für den eingeschwungenen Zustand, d.h. bei p = jω) = j2πf, eine frequenzabhängige Transmittanz der Transportkörperspule 202 bzw. des Schwingkreises 206 in Abhängigkeit von der Koordinate x bzw. der Position der Transportkörperspule in x-Richtung 902: $K_{x} (f, x, y) = \frac{U_{s x (k + 1)} (f, x, y)}{U_{s x k} (f)}$
Diese Transmittanz K_x, welche einen Frequenzgang bzw. ein Frequenzspektrum darstellt, kann in einer komplexen Phasenebene als eine Ortskurve [Re{K_x(f)},Im{K_x(f)}] dargestellt werden, wobei die Ortskurve einzelne oder mehrere Pole und/oder Maxima enthalten kann.
Oftmals sind die Statorspulen 102 und die Transportkörperspule 202 im Luftspalt 14 bzw. an diesen angrenzend zwischen dem Stator 100 bzw. dem Transportkörper 202 angeordnet. Dadurch können oftmals Beeinflussungen der Positionsbestimmung durch ein Arbeitsfeld auftreten, welches zum Levitieren und/oder Befördern des Transportkörpers 200 dienen kann. Auch können Schaltvorgänge von Frequenzumrichtern bzw. Reglern, welche beispielsweise zur Beförderung bzw. zum Antrieb des Transportkörpers 200 dienen, die Positionsbestimmung negativ beeinflussen und beispielsweise die Genauigkeit reduzieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Transmittanz K_x(f,x,y) durch eine mit der Transportkörperspule 202 verbundene Impedanz 204 beeinflusst werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 206 bzw. der Transportkörperspule 202 nicht oder nur in sehr geringem Maße mit einer Taktfrequenz und/oder mit Oberwellen eines Feldes von Magneten des Transportkörpers 200 überlappt und diese Einflüsse die Positionsbestimmung nicht negativ beeinflussen.
Besonders bevorzugt weist eine Beförderungsvorrichtung einen Planarantrieb mit einem eisenlosen Magnetkreis auf, d.h. dass im Magnetkreis keine ferromagnetischen Elemente vorhanden sind. Dies kann zur Folge haben, dass die Induktivitäten im Magnetkreis sehr klein sein können und deshalb die Transmittanzen K_x(f,x,y) bzw. K_y(f,x,y) für die Positionsbestimmung in x-Richtung 902 bzw. in y-Richtung 904 überwiegend einen reellen Anteil aufweisen und nur einen sehr geringen imaginären Anteil aufweisen.
Insbesondere ist ein eisenloser Magnetkreis eines Antriebs linear, so dass die die Transmittanz K_x(f,x,y) in x-Richtung 902, aus welcher die Position des Transportkörpers 200 in x-Richtung 902 ermittelt werden kann, aus einzelnen Transmittanzen, wie etwa K_1x und K₂X, in Koordinatensystemen der einzelnen Statorsegmente 108 wie folgt beschrieben werden kann: $K_{x} (f,x,y) = K_{1 x} (f,x,y) \cdot K_{2 x} (f,x,y)$
Die beiden Multiplikatoren K_1x und K_2X sind dabei die Transmittanzen, welche mit einzelnen Statorsegmenten 108 bzw. einzelnen Empfangsspulen 106 ermittelt wurden. Sofern eine größere Anzahl an Sendespulen zur Positionsbestimmung in eine Dimension bzw. Richtung herangezogen wird, kann die oben-genannte Multiplikation entsprechend auch eine größere Anzahl von Multiplikatoren aufweisen.
6 zeigt in einer schematischen Darstellung einen beispielhaften Verlauf einer Transmittanz K_x(f,x), welche sich aus den einzelnen Transmittanzen K_1x und K_2x bildet. Dabei ist die Transmittanz K_x gegen die Position des Transportkörpers 200 in x-Richtung 902 aufgetragen, wobei der Transportkörper seine Position entlang der y-Richtung konstant beibehält. Die eingezeichnete Länge Ds+Delta entspricht dabei wie in 1 gezeigt einer Periodenlänge zwischen zwei benachbarten Statorspulen 102.
Die Transmittanz K_1x hat dabei ihr Maximum an einer Position x=0, wobei bei dieser Position eine maximale Überlappung der jeweiligen Statorspule 102 durch die Transportkörperspule 202 vorliegt und somit der Kopplungsbereich 208 zwischen der Sendespule 104 und der Transportkörperspule 202 maximal ist. Dagegen weist die Transmittanz K_2x bei der Position x=0 ein Minimum auf. Bei der Position x = Ds+Delta erreicht dagegen die Transmittanz K_2x ihr Maximum, während K_1x ihr Minimum erreicht, da der Kopplungsbereich 208 nun zwischen der benachbarten Statorspule 102 und der Transportkörperspule 202 maximal ist.
Die gesamte Transmittanz K_x erreicht ihr Maximum, wenn die Transportkörperspule 202 zwischen den beiden benachbarten Statorspulen 102 positioniert ist. Ferner weist die Transmittanz K_x aufgrund der bevorzugt periodischen Anordnung der Statorspulen 102 einen charakteristischen, periodischen, symmetrischen Wellenverlauf auf, mittels welchem eine eindeutige Positionsbestimmung der Transportkörperspule 202 relativ zu den Statorspulen 102 erfolgen kann.
7 zeigt in einer schematischen Darstellung ein bevorzugtes Funktionsprinzip der Positionsbestimmungseinheit 300. Die Positionsbestimmung erfolgt dabei durch eine Auswertung der Transmittanzen K_x(f,x,y) und K_y(f,x,y) für die x-Richtung 902 bzw. die y-Richtung 904, welche bevorzugt in Echtzeit erfolgt. Die Korrekturfunktionen Korrekt(x) und Korrekt(y) können dabei experimentell ermittelt werden. Zur Positionsbestimmung wird zunächst die Position des Transportkörpers 200 innerhalb der Koordinatensysteme der einzelnen Statorsegmente 108 ermittelt. Die absolute Positionsbestimmung des Transportkörpers 200 relativ zum gesamten Stator 100 kann dabei über die Position relativ zu einem oder mehreren einzelnen Statorsegmenten 108 in Kombination mit der Berücksichtigung von bekannten, geometrischen Anordnungen der Statorsegmente 108 in bzw. an dem Stator 100 ermittelt werden.
8 zeigt eine Anordnung von Statorspulen 102 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere zeigt 8 eine mögliche Anordnung von Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 sowie eine geeignete Dimensionierung der Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 sowie der Transportkörperspule 202. Die Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 sind vorzugsweise länglich ausgebildet, wobei sich die Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 in ihrer Länge in die Richtung erstrecken, in welche die jeweiligen Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 nicht zur Positionsbestimmung vorgesehen sind. Beispielsweise erstrecken sich die Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 zur Positionsbestimmung in x-Richtung 902 in die y-Richtung 904 und umgekehrt. Die Länge der Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 kann vorzugsweise ein Mehrfaches der Breite w der jeweiligen Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 betragen. Die Spulen sind nebeneinander angrenzend angeordnet. Hierbei ist das Intervall zwischen zwei benachbarten Sendespulen 104 als Tx gekennzeichnet, das Intervall von einer Sendespule 104 zu einer angrenzenden Empfangsspule als RxTx. Besonders bevorzugt weisen die Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 jeweils die gleiche Breite w auf. Wie dargestellt, sind bevorzugt Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 im Wechsel angeordnet, bzw. die nebeneinander liegenden Statorspulen 102 zu jedem Zeitpunkt im Wechsel als Sendespule 104 und Empfangsspule 106 verwendet.
Um eine besonders effiziente und lückenlose Positionserfassung zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Spulenbreite der Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 derart auszugestalten, dass die Bedingung λ_RXTx < 2w erfüllt ist. Mit anderen Worten sind die Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Abstand zwischen einer Sendespule 104 und einer Empfangsspule 16 kleiner ist, als eine durchschnittliche Breite w einer Sendespule 104 oder Empfangsspule 106. Die Windungszahlen der Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 können dabei den jeweiligen Anforderungen entsprechend angepasst werden, beispielsweise in Abhängigkeit von der gewünschten Resonanzfrequenz der Transportkörperspule 202 und/oder an eine Trägerfrequenz des Sendesignals. Sofern einzeln ausgebildete, unabhängige Spulen eingesetzt werden, kann es vorteilhaft sein, den Abstand zwischen Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 möglichst klein auszubilden, um eine größere Anzahl Messspulen pro Strecke (und damit eine bessere Auflösung) zu ermöglichen.
9 zeigt eine Spulenanordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei welcher zur Positionsbestimmung Statorspulen 102 einer dreiphasigen Spulenanordnung eines Planarantriebs verwendet werden. Beispielsweise kann der Planarantrieb eine Sternverschaltung aufweisen. Hierbei wird je eine (mittlere) Spule eines Phasenpakets als Sendespule 104 oder als Empfangsspule 106 genutzt. Die oben und/oder unten liegenden Spulen des Planarantriebs werden gemäß der gezeigten Ausführungsform hingegen nicht zur Positionsbestimmung verwendet.
In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Position in mehreren Richtungen, zu erfassen, z.B. in x-Richtung 902 und beispielsweise um 90° versetzt, in y-Richtung 904. Hierbei kann es vorteilhaft sein, für die Positionsbestimmung in x-Richtung 902 und in y-Richtung 904 jeweils getrennte Transportkörperspulen 202 und/oder getrennte Schwingkreise 206, insbesondere mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, einzusetzen, die vorzugsweise auch getrennt ausgewertet werden können. Hierzu kann es notwendig sein, die Funktion der Schwingkreise 206 in die jeweils andere Dimension einzuschränken, d.h. in die Richtung, für welche der Schwingkreis 206 nicht zur Positionsbestimmung vorgesehen ist, um einen unabhängigen Betrieb der verschiedenen Schwingkreise 206 zu ermöglichen.
Eine Möglichkeit ist, die Schwingkreise 206 auf unterschiedliche Frequenzen abzustimmen, d.h. derart auszugestalten, dass diese unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Dies kann beispielsweise mittels einer entsprechenden Ausgestaltung der Impedanz 204 vorgenommen werden.
Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit ist, die Sendespulen 104 für die Positionsbestimmung in eine Richtung abwechselnd mit positiver und negativer Polarität zu betreiben und die Transportkörperspule 202 des Schwingkreises 206 geometrisch so zu gestalten, dass in der jeweils anderen Richtung der Anteil der eingekoppelten positiven und negativen Sendesignale bzw. der magnetischen Flüsse gleich groß ist, so dass diese sich zumindest teilweise gegenseitig auslöschen. Die Dimensionierung der Sendespulen 104 und/oder Empfangsspulen 106 und/oder Transportkörperspulen 202 in der Richtung, in der sie zur Positionsbestimmung vorgesehen sind, kann sich dabei an den oben beschriebenen Dimensionierungsvorschlägen orientieren (siehe 8 und 9).
Eine bevorzugte Ausgestaltung dieses Prinzips wird in 10 veranschaulicht. Hier sind zusätzlich die Empfangsspulen 106 asymmetrisch zu den Sendespulen 104 angeordnet, was den Fertigungs- bzw. Herstellungsaufwand für den entsprechenden Stator verringern kann.
Dies stellt eine mögliche Ausgestaltung dar, um eine derartige Vorrichtung zur Positionsbestimmung in einen dreiphasigen Planarantrieb mit Sternschaltung zu integrieren, wie in 11 dargestellt. Dabei werden jeweils die oberen und unteren Spulen des Planarantriebs als Sendespulen 104 bzw. Empfangsspulen 106 für die Positionsbestimmung in y-Richtung 904 verwendet.
12 zeigt eine Beförderungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, welche dazu ausgebildet ist, die Position des Transportkörpers 200 in sechs Freiheitsgraden zu erfassen, nämlich in drei translatorischen Freiheitsgraden in x, y und z-Richtung, sowie in drei rotatorischen Freiheitsgraden (Roll-, Gier- und Nickwinkel). Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist eine Anordnung von Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 für die x-Richtung dupliziert und um 90° versetzt überlagert, um als Sendespulen 104 und Empfangsspulen 106 zur Verfügung zu stehen.
Der Transportkörper 200 weist dabei vier Transportkörperspulen 202 bzw. vier Schwingkreise 206 auf. Um eine Bestimmung der sechs Freiheitsgrade zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Sendesignal, welches von einer Sendespule 104 gesendet wird, von jeweils mindestens zwei separaten Transportkörperspulen 202 empfangen und von jeweils mindestens zwei separaten Empfangsspulen 106 detektiert wird. Beispielsweise können dabei drei Transportkörperspulen 202 ausreichend sein, deren Position in der x-Richtung und/oder in der y-Richtung bestimmt wird, um daraus die Position und die Orientierung des Transportkörpers 200 in den sechs Freiheitsgraden zu bestimmen. Bevorzugt werden sowohl für die x-Richtung 902 als auch für die y-Richtung 904 jeweils zwei separate Transportkörperspulen 202 vorgesehen. Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind sowohl für die x-Richtung 902 als auch für die y-Richtung 904 jeweils zwei Transportkörperspulen 202 bzw. Schwingkreise ausgebildet, welche als X1, Y1, X2 und Y2 gekennzeichnet sind.
Bei der Positionsbestimmung kann sich ein Vorteil aus einem überbestimmten System ergeben, wenn die Positionsbestimmung in x-Richtung 902, in y-Richtung 904 und in z-Richtung 906 nicht vollständig unabhängig voneinander erfolgt. Dies ist oftmals dann der Fall, wenn eine Positionsänderung nicht direkt von einer Höhenänderung in z-Richtung 906 unterschieden werden kann. Um die Positionsbestimmung zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, die x- und y-Koordinaten der Position einer Transportkörperspule möglichst unabhängig voneinander zu erfassen. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Sendespulen 106 abwechselnd mit einem Sendesignal mit jeweils 180° Phasenverschiebung zueinander anzusteuern. Eine Ansteuerung der Sendespulen kann dabei zeitlich abwechselnd erfolgen.
13 zeigt eine beispielhafte Anordnung für die x-y-Entkopplung. Die Abmessung DYx für eine nur in y-Richtung empfindliche Transportkörperspule 202, Y1 bzw. Y2, ist so gewählt, dass der Anteil der 0°-Sendesignale der Sendespulen 104 zur Positionsbestimmung in x-Richtung 902, d.h. der Sendesignale mit 0° Phasenlage, und der 180°-Sendesignale genau gleich groß ist und sich deshalb in Summe im Wesentlichen aufhebt. Üblicherweise gilt bevorzugt DYx = 2λTx, wenn die Abstände zwischen den Sendeelektroden λTx gleich groß sind.
Für den Abstand der zwei in y-Richtung empfindlichen Strukturen Y1 und Y2 in y-Richtung gilt besonders bevorzugt dy = (N+0,5)·λRxTx mit N = 1. Der x-Abstand der in y-Richtung empfindlichen Strukturen kann frei gewählt werden.
Eine alternative bevorzugte Möglichkeit zur x-y-Entkopplung ist das oben beschriebene Frequenzmultiplexverfahren, d.h. dass für die Transportkörperspule 202 bzw. für den Schwingkreis für die x- und y-Richtung jeweils eine andere Frequenz derart gewählt wird, dass die Positionsbestimmung in der jeweiligen Richtung die Positionsbestimmung in einer anderen Richtung nicht oder möglichst wenig beeinflusst.
Je nach verfügbarem Bauraum kann es sein, dass ein elektrisch leitfähiges Element 212 oder sonstiges Material, welches die Kopplung zwischen Sendespulen 104, Empfangsspulen 106 und Transportkörperspulen 202 negativ beeinflusst, bevorzugt über dem Schwingkreis 206 angeordnet ist (vgl. 14). Bevorzugt wird in diesem Fall der Schwingkreis 206 derart verändert, dass der Schwingkreis 206 einen möglichst großen Abstand zu dem elektrisch leitfähigen Element 212 aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Schwingkreis 206 auch senkrecht zur Beförderungsfläche 12 angeordnet werden (siehe 15).
Es gibt verschiedene Ausführungsformen von Planarantrieben, bei denen die oben beschriebenen Anordnungen zur Positionsbestimmung angewendet werden können. Bevorzugt weist die Beförderungsvorrichtung einen flachen Stator 100 und einen oder mehrere Transportkörper 200 auf, die relativ zum Stator 100 befördert werden. Jeder der Statorsegmente 108 beinhaltet vorzugsweise ein mehrphasiges, zweidimensionales Wicklungssystem aus Statorspulen 102, welche in x-Richtung und in y-Richtung gewickelt ist (verteilte Wicklung). Eine alternative Ausführung der Statoren 100 beinhaltet sog. konzentrische Spulen, die nach einem vorgegebenen, konzentrischen Muster am der Stator 100 angeordnet sind.
Durch eine entsprechende Bestromung dieser Statorspulen 102 entsteht im allgemeinen Fall ein zweidimensionales (in Richtungen x und y) elektromagnetisches Wanderfeld. 16 stellt in einer Draufsicht einen Ausschnitt eines planaren Antriebsystems dar. 17 zeigt eine Anordnung der Statorspulen 102 zusammen mit dem lokalen Koordinatensystem des Transportkörpers 200.
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

WO 2013/059934 A1 [0004]
US 6452292 B1 [0004]

Claims

Beförderungsvorrichtung (10) mit einem Stator (100) und zumindest einem Transportkörper (200), wobei die Beförderungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, den Transportkörper (200) in kontrollierter Weise entlang einer Beförderungsfläche (12) relativ zum Stator (100) zu befördern, wobei - der Stator (100) zumindest eine Sendespule (104) und zumindest eine Empfangsspule (106) aufweist, welche nebeneinander entlang der Beförderungsfläche (12) angeordnet sind; - der zumindest eine Transportkörper (200) eine Transportkörperspule (202) aufweist; - die Beförderungsvorrichtung (10) ferner eine Positionsbestimmungseinheit (300) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, mittels der Sendespule (104) ein Sendesignal zu senden und mittels der Empfangsspule (106) ein Empfangssignal zu detektieren; - die Transportkörperspule (202) derart eingerichtet ist, dass das Sendesignal zumindest teilweise das Empfangssignal hervorruft, wenn die Transportkörperspule (202) zumindest teilweise mit der Sendespule (104) und zumindest teilweise mit der Empfangsspule (106) überlappend angeordnet ist; und - die Positionsbestimmungseinheit (300) ferner dazu eingerichtet ist, um auf Basis des Empfangssignals zumindest teilweise eine Position und/oder eine Orientierung des Transportkörpers (200) relativ zum Stator (100) zu ermitteln.
Beförderungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Sendespule (104) und die zumindest eine Empfangsspule (106) jeweils als eine Statorspule (102) ausgebildet sind und die Statorspulen (102) dazu eingerichtet sind, jeweils als Sendespule (104) und zu anderen Zeitpunkten als Empfangsspule (106) zu agieren, wobei die Statorspulen (102) vorzugsweise gleichartig ausgebildet sind.
Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Planarantrieb, wobei die Statorspulen (102) dazu eingerichtet sind, zumindest teilweise als Antriebsspulen des Planarantriebs zu agieren und zumindest teilweise als Sendespulen (104) und/oder Empfangsspulen (106) zu agieren.
Beförderungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transportkörperspule (202) mit einer Impedanz (204) verbunden ist, welche eine Resonanzfrequenz der Transportkörperspule (202) beeinflusst, und wobei das Sendesignal vorzugsweise ein bei der Resonanzfrequenz oszillierendes, elektromagnetisches Signal umfasst.
Beförderungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beförderungsvorrichtung (10) zumindest eine Sendespule (104) und zumindest eine Empfangsspule (106) zur Positionsbestimmung in einer x-Richtung (902) entlang der Beförderungsfläche (12) aufweist und zumindest eine Sendespule (104) und zumindest eine Empfangsspule (106) zur Positionsbestimmung in einer y-Richtung (904) entlang der Beförderungsfläche (12) aufweist, wobei die x-Richtung (902) vorzugsweise senkrecht zur y-Richtung (904) ist und vorzugsweise die zumindest eine Sendespule (104) und die zumindest eine Empfangsspule (106) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) senkrecht zu der Sendespule (104) und der Empfangsspule (106) zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) angeordnet sind.
Beförderungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Transportkörper (200) zumindest eine erste Transportkörperspule (202) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) und/oder und zumindest eine zweite Transportkörperspule (202) zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) aufweist.
Beförderungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die zumindest eine erste Transportkörperspule (202) mit einer ersten Impedanz (204) verbunden ist und die zumindest eine zweite Transportkörperspule (202) mit einer zweiten Impedanz (204) verbunden ist, wobei vorzugsweise die erste Impedanz (204) und die zweite Impedanz (204) derart eingerichtet sind, dass die zumindest eine erste Transportkörperspule (202) eine andere Resonanzfrequenz aufweist als die zumindest eine zweite Transportkörperspule (202).
Beförderungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei der Transportkörper (200) zumindest zwei erste Transportkörperspulen (202) zur Positionsbestimmung in die x-Richtung (902) und zumindest zwei zweite Transportkörperspulen (202) zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) aufweist.
Beförderungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Stator (100) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) und zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) jeweils eine Mehrzahl von Sendespulen (104) aufweist und die Positionsbestimmungsvorrichtung (300) dazu eingerichtet ist, mittels mehrerer Sendespulen (104) der Mehrzahl von Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) bzw. zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) jeweils das Sendesignal zu senden, und wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung (300) ferner dazu eingerichtet ist, das Sendesignal mittels der mehreren Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) bzw. zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) jeweils zumindest teilweise mit einer Phasenverschiebung zu senden.
Beförderungsvorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung (300) dazu eingerichtet ist, das Sendesignal mittels jeweils zwei benachbarten Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) und/oder mittels jeweils zwei benachbarten Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) derart zu senden, dass das Sendesignal der zwei benachbarten Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) bzw. das Sendesignal der zwei benachbarten Sendespulen zur Positionsbestimmung in y-Richtung (902) eine Phasenverschiebung von 180° aufweist.
Beförderungsvorrichtung (10) nach Anspruch 10 wobei die zumindest eine erste Transportkörperspule (202) zur Positionsbestimmung in die x-Richtung (902) jeweils gleiche Flächen von den benachbarten Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) überdeckt und/oder wobei die zumindest eine zweite Transportkörperspule (202) zur Positionsbestimmung in die y-Richtung (904) jeweils gleiche Flächen von den benachbarten Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (904) überdeckt, so dass sich die Sendesignale der Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in y-Richtung (904) in der ersten Transportkörperspule (202) zumindest teilweise gegenseitig auslöschen bzw. sich die Sendesignale der Sendespulen (104) zur Positionsbestimmung in x-Richtung (902) in der zweiten Transportkörperspule (202) zumindest teilweise gegenseitig auslöschen.
Beförderungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die Positionsbestimmungseinheit (300) ferner dazu eingerichtet ist, mittels der Positionsbestimmung in x-Richtung (902) und der Positionsbestimmung in y-Richtung (904) eine Positionsbestimmung in eine z-Richtung (906), welche senkrecht zur x-Richtung (902) und zur y-Richtung (904) ist, durchzuführen und/oder eine Bestimmung der Orientierung bezüglich Orientierungswinkeln des Transportkörpers (200) in der Beförderungsfläche (12) und/oder zumindest teilweise senkrecht zur Beförderungsfläche (12) durchzuführen.