DE102017003120A1 - Planar transport system and method for the simultaneous, independent handling of objects - Google Patents
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Abstract
Planares Transportsystem (1) und Verfahren zum gleichzeitigen, unabhängigen Handhaben von Objekten mit
- mindestens einem Läufermodul (2), das sich in einer ebenen xy-Grundläche (3) frei in x- und in y-Richtung verschieben kann,
- mindestens einem Statormodul (4) mit ebener xy-Grundfläche (3), das aus matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordneten Spulen (5) besteht, deren Symmetrieachse senkrecht zur xy-Grundfläche (3) angeordnet sind,
- mindestens einer Führung des Läufermoduls (2) auf dem Statormodul (4) in der xy-Grundfläche (3),
- mindestens einer Stromzuführung für die Spulen (5) und
- mindestens einer Steuerung für die Spulenströme dadurch gekennzeichnet, dass
a) ein Läufermodul (2) mindestens aus einem ebenen Magneten (7) hoher magnetischer Feldstärke mit quadratischer xy-Hauptfläche besteht, der eine Magnetisierung senkrecht zur xy-Hauptfläche aufweist,
b) die Spulen (5) in Zeilen und Spalten in einem gleichmäßigen Abstand der Spulenachsen nebeneinander angeordnet sind,
c) jedes Läufermodul (2) während der Bewegung stets mit mindestens 2 Spulenabschnitten in magnetischer Wechselwirkung steht, wodurch tangential in x- und y-Richtung und orthogonal in z-Richtung Kräfte entstehen,
d) die Spulendrähte jeder Spule (5) mit mindestens einem elektronischen Schaltkreis (8) zum individuellen Schalten des Stromes und zur individuellen Wahl der Stromrichtung verbunden sind,
e) der Schaltkreis (8) mit Betriebsspannung versorgt wird und impulsförmig Spulenstrom in verschiedener Stromrichtung in die Spule (5) einprägt,
f) nach jedem Impuls der Strom eine kurze Zeit Δt fließt,
g) die Schaltkreise (8) auf einer Leiterkarte (9) angeordnet sind,
h) die Schaltkreise (8) durch eine Steuerung (6) individuell mit Informationen versorgt werden und
i) das Läufermodul (2) mindestens ein Befestigungselement (10) zur Objektaufnahme und das Statormodul (4) Befestigungen (18) zur Positionierung auf einem Gestell aufweist.
Planar transport system (1) and method for the simultaneous, independent handling of objects with
at least one rotor module (2) which can move freely in the x and y directions in a planar xy base surface (3),
at least one stator module (4) with a planar xy base surface (3) which consists of coils (5) arranged in matrix form in rows and columns, the axes of symmetry of which are arranged perpendicular to the xy base surface (3),
at least one guide of the rotor module (2) on the stator module (4) in the xy base surface (3),
- At least one power supply for the coils (5) and
- At least one controller for the coil currents, characterized in that
a) a rotor module (2) consists of at least one flat magnet (7) of high magnetic field strength with a square xy main surface which has a magnetization perpendicular to the xy main surface,
b) the coils (5) are arranged side by side in rows and columns at a uniform spacing of the coil axes,
c) each rotor module (2) is always in magnetic interaction with at least two coil sections during the movement, whereby forces arise tangentially in the x and y direction and orthogonally in the z direction,
d) the coil wires of each coil (5) are connected to at least one electronic circuit (8) for individual switching of the current and for individual selection of the current direction,
e) the circuit (8) is supplied with operating voltage and pulse-shaped coil current in different current direction in the coil (5) impresses,
f) after each pulse the current flows a short time Δt,
g) the circuits (8) are arranged on a circuit board (9),
h) the circuits (8) are individually supplied with information by a controller (6) and
i) the rotor module (2) has at least one fastening element (10) for object reception and the stator module (4) has fasteners (18) for positioning on a frame.
Description
Die Erfindung betrifft ein planares Transportsystem und ein Verfahren zum gleichzeitigen, unabhängigen Handhaben von Objekten. Das technische Gebiet betrifft vorrangig den Transport und die Lagerung von Gütern sowie den Einsatz in flexiblen Fertigungssystemen zur Teilebereitstellung.The invention relates to a planar transport system and a method for the simultaneous, independent handling of objects. The technical area primarily concerns the transport and storage of goods as well as the use in flexible production systems for parts supply.
In der Patentschrift
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Im Verfahren ist eine zweidimensionale Bewegung und Positionierung des Fahrzeuges im Wesentlichen parallel zur Antriebsfläche angegeben. Über Stromversorgungsleitungen werden Orientierungssignale übermittelt. „Damit wird die Stelle an der Fahrfläche eines beobachteten Fahrzeugs identifiziert. Ebenfalls über die Versorgungsleitung kann das Fahrzeug mit dem zentralen Steuerrechner Informationen austauschen, insbesondere seine Position.“ Die Datenverbindung erfolgt über Informationskanäle in der Antriebsfläche. Ebenso kann über drahtlose Kommunikation gesteuert bzw. geregelt werden. Weitere Möglichkeiten sind optische oder per Funkt realisierte Verbindungen.In the method, a two-dimensional movement and positioning of the vehicle is indicated substantially parallel to the drive surface. Orientation signals are transmitted via power supply lines. "This identifies the location on the running surface of an observed vehicle. Likewise via the supply line, the vehicle can exchange information with the central control computer, in particular its position. "The data connection takes place via information channels in the drive surface. Likewise can be controlled or regulated via wireless communication. Other options are optical or wireless connections.
In der Literatur F. Mochel u.a. „Neuer Gestaltungsansatz bei aerostatisch geführten Ein- und Mehrkoordinatenantrieben“ 8. ETG/GMM-Fachtagung Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik 23.9.10 wird ein elektrodynamischer Planarantrieb mit einem Läufer aus einer Anordnung von 4 Permanentmagneten und einem Stator aus zeilen- und spaltenweise dicht angeordneten eisenlosen Spulen beschrieben. Die Spulen sind 6-strängig verschaltet, um eine Bewegung in x- oder y-Richtung zu erzielen.In the literature F. Mochel et al. "New design approach for aerostatically guided single- and multi-coordinate drives" 8th ETG / GMM Symposium Innovative Small and Micro Drive Technology 23.9.10 becomes an electrodynamic planar drive with a rotor consisting of an array of 4 permanent magnets and a stator of dense iron-free rows and columns Coils described. The coils are interconnected in 6-strands to achieve movement in the x or y direction.
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Der Erfindung verfolgt das Ziel, folgende Probleme zu lösen und lange bestehende Bedürfnisse zu befriedigen:
- 1. Planarmotoren haben im Gegensatz zu Kreuztischen den x-Motor und den y-Motor parallelkinematisch in einer xy-Ebene. Diese Direktantriebe arbeiten beispielsweise nach dem Prinzip des hybriderregten Synchronmotors wie in
DE 44 268 65 A1 - 2. Planarmotoren nach dem Stand der Technik besitzen x-Motoren und y-Motoren, die mehrphasig aufgebaut sind. Das ist notwendig, um in jedem Bewegungszustand die Bewegungsrichtung eindeutig festzulegen und einen gleichmäßigeren Bewegungsablauf herzustellen. Das erfordert Bauraum und verursacht besonders bei Planarmotoren Mehrkosten sowohl bei der Fertigung von Läufern und Statoren. Erfindungsgemäß soll das Problem gelöst werden, indem selbständig agierende Läufermodule geschaffen werden, die auch einphasig als Hüpfer arbeiten können oder die Spulen des Statormoduls so zeitversetzt angesteuert werden, dass räumlich versetzt angeordnete Läufermodule optimale Kraft erzeugen.
- 3. Planarmotoren nach dem Stand der Technik werden mit x- und y-Motoren betrieben, die in der Regel 2- oder 3phasig aufgebaut sind. Zum Betrieb wird eine 2- oder 3-phasige Steuerung oder Regelung benötigt. Durch Wahl einer größeren Phasenanzahl lassen sich im Schrittmotorbetrieb ein besserer Gleichlauf und eine höhere Positioniergenauigkeit erreichen, jedoch wird das aus Gründen höherer Kosten für die Steuerung selten angewendet. Die erfinderische Aufgabenstellung besteht darin, Motoren mit einer Vielzahl von Phasen zu schaffen ohne den Steuerungsaufwand wesentlich zu erhöhen.
- 4. Direktantriebe nach dem Stand der Technik werden in der Regel mit Sinuskommutierung betrieben. Für jede Motorphase muss ein sinusähnliches Signal erzeugt werden, wobei die Amplitude und die Frequenz variabel sind. Der Steuerungsaufwand soll erfindungsgemäß wesentlich gesenkt werden, indem digital gearbeitet wird, also lediglich die Stromrichtung umgeschaltet oder der Spulenstrom ausgeschaltet wird und der Betrieb mit einer Chopper-Steuerung erfolgt.
- 5. Bei bisherigen Planarmotoren sind in der Regel die Läufer mit einer Energie- und Informationsversorgung verbunden. Bei einem Transportsystem müssen Zuleitungen vermieden werden, und es ist wichtig, dass Läufer dicht nebeneinander agieren und dicht einparken können. Läufer aus einer Permanentmagnetanordnung dürfen sich nicht wesentlich untereinander beeinflussen.
- 6. Bisher werden in Transporteinrichtungen die Objekte einzeln von einer Annahme- zu einer Abnahmeposition gebracht. Bei größeren Distanzen wäre es dagegen günstiger, wenn Läufermodule zu einem Pulk zusammengestellt und gemeinsam transportiert werden. Ziel der Erfindung ist es, den Pulk in der Nähe der Abnahmeposition zu parken und Läufermodule mit den Objekten von dort aus schnell in die Abnahmeposition zu transportieren.
- 7. Bisher gestatten Planarläufer nur eine Bewegung in x-Richtung und/oder in y-Richtung. Sie können an beliebiger Position in der xy-Fläche nicht oder nur um einen kleinen Winkel α gedreht werden. Im Stand der Technik wird das Drehen von Objekten um kleine Winkel um die z-Achse dadurch gelöst, dass beispielsweise 2 x-Motoren und ein y-Motor verwendet werden. Eine komplette Drehung von Objekten um die z-Achse wird durch
Verwendung von 2 Planarläufern gelöst, indem ein Objektträger gelenkig mit den Läufern verbunden ist. Damit sind hohe Kosten für die Steuerungstechnik, für die Läufer und die größere Statormodulfläche verbunden. Erfindungsgemäß soll sowohl die Drehung vonkleinen Objekten mit 2 Läufermodulen als auch größerer Objekte auf einem Läufer ermöglicht werden. - 8. Im Stand der Technik ist die Steuerung oder Regelung jedes einzelnen Läufers vorgesehen. Dazu muss jeder Läufer in definierter Lage referenziert werden oder die Startposition muss gemessen werden. In einem planaren Transportsystem sind meistens nur die Start- und die Zielposition von Bedeutung, und die Behandlung der Läufer ist mit einer Priorität zu versehen. Bisher ist kein Planarmotor bekannt, der Läufer in der Gruppe betreiben kann. Läufer sollen selbständig auf Fahrwegen an Hindernissen vorbei fahren und sich überholen können. Die Bewegung einer Gruppe von Läufern kann nicht mehr durch Programmierung einzelner Bahnkurven gesteuert werden. Bisher ist nicht bekannt, wie sich Läufer in der Gruppe bewegen und individuelle Zielpositionen auf kürzestem Wege ohne Kollision finden. Dabei soll eine Vielzahl von Läufern gleichzeitig effektiv agieren.
- 9. Transportsysteme nach dem Stand der Technik sind mit externen Messsystemen zur Positionsbestimmung von Läufern ausgestattet bzw. die Integration des Positionsmesssystems mit dem Planarmotor ist gering. Damit sind die Kosten zu hoch, die Messsysteme sind im Bewegungsraum störend oder zu unsicher, um bei einer Vielzahl von Läufern Fehlpositionierungen oder Kollisionen auszuschließen.
- 10. Bei Verwendung einer Vielzahl von Läufern besteht das Erfordernis, dass Läufer auf einfache Weise und sicher an beliebiger Position in der xy-Fläche hinzugefügt oder entfernt werden können. Ein aufwendiges Referenzieren soll vermieden werden.
- 11. Bisher ist keine kostengünstige Steuerung bekannt, mit der die Positionskontrolle und die Bewegung einer großen Anzahl von Läufern in der xy-Ebene beherrscht werden.
- 12. Im Mittelpunkt steht bei der gleichzeitigen und unabhängigen Handhabung insbesondere von vielen Objekten über große Fahrwege stets die Kostensenkung. Das Transportsystem soll in hohem Maße modular aufgebaut sein. Die Stator- und Läufermodule müssen sich ohne hohe Anforderungen an die Toleranzen leicht zu größeren Einheiten zusammensetzen lassen und eine hohe Kraftdichte gestatten. Das Gestellsystem, auf dem die Statormodule zu befestigen sind, muss kostengünstig gefertigt und montiert werden können.
- 1. In contrast to cross tables, planar motors have the x-motor and the y-motor parallel kinematic in an xy-plane. These direct drives work, for example, on the principle of the hybrid-excited synchronous motor as in
DE 44 268 65 A1 - 2. Planar motors according to the prior art have x-motors and y-motors, which are constructed multi-phase. This is necessary in order to clearly define the direction of movement in each movement state and to produce a more uniform movement sequence. This requires installation space and, especially for planar motors, causes additional costs both in the production of rotors and stators. According to the invention, the problem is to be solved by independently operating rotor modules are created, which can also work as a single-phase hops or the coils of the stator module are controlled in time so that spatially staggered rotor modules generate optimal force.
- 3. Planar motors according to the prior art are operated with x and y motors, which are usually constructed in 2 or 3 phases. For operation, a 2- or 3-phase control or regulation is required. By choosing a larger number of phases, better tracking and positioning accuracy can be achieved in stepper motor operation, but this is rarely used for reasons of increased control cost. The inventive task is to create motors with a variety of phases without significantly increasing the control effort.
- 4. Direct drives according to the prior art are usually operated with sinusoidal commutation. For each motor phase, a sinusoidal signal must be generated, the amplitude and the frequency being variable. The control effort according to the invention is to be substantially reduced by working digitally, so switched only the current direction or turned off the coil current and the operation is done with a chopper control.
- 5. In previous planar motors, the runners are usually connected to an energy and information supply. In a transport system, supply lines must be avoided, and it is important that runners can operate close together and park tightly. Runners from a permanent magnet arrangement must not influence each other significantly.
- 6. So far, the objects are brought individually in transport facilities from an acceptance to a decrease position. For larger distances, however, it would be cheaper if runner modules are assembled into a pulp and transported together. The aim of the invention is to park the pulp in the vicinity of the removal position and to transport runner modules with the objects from there quickly to the removal position.
- 7. So far Planarläufer allow only one movement in the x-direction and / or in the y-direction. They can not be rotated at any position in the xy surface or only rotated by a small angle α. In the prior art, rotating objects by small angles about the z-axis is accomplished using, for example, 2 x motors and a y motor. A complete rotation of objects about the z-axis is accomplished by using 2 planar rotors by hinging a slide to the rotors. This involves high costs for the control technology, for the rotor and the larger stator module surface. According to the invention, both the rotation of small objects with 2 rotor modules as well as larger objects on a rotor should be made possible.
- 8. In the prior art, the control or regulation of each individual runner is provided. For this purpose, each runner must be referenced in a defined position or the start position must be measured. In a planar transport system, usually only the start and the destination position are important, and the treatment of the runners has to be given a priority. So far, no planar motor is known that can run runners in the group. Runners should be able to independently drive past obstacles on driveways and overtake themselves. The movement of a group of runners can no longer be controlled by programming individual trajectories. So far it is not known how runners in the group move and find individual target positions on the shortest path without collision. A large number of runners should act effectively at the same time.
- 9. Transport systems according to the prior art are equipped with external measuring systems for determining the position of runners or the integration of the position measuring system with the planar motor is low. Thus, the costs are too high, the measuring systems are disturbing or too uncertain in the movement space to exclude misalignments or collisions in a large number of runners.
- 10. When using a plurality of runners, there is a requirement that runners can be added or removed easily and safely at any position on the xy surface. A complex homing should be avoided.
- 11. So far, no cost control is known, with the position control and the movement of a large number of runners are dominated in the xy plane.
- 12. The focus is always on the simultaneous and independent handling, especially of many objects on long driveways, the cost reduction. The transport system should be highly modular. The stator and rotor modules must be easy to assemble into larger units without high tolerances requirements and allow a high power density. The rack system on which the stator modules are to be mounted must be inexpensive to manufacture and install.
Für die Erfindung wird mit den angegebenen Patentansprüchen Schutz begehrt.For the invention protection is sought with the specified claims.
Die erfinderische Idee besteht darin, dass sich einzelne Permanentmagnete oder Magnetanordnungen auf einer Fläche von zeilen- und spaltenweise angeordneten Spulen gleichzeitig und unabhängig bewegen lassen. Dazu werden die Spulen individuell programmgesteuert geschaltet. An der Spulenoberseite können Hallsensoren zur Positionserfassung des Läufers und/oder eine Leuchtdiode zum Erkennen des Zustandes der Bestromung der Spulen angeordnet sein.The inventive idea is that individual permanent magnets or magnet arrangements can be moved simultaneously and independently on a surface of coils arranged in rows and columns. For this purpose, the coils are switched individually programmatically. Hall sensors for detecting the position of the rotor and / or a light-emitting diode for detecting the state of the current supply to the coils can be arranged on the upper side of the coil.
Im Hauptanspruch 1 wird dargestellt, wie ein Läufermodul aus einem einzelnen Permanentmagneten oder einer einfachen Anordnung von Magneten auf einem Statormodul aus einem Array von Spulen bewegt werden kann. Der Permanentmagnet muss eine hohe Magnetflussdichte und deshalb eine hohe Magnetfeldstärke aufweisen. Während der Bewegung muss das Läufermodul mindestens mit 2 Spulen in magnetischer Wirkverbindung stehen. In einem Unteranspruch wird später dargestellt, dass zum Positionieren und Parken auch die Wirkverbindung zu einer Spule ausreichen kann. Das Statormodul besitzt eine parallele Grundstruktur derart, dass jede Spule mit mindestens einem Schaltkreis in Form einer leistungselektronischen Schaltung, jeder Schaltkreis mit einer Spannungs- und Informationsversorgung verbunden ist und jede Spule unabhängig von den anderen von einer Steuerung betrieben werden kann.In the
Der Spulendraht jeder Spule ist mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden ist. Der Schaltkreis wird mit einer Betriebsspannung und möglichst einer Stromeinprägung versorgt, die Strom in positiver Richtung und in negativer Richtung gestattet und mit der der Strom ausgeschaltet werden kann. Der Strom soll beispielsweise unter Verwendung eines Kondensators eine kurze Zeit lang fließen und zur Vermeidung einer Überlastung selbständig ausgeschaltet werden. Wenn der Strom längere Zeit fließen soll, dann erfolgt das durch Pulsen (Choppern). Die Amplitude des Stromes wird durch die Pulsamplitude, die Pulsdauer und die Pulsfrequenz eingestellt.The coil wire of each coil is connected to an electronic circuit. The circuit is supplied with an operating voltage and if possible a current injection, which allows current in the positive direction and in the negative direction and with which the power can be turned off. For example, the current should flow for a short time using a capacitor and be turned off automatically to avoid overloading. If the current is to flow for a long time, this is done by pulsing (chopping). The amplitude of the current is set by the pulse amplitude, the pulse duration and the pulse frequency.
Es wird eine Leiterkarte angegeben. Von der Oberseite aus werden die eventuell vorher verstärkten Drähte der Spulen durch die Leiterkarte gesteckt. Die Schaltkreise sind in der Nähe der Spule auf der Unterseite der Leiterkarte angeordnet. Auf der Leiterkarte können Adressbus, Datenbus, Steuerleitungen sowie die Versorgungsleitungen für die Betriebsspannung und weitere elektronische Bauelemente angeordnet sein. Ein Rechner ist angegeben, der individuelle Informationen an die Schaltkreise liefert. Im Verfahrensanspruch wird der Ablauf der schrittweisen Bestromung der Spulen zur Durchführung der Bewegung näher beschrieben.A printed circuit board is specified. From the top of the possibly previously reinforced wires of the coils are inserted through the circuit board. The circuits are located near the coil on the underside of the circuit board. On the circuit board address bus, data bus, control lines and the supply lines for the operating voltage and other electronic components can be arranged. A calculator is provided which provides individual information to the circuits. In the method claim, the sequence of the stepwise energization of the coils for carrying out the movement is described in detail.
Damit erfolgt eine Abgrenzung zum Stand der Technik, der unter Philips genannt wurde, wo ein Permanentmagnet zur Krafterzeugung nur mit einer Spule in Verbindung steht, die Spulen nicht matrixförmig angeordnet sind und phasenweise mit Strom versorgt werden.This is a distinction from the prior art, which has been called Philips, where a permanent magnet for generating power is connected only to a coil, the coils are not arranged in a matrix and are supplied in phases with power.
Im Nebenanspruch 2 wird das Verfahren und Wesen der Krafterzeugung genauer beschrieben. In einer Experimentaleinrichtung wurden Spulenströme in Form eines Bestromungsmusters digital geschaltet, um die Bewegung in x-Richtung und y-Richtung zu zeigen. Dabei ist die Nutzung aller Spulen sowohl für die x- als auch für die y-Richtung das Neue. Im Spulenunterteil verlaufen magnetische Feldlinien parallel zur xy-Fläche und erzeugen Anziehungs- und Abstoßungskräfte. Die Gestaltung von Schwebekräften ist für den Planarmotor mit Gleitführung von grundsätzlicher Bedeutung. Deshalb ist im Gegensatz zum symmetrisch aufgebauten elektrodynamischen Motor die Spulenhöhe im Vergleich zum Spulendurchmesser höher.In
Die räumliche Verteilung der Magnetflussdichte eines Solenoids in Luft wird in der Literatur „Magnetic Materials“ auf Seite 19 dargestellt, und der typische Verlauf der magnetischen Feldlinien wird gezeigt. In einer Grafik wird der Verlauf der magnetischen Feldstärke H in Abhängigkeit von der z-Koordinate und von der Stromstärke angegeben. Die Feldstärke ist an den Polen nur etwa halb so groß wie im Spulenzentrum. Die Magnetflussdichte B = µo * H ist bei eisenlosen Spulen relativ gering. Die magnetische Feldstärke ist etwa H = I * w / Wurzel (d2 + h2), also dem Strom I und der Windungszahl w proportional. Mit d ist der Spulendurchmesser und mit h die Spulenhöhe gekennzeichnet. Die zulässige Stromstärke ergibt sich aus der zulässigen Stromdichte, die von der Einschaltdauer und der Erwärmung abhängig ist. Die Windungszahl soll möglichst hoch sein. Aber eine hohe Induktivität L = w2 / magnetischer Widerstand erfordert eine hohe Spannung zur Stromeinprägung. Die max. Spannung soll aus Kostengründen auf 70 V begrenzt sein. Der Kupferfüllfaktor soll hoch sein, denn ein großer Spulendurchmesser d und eine große Spulenhöhe h vermindern die magnetische Feldstärke.The spatial distribution of the magnetic flux density of a solenoid in air is presented in the literature "Magnetic Materials" on
In „Magnetic Material“ auf S. 24 wird in einer Grafik der typische Verlauf der magnetischen Feldstärke eines quaderförmigen Permanentmagneten in z-Richtung (senkrecht zur xy-Grundfläche) in Abhängigkeit von der Distanz z des Messpunktes von der Magnetgrundfläche angegeben. Die magnetische Feldstärke ist am Rand des Magneten etwa halb so groß wie im mittleren Bereich. Die Magnetflussdichte B des Magneten ist im Bereich des Zusammenwirkens der Magnetfelder um ein Vielfaches größer als die Magnetflussdichte, die in der Nähe des Spulendrahtes erzeugt wird. Die Kraftwirkung im Raum der Überschneidung der Magnetfelder ergibt sich nach Lorentz aus dem Vektorprodukt Kraft F = Stromstärke Ix Magnetflussdichte B * Drahtlänge 1. Daraus ergeben sich die skalaren Kraftkomponenten zu Fx = Iy * Bz * l, Fy = Ix * Bz * l, Fz = Iy * Bx * l, Fz = Ix * By * l, Fx = Iz * By *1 und Fy = Iz * Bx * l.In "Magnetic Material" on page 24, the typical course of the magnetic field strength of a parallelepiped-shaped permanent magnet in the z-direction (perpendicular to the xy-base) as a function of the distance z of the measuring point from the magnetic base is indicated in a graph. The magnetic field strength is about half as large at the edge of the magnet as in the middle region. The magnetic flux density B of the magnet is many times greater in the region of interaction of the magnetic fields than the magnetic flux density generated in the vicinity of the coil wire. According to Lorentz, the force effect in the space of the intersection of the magnetic fields results from the vector product force F = current intensity Ix magnetic flux density B *
In der xz-Ebene ergibt sich nach der „Drei-Finger-Regel“ im Drahtbereich der Spule eine Kraft in x-Richtung, wenn der Vektor der technischen Stromrichtung in y-Richtung und der Vektor der Magnetflussdichte in z-Richtung wirken. In der xz-Ebene ergibt sich auch eine Kraft in z-Richtung, wenn der Stromvektor in y-Richtung und der Vektor der Magnetflussdichte in x-Richtung wirken. Nach der „Drei-Finger-Regel“ ist die Kraft Fz entgegen der z-Koordinate gerichtet. Sie stellt eine abstoßende Kraft zwischen Magnet und Spule dar, wird als Schwebekraft bezeichnet und trägt zur Verringerung der Reibung in der Gleitführung bei. Interessant ist auch die Entstehung einer Kraft Fx, wenn mindestens eine Komponente des Stromvektors in z-Richtung und eine Komponente des Vektors der Magnetflussdichte in y-Richtung zeigen. Eine entsprechende Betrachtung kann in der yz-Ebene durchgeführt werden.In the xz plane, according to the "three-finger rule" in the wire region of the coil, a force results in the x direction when the vector of the technical current direction in the y direction and the vector of the magnetic flux density in the z direction. In the xz plane, there is also a force in the z direction when the current vector acts in the y direction and the vector of the magnetic flux density in the x direction. According to the "three-finger rule", the force Fz is directed against the z-coordinate. It represents a repulsive force between magnet and coil, called hovering force and contributes to the reduction of friction in the sliding guide. The generation of a force Fx is also interesting if at least one component of the current vector in the z-direction and one component of the vector show the magnetic flux density in the y-direction. A corresponding consideration can be carried out in the yz-plane.
Der differentielle Kraftvektor dF am vektoriellen Leiterelement dl, das sich an einem Ort des Vektors der Magnetflussdichte B befindet und vom Strom I durchflossen wird, kann auch nach folgendem Vektorprodukt berechnet werden: dF = I * (dl x B). Damit wird die Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter im magnetischen Feld angegeben. In einem Schnitt durch die Zylinderspule in der xz-Ebene ist das vektorielle Leiterelement dl auf der einen Seite in y gerichtet und auf der anderen Seite in -y. Wenn beidseitig der Vektor der Flussdichte in Richtung -z zeigt, dann sind die Kraftvektoren auf beiden Seiten vom gleichen Betrag und entgegen gerichtet. Wenn Magnet und Spule im Bereich des Zusammenwirkens verschiedene Pole aufweisen, dann verlaufen die Kraftvektoren in Richtung Spulenmitte, und der Magnet nimmt in der xz-Ebene eine stabile Position ein. The differential force vector dF at the vectorial conductor element dl, which is located at a location of the vector of the magnetic flux density B and is traversed by the current I, can also be calculated according to the following vector product: dF = I * (dl x B). This indicates the force acting on a current-carrying conductor in the magnetic field. In a section through the cylindrical coil in the xz plane, the vectorial conductor element dl is directed on one side in y and on the other side in -y. If on both sides the vector shows the flux density in direction -z then the force vectors on both sides are of the same magnitude and opposite. When the magnet and coil have different poles in the region of interaction, the force vectors are in the coil center direction and the magnet assumes a stable position in the xz plane.
Der Vektor der Magnetflussdichte B weist besonders in größerem Abstand von der xy-Grundfläche auf der einen Seite eine Komponente Bx und auf der anderen Seite eine Komponenten -Bx auf. Dadurch entsteht in beiden Spulenseiten eine Kraftkomponente Fz mit gleichem Betrag und gleicher Richtung, was einer Anziehungskraft entspricht.The vector of the magnetic flux density B has a component Bx at a greater distance from the xy base surface on one side and a component -Bx on the other side. As a result, in both coil sides, a force component Fz with the same amount and the same direction, which corresponds to an attractive force.
Weisen Magnet und Spule eine unterschiedliche Polung auf, so verlaufen beide Kraftkomponenten Fx in Richtung Spulenrand, und die symmetrische Lage des Magneten über der Spulenmitte ist instabil. In dem Falle weisen beide Kraftkomponenten Fz in die entgegengesetzte Richtung, was einer Abstoßungskraft (Schwebekraft) entspricht.If the magnet and the coil have a different polarity, then both force components Fx run in the direction of the coil edge, and the symmetrical position of the magnet above the coil center is unstable. In this case, both force components Fz in the opposite direction, which corresponds to a repulsive force (levitation force).
Im allgemeinen Fall entstehen differentielle Kraftvektoren dF in Abhängigkeit vom Betrag und der Richtung des Vektors B an der Stelle des betrachteten Leiterelementes dl. Der Strom ist ein Proportionalitätsfaktor.In the general case, differential force vectors dF arise as a function of the magnitude and the direction of the vector B at the location of the considered conductor element d1. The current is a proportionality factor.
Da die Leiterelemente einen Abstand vom Schwerpunkt des Läufermoduls aufweisen, wirken auf den Läufer außer den Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz auch die Komponenten Mx, My und Mz des Drehmomentvektors M.Since the conductor elements have a distance from the center of gravity of the rotor module, act on the rotor in addition to the force components Fx, Fy and Fz and the components Mx, My and Mz of the torque vector M.
In der xy-Grundfläche wirkt die Reibungskraft Fr = µ * Fz, wobei bei Beginn und Ende der Bewegung ein Wechsel zwischen dem Haftreibungskoeffizienten µo und dem Gleitreibungskoeffizient µ auftritt Eine Reibungskraft tritt nur auf, wenn die Normalkraft aus der Summe von Motorkraft und äußeren Kräften eine Druckkraft in der xy-Grundfläche darstellt. Durch die Überlagerung des Magnetfeldes des Läufermoduls mit dem Magnetfeld der Spule entstehen auch Kräfte zwischen Magnetpolen. Bei der Berechnung der Kräfte und Momente im Raum ist auch die Lage der Schwerpunkte vom Läufer und vom zu transportierenden Objekt zu beachten.In the xy base, the frictional force Fr = μ * Fz, wherein at the beginning and end of the movement, a change between the coefficient of static friction μo and the sliding friction coefficient μ occurs A friction force occurs only when the normal force of the sum of engine power and external forces a Represents compressive force in the xy base area. The superimposition of the magnetic field of the rotor module with the magnetic field of the coil also creates forces between magnetic poles. When calculating the forces and moments in space, the position of the center of gravity of the runner and the object to be transported must also be taken into account.
Um Gewährung des Verfahrensanspruchs wird gebeten, weil wesentliche Schlussfolgerungen daraus für weitere Ansprüche erwachsen:
- - Die magnetischen Feldlinien des Magneten sollen fokussiert und in das Innere der Spule gelenkt werden.
- - Die Spule soll so hoch ausgeführt werden, dass der überwiegende Teil der vom Magneten erzeugten Magnetfeldlinien durch den Wickelraum gehen.
- - Der Wickelraum im Bereich der Oberfläche des Statormoduls ist für die Erzeugung der Schubkräfte Fx und Fy am wichtigsten. Die Gleitschichten des Läufermoduls und des Statormoduls sollen dünn sein. Durch einen Rechteckquerschnitt der Spule besonders im oberen Spulenbereich wird der Raum mit der größten Magnetflussdichte besser ausgenutzt.
- - Durch eine Schrägwicklung können zusätzliche Schubkräfte Fx und Fy erzeugt werden.
- - Mit einer Magnetanordnung erzeugte Vektorkomponenten der Magnetflussdichte in x- und y-Richtung führen zu Schwebe- oder Anzugskräften. Schwebekräfte führen zur Verringerung der Reibung und damit zu höherer Dynamik. Anzugskräfte können zur verbesserten Führung des Läufermoduls beitragen und sind für den Betrieb von Läufermodulen über Kopf notwendig.
- - Liegt beispielsweise ein Magnet zentrisch auf einer Spule, dann heben sich die Schubkräfte auf, die unterhalb der xy-Grundfläche wirken. In Abhängigkeit von der Stromrichtung wird das Läufermodul angezogen oder es schwebt in einem instabilen Zustand. Mit der Korkenzieher-Regel (auch als Rechte-Faust-Regel bezeichnet) lässt sich in Abhängigkeit von der technischen Stromrichtung der Nordpol ermitteln.
- - Der Magnet wird am besten positioniert, wenn er in
der Mitte von 4 Spulen, die mit Strom in gleicher Richtung versorgt werden, angeordnet ist und sich die Pole vom Magnet und den Spulen anziehen. Wenn die 4 Spulen mindestens einen kurzen Impuls in entgegengesetzter Stromrichtung erhalten, kann ein kurzzeitiges Schweben und eine genauere Ausrichtung in dieser Position erreicht werden. Durch Pulsen lässt sich fühlen, ob das Läufermodul auf einer bestromten Spule in Wirkverbindung steht. Damit kann eine zusätzliche Sensorik eingespart werden. - - Da die Motorkräfte im Inneren der Spule auftreten und an Hebelarmen wirken, muss auch die Wirkung der Drehmomente berücksichtigt werden.
- - Von jeder in Wirkverbindung mit dem Läufer stehenden Spule gehen während der Bewegung Motorkräfte und Motormomente aus, die von der Position des Läufers und vom Betrag und der Richtung des Stromes abhängig sind. Zu jeder Position muss zur Realisierung der Bewegungsaufgabe ein Bestromungsmuster berechnet und realisiert werden.
- - Ein Läufermodul kann von einem Bestromungsmuster von Nachbarspulen begleitet werden, das das Bewegungsverhalten unterstützt. Es können Bestromungsmuster programmiert werden, um die Verdrehung eines Läufers zu vermeiden oder zu beeinflussen. Geeignete Bestromungsmuster können gestaltet werden, um in Bewegungsrichtung des Läufers eine zusätzliche Kraft aufzubringen, die im Falle eines instabilen Zustandes die weiterführende Bewegungsrichtung bestimmt.
- - The magnetic field lines of the magnet should be focused and directed into the interior of the coil.
- - The coil should be made so high that the majority of the magnetic field lines generated by the magnet go through the winding space.
- - The winding space in the area of the surface of the stator module is the most important for generating the thrust forces Fx and Fy. The sliding layers of the rotor module and the stator module should be thin. A rectangular cross-section of the coil, especially in the upper coil area, makes better use of the space with the greatest magnetic flux density.
- - By an oblique winding additional thrust forces Fx and Fy can be generated.
- - Vector components of the magnetic flux density in x- and y-direction generated with a magnet arrangement lead to levitation or attraction forces. Floating forces lead to a reduction in friction and thus to greater dynamics. Tightening forces can contribute to the improved guidance of the rotor module and are necessary for the operation of overhead runner modules.
- - If, for example, a magnet is centered on a coil, then the thrust forces that act below the xy base surface cancel each other out. Depending on the current direction, the rotor module is attracted or floats in an unstable state. With the corkscrew rule (also known as rights-fist rule) can be determined depending on the technical direction of the current north pole.
- - The magnet is best positioned if it is placed in the middle of 4 coils supplied with current in the same direction and the poles of the magnet and the coils attract each other. If the 4 coils receive at least one short pulse in opposite current direction, a brief hovering and a more accurate alignment can be achieved in this position. Pulses can be used to determine whether the rotor module is in operative connection with an energized coil. Thus, an additional sensor can be saved.
- - Since the motor forces occur inside the coil and act on lever arms, the effect of the torques must be considered.
- - Of each standing in operative connection with the rotor coil go out during the movement of engine forces and engine torque from the Position of the runner and the amount and direction of the current are dependent. For each position an energization pattern has to be calculated and realized to realize the motion task.
- - A rotor module can be accompanied by an energizing pattern of neighboring coils, which supports the movement behavior. It can be programmed Bestromungsmuster to avoid the rotation of a runner or affect. Suitable Bestromungsmuster can be designed to apply an additional force in the direction of movement of the rotor, which determines the further direction of movement in the case of an unstable state.
Der Bewegungsablauf eines Läufermoduls und eines Läufers wird später im Verfahren und anhand eines Beispiels in den Figuren gezeigt.The motion sequence of a rotor module and a rotor will be shown later in the method and by way of example in the figures.
Integriert man die Kraftvektoren in den finiten Elementen einer Spule, so erhält man einen Kraftvektor und einen Drehmomentvektor, der von der Position des Läufers gegenüber der Spule abhängig ist. Die Kraft- und Drehmomentvektoren von jeder in Wirkverbindung stehenden Spule können nach der Matrizenrechnung addiert werden. Die während der Bewegung am Läufermodul angreifenden statischen und dynamischen Beanspruchungen in Form von Kräften und Drehmomenten ändern sich nach Gesetzen, die durch FEM-Berechnungen oder experimentell ermittelt werden können. Die Beanspruchungen an Läufern, die aus mehreren Läufermodulen bestehen, können zumindest näherungsweise aus der Summe der Beanspruchungen am Läufermodul ermittelt werden.By integrating the force vectors in the finite elements of a coil, one obtains a force vector and a torque vector, which is dependent on the position of the rotor relative to the coil. The force and torque vectors from each coil in operative connection can be added after the matrix calculation. The static and dynamic stresses in the form of forces and torques acting on the rotor module during movement change according to laws that can be determined by FEM calculations or experimentally. The stresses on runners, which consist of several rotor modules, can be determined at least approximately from the sum of the stresses on the rotor module.
Sind Matrizen für jeden Läufertyp sowie für jede Läuferposition gefunden und gespeichert, dann können die Stromamplitude und Stromrichtung zur Erfüllung der Bewegungsaufgabe gemäß Berechnungsprogramm in Form von Software-Routinen aus dem Speicher ausgelesen werden. Der Einfluss der Geschwindigkeit auf die optimale Steuerung kann im Rechenprogramm erfasst werden.If matrices have been found and stored for each rotor type and for each rotor position, then the current amplitude and current direction can be read from the memory in the form of software routines in order to fulfill the motion task according to the calculation program. The influence of the speed on the optimal control can be recorded in the calculation program.
Im Anspruch 2 wird der Einfluss von benachbarten Spulen angegeben, die nicht bevorzugt sondern nur von einem kleineren Teil der Magnetfeldlinien des Läufermoduls durchdrungen werden. Wenn in der Nähe eines Läufermoduls kein weiteres Läufermodul unabhängig bewegt werden soll, so können die von Nachbarspulen erzeugten Kräfte beispielsweise zur Kompensation unerwünschter Drehbewegung des Läufermoduls herangezogen werden.In
In Nebenanspruch 3 wird Schutz für ein einpoliges Läufermodul beantragt, das in
In Anspruch 4 wird die Verwendung von Vergussmasse mit Gleiteigenschaft vorgeschlagen, mit der eine Funktionsintegration erfolgt. Der Magnet, die P-Magnete, die Objektbefestigung und die Abschirmung werden verbunden. Auf der Unterseite des Läufermoduls wird eine möglichst dünne Gleitschicht geschaffen. Die Dicke der Gleitschicht wird von der Haftfestigkeit der Vergussmasse bestimmt. Unter Verwendung einer Vergussvorrichtung und Trennmittel wird eine hohe Ebenheit erzielt, so dass keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Alternativ kann auf eine Gleitschicht verzichtet oder ein Gleitmaterial aufgeklebt werden. Wie bei einer Halbach-Magnetanordnung wird die Magnetflussdichte auf der Magnetunterseite verstärkt und an der Magnetoberseite geschwächt. Durch ein Kippen des P-Magneten im Bereich der Magnetoberseite zur Außenseite des Magneten wird die Magnetflussdichte auf der Magnetunterseite weiter erhöht. Bei paralleler Anordnung des P-Magneten gegenüber der xy-Grundfläche erfolgt die Erhöhung der Magnetflussdichte an der Außenseite in der unteren Hälfte des P-Magneten. Durch das Kippen des P-Magneten wird der neben dem Läufermodul verlaufende Magnetfluss noch näher an die xy-Grundfläche herangeführt und in den Spulenbereich geführt, was in
In Anspruch 5 wird ein Wechselpol-Läufermodul beschrieben, das in
In Anspruch 6 wird Patentschutz für ein Verfahren zur programmgesteuerten Gestaltung von Läufern begehrt, die aus einpoligen Läufermodulen oder Wechselpol-Läufermodulen montiert sind, wobei dafür das Transportsystem selbst genutzt wird. In Anspruch 2 wurde bereits gezeigt, dass Läufermodule auf dem Statormodul selbständig agieren können. In
Läufermodule können in großer Stückzahl kostengünstig gefertigt werden und mit einer Befestigung untereinander zu einem Läufer montiert werden. Im Transportsystem besteht die Möglichkeit, dass mehrere Läufermodule in der Gruppe eine Transportaufgabe lösen. Dazu werden Läufermodule geordert, zusammengestellt, um beim Transport synchron zu fahren. Ein langes Objekt kann aber auch von 2 Läufermodulen linear und drehend bewegt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Läufermodule temporär zu Läufern gestaltet werden können. Prinzipiell können auch einpolige Läufermodule mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung und Wechselpol-Läufermodule montiert werden. Dazu müssen für die Läufermodule hinterlegte Bestromungsmuster zusammengeführt werden. In der Umgebung des Transportsystems können Vorrichtungen zum Auf- und Abnehmen von Objekten, Bewegungsvorrichtungen, Roboter und Bearbeitungsmaschinen angeordnet sein. Beispielsweise können Befestigungselemente auf dieses Weise zwischen Läufermodulen angebracht und entfernt werden.Rotor modules can be manufactured inexpensively in large quantities and mounted with a mounting to each other to a runner. In the transport system it is possible that several runner modules in the group solve a transport task. For this purpose, rotor modules are ordered, put together to run synchronously during transport. A long object can also be moved in a linear and rotating manner by 2 rotor modules. It is particularly advantageous if rotor modules can be made temporary to runners. In principle, single-pole rotor modules with different magnetization direction and Wechselpol rotor modules can be mounted. For this purpose, the current patterns stored for the rotor modules must be merged. In the vicinity of the transport system, devices for mounting and dismounting objects, moving devices, robots and processing machines can be arranged. For example, fasteners can be mounted and removed in this way between rotor modules.
In Anspruch 7 wird der Schutz für den Aufbau eines Statormoduls beantragt. Die Technologie basiert auf dem kostengünstigen Ausgießen der Zwischenräume der Spulen, der Leiterkarte, der Schaltkreise, der Befestigungselemente mit einer Vergussmasse, die zu einem monolithischen Körper aushärtet, die Wärme gut leitet, einen geringen Ausdehnungskoeffizienten und gute Gleiteigenschaften aufweist. Derartige Vergussmasse wird für die Fertigung von Planarmotoren nach
Die Statormodule müssen von oben austauschbar sein und Befestigungselemente mit Schnappverschluss und mindestens eine Öffnung zum Abziehen besitzen. In Parkpositionen soll das Läufermodul ohne Strom fixiert werden. Deshalb ist mindestens in einem solchen Bereich ein magnetisch leitfähiges Blech unter den Spulen anzuordnen.The stator modules must be interchangeable from above and have snap fasteners and at least one opening for removal. In parking positions, the rotor module should be fixed without power. Therefore, a magnetically conductive sheet is to be placed under the coils at least in such a range.
Die Verwendung von Stützelementen zwischen einer Grundplatte, die unter der Leiterkarte angeordnet ist und einer Deckplatte aus Material mit niedrigem Haft- und Gleitreibungskoeffizienten ist als Alternative angegeben. Eine Kühlung kann auch durch einen Luftstrom entlang der Spulen und Schaltkreise erfolgen. Eine transparente Deckplatte ist erforderlich, wenn in der Nähe von mindestens einer Spule eine Leuchtdiode angeordnet ist, um den Stromfluss in der Spule anzuzeigen.The use of support elements between a base plate, which is arranged under the circuit board and a cover plate made of material with low coefficient of adhesion and sliding friction is given as an alternative. Cooling can also be done by an air flow along the coils and circuits. A transparent cover plate is required when a light emitting diode is located near at least one coil to indicate the current flow in the coil.
Ein Stator für das Transportsystem besteht aus Statormodulen, die dicht in Reihen oder parallel angeordnet sind, so dass der Spulenabstand zwischen den Statormodulen gleich groß ist wie der Abstand zwischen den Spulen innerhalb des Statormoduls, die Spulen zeilen- und spaltenförmig auf geraden Linien angeordnet sind und gleichen Abstand zueinander aufweisen. Jedes Statormodul verfügt über eine Schnittstelle zur Bereitstellung der Zwischenkreisspannung und zum Rechner. Die Statormodule sind untereinander oder mit einem ebenenen Gestellsystem, z.B. mit Halteelementen im Fussboden so verbunden, dass der gesamte Stator eine glatte Oberfläche aufweist. Im Falle einer aerostatischen oder hydrostatischen Führung sind die Nahtstellen zwischen den Statormodulen abgedichtet, beispielsweise vergossen und geschliffen.A stator for the transport system consists of stator modules, which are arranged closely in rows or parallel, so that the coil spacing between the stator modules is the same size as the distance between the coils within the stator module, the coils are arranged in rows and columns on straight lines, and have the same distance from each other. Each stator module has an interface for providing the intermediate circuit voltage and the computer. The stator modules are interconnected or with a planar rack system, e.g. connected with holding elements in the floor so that the entire stator has a smooth surface. In the case of an aerostatic or hydrostatic guide, the seams between the stator modules are sealed, for example potted and ground.
Vorteilhafter Weise besteht das Gestellsystem aus Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten, um Wärmespannungen zwischen den Statormodulen und den Einfluss der Temperatur auf die Positioniergenauigkeit gering zu halten.Advantageously, the frame system is made of material with a low coefficient of expansion in order to keep thermal stresses between the stator modules and the influence of the temperature on the positioning accuracy low.
Der Bewegungsbereich der Läufer wird durch am Statorrand befestigte Schienen, die über die Statorfläche herausragen begrenzt.The range of motion of the runners is limited by fixed to the stator edge rails that protrude beyond the stator.
Im Verfahrensanspruch 8 wird der Ablauf der Bewegung eines einzelnen quadratischen Permanentmagneten beschrieben, der auf ein Array aus eisenlosen Spulen gelegt wird. Die Magnetlänge ist so groß wie der Abstand zwischen den Spulenachsen. Durch geeignetes Umschalten der Stromrichtung in 6 Spulen, die den Magneten umgeben, wird der Magnet um den Betrag seiner Magnetlänge bewegt. In einer Versuchseinrichtung wurde die Steuereinrichtung durch ein Array aus Schaltern realisiert, mit denen jede Spule mit Strom in der gewünschten Richtung versorgt wird. Der Magnet bewegt sich in x- und y-Richtung gleitend. Ein technisches Vorurteil wird überwunden und gezeigt, dass ein Magnet in der Fläche einfach durch Umschalten des Stromes in eisenlosen Spulen gesteuert bewegt werden kann. Wenn ein Magnet von 4 Nachbarspulen umgeben ist, die gleiche Polung untereinander und die gleiche Polung wie der Magnet auf der Unterseite aufweisen, dann wird das Läufermodul angetrieben. Der Magnet hüpft um eine Magnetlänge weiter. Als vorteilhaft erweist sich, dass in einer Stellung auch Spulen nicht bestromt werden. Mit dem Magnet nach
Im Unteranspruch 9 wird ein Verfahren zum Bewegung mehrerer Läufermodule in dichter Folge angegeben. In
Läufermodule können zwischen 4 Spulen aufgesetzt, positioniert und fixiert werden, um sie von dort aus über die Fläche zu bewegen. Läufermodule können auch am Statorrand geparkt, nebeneinander und parallel dicht zusammengestellt werden. Wenn ein Läufermodul in eine indifferente Position gelangt, sind benachbarte Spulen einzubeziehen. Die Anordnung eines magnetisch leitfähigen Bleches unterhalb der Spulen führt zur Erhöhung der Anziehungskräfte zum Fixieren von Läufermodulen ohne Bestromung, für Fahrten auf schiefer Ebene oder zur Bewegung über Kopf.Rotor modules can be placed between 4 coils, positioned and fixed to move them from there over the surface. Runner modules can also be parked on the edge of the stator, side by side and parallel. If a rotor module gets into an indifferent position, adjacent coils must be included. The arrangement of a magnetically conductive sheet below the coil leads to increase the attractive forces for fixing rotor modules without energization, for driving on a slate plane or for moving overhead.
Mit Anspruch 10 wird um Patentschutz für einen Läufer aus einpoligen Läufermodulen oder Wechselpol-Läufermodulen ersucht. Mit nur geringen konstruktiven Veränderungen der Läufermodule können aus Läufermodulen größere Läufer montiert werden. In
Beispielsweise kann ein Läufer aus 6 einphasigen Läufermodulen in x-Richtung 3phasig oder 6phasig betrieben werden. Der Abstand der Spulenachsen beträgt in
In den Läufern können die P-Magnete auch schmaler als die Magnete ausgeführt werden, wenn sich in der Optimierung eine höhere Magnetflussdichte im Spulenbereich ergibt Die Magnet- und Montagekosten können gesenkt werden, wenn Abstände für Vergussmasse zwischen den Magneten und P-Magneten vorgesehen werden.In the runners, the P-magnets can also be made narrower than the magnets if the optimization results in a higher magnetic flux density in the coil area. The magnet and assembly costs can be reduced if distances for potting compound between the magnets and P-magnets are provided.
Die hauptsächliche Bewegungsrichtung des Läufers kann auch im Winkel von 45° zu den zeilen- und spaltenweise angeordneten Spulen erfolgen, wenn der Läufer gegenüber dem Statormodul gedreht aufgesetzt wird.The main direction of movement of the rotor can also be carried out at an angle of 45 ° to the row and column coils arranged, when the rotor is placed rotated relative to the stator module.
Die Spulen können auch in dichtester Kreispackung angeordnet sein, um wesentlich mehr Drahtlänge pro Volumen des Statormoduls unterzubringen, um die Kraftdichte zu erhöhen und die Wärmeableitung zu verbessern. Primär sind Anordnungen und Verfahren wichtig, die zur Kostensenkung des planaren Transportsystems führen, weil viele Läufermodule, Läufer, Statormodule und Steuerungsmodule erforderlich sind. Dagegen sind die einmaligen Softwarekosten gering, denn der Anwender verwendet bestehende Softwaremodule. Den Anforderungen entsprechende Bestromungsmuster für Spulengruppen lassen sich für kostengünstige Hardwarekomponenten errechnen oder experimentell bestimmen.The coils may also be arranged in the tightest circular package to accommodate significantly more wire length per volume of the stator module to increase the power density and improve heat dissipation. Primarily, arrangements and methods that reduce the cost of the planar transport system are important because many rotor modules, rotors, stator modules, and control modules are required. In contrast, the one-time software costs are low because the user uses existing software modules. The appropriate energizing patterns for coil groups can be calculated for cost-effective hardware components or determined experimentally.
Im Anspruch 11 werden Läufer beschrieben, die aus Läufermodulen bestehen und auf der Läuferoberseite durch eine biegeelastische Befestigung verbunden sind. Läufer können sich dadurch auf Statoren bewegen, bei denen die Statormodule um einen Winkel α um die x-Achse oder einen Winkel β um die y-Achse versetzt angeordnet sind. Solche winklig zueinander angeordneten Statormodule sind geeignet, um Läufer von der horizontalen Lage auf eine schiefe Ebene zu bringen und Höhenunterschiede zu überwinden. Die Montage von Statormodulen auf einem Gestell kann kostengünstiger erfolgen, wenn größere Winkeltoleranzen zulässig sind. Biegeelastische Läufer können sich auch darauf bewegen, wenn Winkelfehler vorliegen. Biegeelastische Objekte können auf biegeelastischen Läufern verformt oder gerichtet werden. Läufermodule kommen dadurch in engere Verbindung zum Stator, wodurch die Kraftdichte erhöht wird. Mit diesem erfinderischen Gedanken wird erreicht, dass mit dem planaren Transportsystem Objekte im Raum bewegt werden können.In
Mit Anspruch 12 wird eine Sensorik angegeben, mit der die Position der einpoligen Läufermodule sowie die Position und Richtung der Wechselpol-Läufermodule und der Läufer bestimmt werden kann. Bei Überdeckung mit einem Läufermodul wird durch den Magneten ein Schaltsignal ausgelöst. Das von der Spule erzeugte Magnetfeld kann dem gegenüber vernachlässigt werden, denn es stört nicht. Die Sensorik soll kostengünstig und robust ausgeführt werden und mit jeder Spule verbunden sein. Die Sensorik ist zum Regeln oder zur Nachführung der Bewegung in die Sollposition notwendig. Mindestens ein digitaler Hallsensor wird dazu im oberen Bereich in der Symmetrieachse der Spule oder in einem Freiraum zwischen den Spulen in geeignetem Abstand von der xy-Grundfläche angeordnet. Mit einer Anordnung aus 2 Hallsensoren kann die Polarisierungsrichtung der vorbei fahrenden Magnete in Nord und Süd unterschieden werden. Die Stromversorgung und die Signalleitungen werden vorzugsweise durch den hohlen Kernbereich der Spule zur Leiterkarte geführt. Die Information vom Hallsensor wird über das Bussystem an einen Rechner übertragen.
Zur Positionsbestimmung gibt es verschiedene weitere Möglichkeiten. Im Stand der Technik sind auch induktive Verfahren bekannt. Durch Überlagerung der Spulenströme mit hochfrequenten Signalen lässt sich die Induktivitätsänderung in den Spulen bestimmen, um daraus ein Signal für die Läuferüberdeckung zu gewinnen.There are various other possibilities for determining the position. Inductive methods are also known in the prior art. By superposition of the coil currents with high-frequency signals, the inductance change in the coils can be determined in order to obtain a signal for the rotor overlap.
Ein Läufer kann auch mit mindestens 3 Transpondern ausgestattet sein, die im Abstand zueinander auf dem Läufer befestigt sind. Mit einem Lesegerät kann die zeitliche Differenz in der Abfolge der Transponderdaten bestimmt und daraus die Lage und Orientierung des erkannten Läufers berechnet werden. A runner can also be equipped with at least 3 transponders, which are mounted at a distance from each other on the runner. With a reading device, the time difference in the sequence of transponder data can be determined and from this the position and orientation of the recognized runner can be calculated.
Mindestens ein Läufer oder ein zu transportierendes Objekt kann auch mit mindestens einem programmierbaren Transponder ausgestattet sein, um den Bewegungsablauf im Transportsystem zu beeinflussen oder einen Informationsaustausch mit externen Einrichtungen oder Stationen vorzunehmen. Damit können Maßnahmen zum Umgang mit den Läufermodulen geplant, durchgeführt und ausgewertet werden.At least one runner or an object to be transported can also be equipped with at least one programmable transponder in order to influence the movement sequence in the transport system or to carry out an exchange of information with external devices or stations. This means that measures for handling the rotor modules can be planned, carried out and evaluated.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Aufsetzen von Läufermodulen und Läufern in das Transportsystem beschrieben. Läufermodule oder Läufer werden in der Regel durch Einrichtungen und Automaten an ausgewählten Positionen in das Transportsystem gebracht oder von dort entfernt. Sie sollen jedoch auch von Hand auf eine vorgegebene Position und Richtung gesetzt werden können, beispielsweise beim Eingreifen eines Bedieners in das System. Das Aufsetzen eines Läufermoduls oder Läufers in das Transportsystem erfolgt auf die von mindestens einer Signallampe oder Leuchtdiode beleuchtete Fläche und starten des programmierten Bewegungsablaufes. Dazu ist in mindestens einer Spule an der Spulenoberseite im Bereich der Spulenachse eine Signallampe angeordnet, die bei Bestromung der Spule leuchtet. Die Bewegung von Signalpunkten oder Signalbereichen kann zur Simulation einer Läuferbewegung genutzt werden. Auch durch Pulsieren des Stromes lässt sich anhand der Vibration erkennen, welche Spulen eingeschaltet sind.Furthermore, a method for placing runner modules and runners in the transport system is described. Runner modules or runners are usually brought into or removed from the transport system by means of devices and machines at selected positions. However, they should also be able to be set manually to a predetermined position and direction, for example when an operator enters the system. The placement of a rotor module or rotor in the transport system takes place on the illuminated by at least one signal lamp or LED surface and start the programmed movement. For this purpose, a signal lamp is arranged in at least one coil on the upper side of the coil in the region of the coil axis, which lights up when the coil is energized. The movement of signal points or signal areas can be used to simulate a rotor movement. By pulsing the current can be seen from the vibration, which coils are turned on.
In Anspruch 13 wird ein Wagen mit vorzugsweise 4 Kugelrollen angegeben, der zum Bewegen schwererer Objekte notwendig ist. Bei Haft- und Gleitreibung steigt die Reibkraft etwa proportional mit dem Gewicht Die Kugelrollen dienen der Entlastung des Läufers. Die xy-Grundfläche muss hart genug sein, um die Herzsche Pressung der Kugeln aufzunehmen. Das Gestell des Wagens ist so ausgeführt, dass die Außenkanten in geringem seitlichen Abstand über den Läufer gestülpt und von den Seitenflächen des Läufers mitgenommen werden, so dass der Läufer weiterhin gleitet Die Mitnahme kann auch durch mindestens 2 Stifte zwischen Gestell und Läufer erfolgen. Die Innovation besteht darin, dass der Abstand zwischen Läufer und Stator klein gehalten wird, um hohe Kraftdichte zu erzielen.In
In Anspruch 14 wird ein Verfahren zum Verschieben und Drehen eines Objektes auf 2 Läufermodulen in der xy-Grundfläche angegeben. Daraus wird das Verfahren zum Positionieren und Orientieren von Läufern abgeleitet.
Im Anspruch 15 werden die Hardwarekomponenten und die Systemtopologie bzw. Kommunikation des Transportsystems geschrieben. Die übergeordnete Steuerung, die ein Industrie PC mit soft SPS sein kann, berechnet die Routen der einzelnen Läufen und sendet die Daten über einen Feldbus wie ProfiNet, SercosIII oder EtherCAT an die Steuereinheiten in harter Echtzeit. Jedem Statormodul ist eine Steuereinheit zugeordnet. Die Steuereinheit kann auf der Leiterkarte im Statormodul angeordnet sein. Sie berechnet aus den Daten der übergeordneten Steuerung die Adressen der Spulen und die Art der Bestromung und sendet diese Daten über einen geräteinternen Bus wie SPI oder I2C an die entsprechenden Schaltkreise (Spulentreiber) in harter Echtzeit. Die Bestromung der Spulen erfolgt somit individuell in Form eines Musters der Bestromung einer Gruppe von Spulen auf dem Statormodul, was als Bestromungsmuster bezeichnet wird. Die betroffenen Spulen und die Art der Bestromung verändern sich in schnellem Wechsel. Die Schaltkreise sind in der Nähe der Spulen und Hallsensoren angeordnet und setzen die Information in eine Bestromung der Spule um. Die Schaltkreise bestehen aus einer leistungselektronischen Schaltung, z.B. einer Voll- oder Halbbrücke als IC. Hierin wird die 5V Logik-Spannung von der Leistungsspannung galvanisch getrennt. Die Informationen aus den Hall-Sensoren werden an die Steuereinheit im Statormodul in harter Echtzeit zurückgeführt. Die Signalerzeugung, die Kommunikationsschnittstelle für SPI oder I2C und die Rückmeldung der Signale von den Hall-Sensoren können mit einzelnen ICs oder als Mikrocontroller aufgebaut sein. Die Statormodule sind an eine zentrale Zwischenkreisspannung angeschlossen.In
Die erfinderische Idee findet seine Hauptanwendung in der gleichzeitigen, unabhängigen Bewegung einer Vielzahl von Läufern. Eine traditionelle Steuerung oder Regelung unter Verwendung von Spulen, die einer Motorphase fest zugeordnet sind, ist nicht effizient oder ungeeignet. Der Aufwand in der Verkabelung der einzelnen Spulen wäre zu groß, besonders wenn jede Spule zu unterschiedlicher Zeit mit Strom, mit Strom in unterschiedlicher Richtung und gepulst mit veränderlichem Effektivstrom versorgt werden soll. Signale 0 oder 1 sollen aus einer Vielzahl von Hallsensoren in kurzen Zeitabständen ausgelesen werden.The inventive idea finds its main application in the simultaneous, independent movement of a large number of runners. Traditional control using coils that are dedicated to a motor phase is not efficient or inappropriate. The effort in the wiring of the individual coils would be too large, especially if each coil to be supplied at different times with electricity, with electricity in different directions and pulsed with variable RMS.
Nach der Erfindung soll die Bereitstellung von Informationen über Betrag und Richtung des Spulenstromes und das Auslesen der Informationen aus den Hallsensoren mit der Steuereinheit im Zeitmultiplexverfahren oder mit einem Serial Peripheral Interface (SPI) erfolgen. Hier ist das Wissen über die Bereitstellung von Informationen zur Erzeugung bewegter Bilder auf einem Bildschirm oder auf einer Leuchtpixelleinwand und das Wissen zur Informationsausgabe bei einer Tastatur anzuwenden.According to the invention, the provision of information about the amount and direction of the coil current and the reading out of the information from the Hall sensors with the control unit in the time division multiplex method or with a Serial Peripheral Interface (SPI). Here is the knowledge about providing information to generate moving To apply images on a screen or on a light pixel screen and the knowledge to output information on a keyboard.
Von der Steuereinheit wird über einen Adressbus kurzzeitig eine Verbindung zum Schaltkreis hergestellt, der sich in der Nähe der Spule und des Hallsensors befindet. Die Taktzeit beträgt T = 1/f. Wenn das Zeitintervall kleiner gewählt wird mit Δt < = T/k kann ein Vollschritt in k Mikroschritte geteilt werden.The control unit briefly establishes a connection to the circuit via an address bus, which is located in the vicinity of the coil and the Hall sensor. The cycle time is T = 1 / f. If the time interval is chosen smaller with Δt <= T / k, a full step can be divided into k microsteps.
Die gewünschte Erneuerung der Daten erfolgt im Beispiel bei k = 6 Mikroschritten, einer Läufergeschwindigkeit von v = 0,1 m/s bei einer Schrittweite von 30 mm im Zeitintervall Δt = T/k = 0,05 Sekunden, denn T = s/v = 30 mm / 100 mm/s = 0,3 s.The desired renewal of the data takes place in the example at k = 6 microsteps, a rotor speed of v = 0.1 m / s with a step size of 30 mm in the time interval Δt = T / k = 0.05 seconds, because T = s / v = 30 mm / 100 mm / s = 0.3 s.
Die Frequenz f ist mindestens so hoch, dass alle Zeilen und Spalten durchlaufen werden, um einen Impuls und damit einen Strom in der Spule auszulösen. Bei einer Läufergeschwindigkeit von 0,12 m/s sind bei einer Teilungsperiode von 30mm mindestens 4 Impulse pro Sekunde am einzelnen Schaltkreis nötig. Die Schaltkreise sind mit einem geräteinternen Bus und einer Zwischenkreisspannung verbunden. Sie verfügen über einen Stromrichtungswechsler. Für die typischen Bewegungen eines Läufermoduls ist eine Folge von Bestromungsmustern programmiert und gespeichert Das Bestromungsmuster für die Bewegung von Läufern ergibt sich im Wesentlichen aus der Überlagerung der Bestromungsmuster von Läufermodulen.The frequency f is at least so high that all rows and columns are passed through to trigger a pulse and thus a current in the coil. At a rotor speed of 0.12 m / s, a split period of 30mm requires at least 4 pulses per second on the single circuit. The circuits are connected to a device internal bus and a DC link voltage. They have a current direction changer. For the typical movements of a runner module, a sequence of energization patterns is programmed and stored. The energization pattern for the movement of runners results essentially from the superimposition of the energization patterns of rotor modules.
Zur Steuerung der Bewegung werden die Informationen von den Hallsensoren ausgelesen ähnlich wie bei Tastaturen. Aus den Signalen werden im Rechner in harter Echtzeit Lagematrizen gespeichert, mit denen die aktuellen Positionen und Orientierungen der Läufer angegeben werden.To control the movement, the information from the Hall sensors are read out similar to keyboards. From the signals, position matrices are stored in the computer in hard real-time, with which the current positions and orientations of the runners are specified.
Die Bewegung einer Vielzahl von Läufern wird in harter Echtzeit durch Abruf von Lage- und Aktormatrizen gesteuert. Sollwerte für die aktuelle Geschwindigkeit und Beschleunigung sind zu berücksichtigen.The movement of a large number of runners is controlled in hard real-time by retrieving position and actuator matrices. Setpoints for the current speed and acceleration must be taken into account.
Die Berechnung von Bewegungsstrategien kann beispielsweise nach dem Gruppenprinzip erfolgen. Dabei ist die Darstellung der aktuellen Position des Läufers nicht erforderlich oder nicht sinnvoll. Die Zielmatrizen können mit einem Prioritätsmerkmal ausgestattet sein, das den Zeitpunkt des Eintreffens mindestens des jeweils wichtigsten Läufers am Ziel darstellt. Das kann auch als Zielzeitmatrix verstanden werden. Vom Rechnerprogramm kann daraus eine Priorität für den Bewegungsablauf berechnet werden. Daraus wird bestimmt, welcher Läufer Vorfahrt hat und mit der größten Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung agiert. Die betreffenden Spulen werden dann mit maximalem Effektivstrom betrieben. Die Haupt- und Nebenwege sollen vorgegeben werden und sich mit einem Grafikprogramm übersichtlich erstellen lassen. Damit werden auch Überhol-, Halte- und Parkbereiche markiert sowie Hindernisse.The calculation of movement strategies can be carried out, for example, according to the group principle. The representation of the current position of the runner is not necessary or not useful. The target matrices may be provided with a priority feature representing the time of arrival of at least the most important runner at the target. This can also be understood as a target time matrix. From the computer program can be calculated from a priority for the movement. From this it is determined which runner has right of way and acts with the highest speed or acceleration. The respective coils are then operated with maximum RMS current. The main and byways should be specified and can be created clearly with a graphics program. This also marks overtaking, stopping and parking areas as well as obstacles.
Einzuhaltende Abstände zwischen den Läufern können vorgegeben werden. Bis zu einer Grenzgeschwindigkeit wird eine Kollaboration, ein Anstoßen oder Drängeln zwischen den Läufern und Personen zugelassen.Stops to be kept between the runners can be specified. Up to a speed limit, a collaboration, a push or push between the runners and persons is allowed.
Im Rechner kann ein thermischer Überlastschutz programmiert werden, mit dem das Verhalten eines thermischen Motorschutzschalters nachgestaltet wird. Nach dem Stromwärmegesetz weist jede Spule in Abhängigkeit von der Zeit t einen Stromwärmeverlust von Q = I2 * R * t auf. Die Temperaturerhöhung ergibt sich aus ΔT = Q / Wärmekapazität. Bei fortdauernder Energiezufuhr stellt sich bei einer erhöhten Temperatur ein Gleichgewichtszustand ein, in der die abgegebene Wärme pro Zeitspanne der aufgenommenen elektrischen Leistung gleicht. Im Rechner wird für jede Spule mit dem ohmschen Widerstand R hinterlegt, wieviel Strom I welche Zeit t geflossen ist. Die Wärmekapazität, der Wärmeübergangskoeffizient und die beim Wärmetransport beteiligte Oberfläche lassen sich in einem Rechenmodell hinterlegen.In the computer, a thermal overload protection can be programmed, with which the behavior of a thermal motor protection switch is modeled. According to the Stromwärmegesetz, each coil has a current heat loss of Q = I 2 * R * t as a function of the time t. The temperature increase results from ΔT = Q / heat capacity. With continued energy supply, an equilibrium state arises at an elevated temperature, in which the heat released per time period equals the recorded electrical power. In the computer is deposited for each coil with the ohmic resistance R, how much current I flowed which time t. The heat capacity, the heat transfer coefficient and the surface involved in the heat transport can be stored in a mathematical model.
Die Ansteuerung der Spulen kann durch Choppern erfolgen, um den Gleichlauf des Transportsystems zu verbessern.The control of the coils can be done by choppers to improve the synchronization of the transport system.
Die Chopper-Steuerung, auch Impulssteuerung genannt, ist eine verlustarme Steuermethode für Elektromotoren. Um die gewünschten Stromwerte zu erreichen, wird entweder die Taktfrequenz oder die Einschaltdauer verändert.The chopper control, also called pulse control, is a low-loss control method for electric motors. To achieve the desired current values, either the clock frequency or the duty cycle is changed.
Die Signalerzeugung im Schaltkreis kann digital (+, - und 0) oder mit digitaler oder analoger Pulsweitenmodulation erfolgen.The signal generation in the circuit can be digital (+, - and 0) or with digital or analog pulse width modulation.
Die Steuereinheit kann ein Mikrocontroller oder ein Prozessor mit diskrete ROM, RAM und Flash- Speicher oder ein Ein-Chip-System sein mit den entsprechenden Kommunikationsschnittstellen Feldbus und geräteinterner Bus. Die Steuereinheit kann auch als separates Gerät ausgeführt sein, dass über den geräteinternen Bus mit den Schaltkreisen kommuniziert. An die Steuereinheit können auch mehrere Statormodule angeschlossen sein.The control unit may be a microcontroller or a processor with discrete ROM, RAM and flash memory or a one-chip system with the corresponding communication interfaces fieldbus and device-internal bus. The control unit can also be designed as a separate device that communicates with the circuits via the device-internal bus. It is also possible to connect a plurality of stator modules to the control unit.
Die Erfindung ist gewerblich nutzbar zur
- - Gestaltung großflächiger, intelligenter Transport- und/oder Lagersysteme in der Logistik, z.B. bei der Sortierung von Post oder im Versand beim Online-Handel,
- - parallelen und unabhängigen Bewegung von Objekten auf engem Raum in flexiblen Fertigungssystemen,
- - individuellen Teilebereitstellung in der Montage.
- - Design of large-scale, intelligent transport and / or storage systems in logistics, for example, in the sorting of mail or in shipping in online retail,
- - parallel and independent movement of objects in confined spaces in flexible manufacturing systems,
- - Individual parts provision in the assembly.
Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind zusammengefasst:
- 1. Im Gegensatz zum Förderband können die Läufer mit den Objekten an Stationen warten oder aneinander vorbei zu anderen Stationen fahren, z.B. in Fertigungsstraßen.
- 2. Das Transportsystem verfügt über Lagerbereiche. Läufermodule mit Objekten können im Pulk zum Lager gebracht und von dort abgerufen werden.
- 3. Flexible Fertigungszellen können individuell mit Werkstücken und Werkzeugen versorgt werden, z.B. in der Autoindustrie. Die bisher starre Taktung des Fertigungsprozesses kann damit überwunden werden.
- 4. Der Teilefluss zwischen Arbeitsstationen erfolgt individuell und programmgesteuert, was für die Vernetzung von Maschinen in der modernen Fertigung nötig ist.
- 5. Läufermodule und Läufer lassen sich in der Gruppe entsprechend der Zielvorgabe und der Priorität bewegen.
- 6. Das planare Transportsystem kann im Baukastensystem ausgeführt und im Vergleich zu Planarmotoren nach dem Stand der Technik kostengünstiger gefertigt werden.
- 7. Ein großflächiger Stator ist aus Statormodulen zusammengesetzt, die auf einem modularen Gestellsystem befestigt sind und eine Randbegrenzung aufweisen.
- 8. Ein Statormodul besteht aus vorgefertigten Spulen, die mit einer Leiterkarte verbunden sind und durch Vergussmasse gehalten werden. Die Leiterkarte trägt die Schaltkreise, Leitungsführungen und Leitungsverbinder. Im Oberteil der Spulen können jeweils ein Hallsensor und/oder eine Leuchtdiode integriert angeordnet sein. Statormodule können unter einem geringen Winkel zueinander angeordnet werden, eine schiefe Ebene bilden und eine Bewegung im Raum ermöglichen.
- 9. Einpol-Läufermodule und Wechselpol-Läufermodule als kleinste Einheiten können selbständig und im Pulk agieren, dicht auf dem Stator geparkt werden. Mehrere Läufermodule können fest miteinander zu einem Läufer verbunden werden.
- 10. Läufermodule bestehen aus vorgefertigten Magnetanordnungen, die mit Hilfe einer Montagevorrichtung zu Läufern mit verschiedener Funktionsfläche montiert werden. Mit der Montagevorrichtung wird durch Versatz von Läufermodulen die Anzahl der Motorphasen bestimmt.
- 11. Mit einheitlich aufgebauten Signalleitungen erfolgt die Übertragung von Sensor- und Aktorsignalen parallel zwischen Statormodul, Steuereinheit und Rechner.
- 12. Die Bewegung der Läufer erfolgt mit Hilfe von Softwarebausteinen in Form von Bewegungsroutinen, in denen Unterprogramme aufgerufen werden. Die Steuerungshardware ist modular aufgebaut.
- 1. In contrast to the conveyor belt, the runners can wait with the objects at stations or drive past each other to other stations, eg in production lines.
- 2. The transport system has storage areas. Runner modules with objects can be brought to the warehouse in bulk and retrieved from there.
- 3. Flexible manufacturing cells can be individually supplied with workpieces and tools, eg in the automotive industry. The hitherto rigid timing of the manufacturing process can thus be overcome.
- 4. The flow of parts between workstations takes place individually and programmatically, which is necessary for the networking of machines in modern production.
- 5. Runner modules and runners can be moved in the group according to the target and the priority.
- 6. The planar transport system can be executed in a modular system and manufactured more cost-effectively compared to planar motors according to the prior art.
- 7. A large-area stator is composed of stator modules which are mounted on a modular rack system and have a deckle.
- 8. A stator module consists of prefabricated coils, which are connected to a printed circuit board and held by potting compound. The circuit board carries the circuits, wiring, and wiring. In the upper part of the coils, a Hall sensor and / or a light-emitting diode can be arranged integrated in each case. Statormodule can be arranged at a slight angle to each other, form an inclined plane and allow movement in space.
- 9. Single-pole rotor modules and alternating pole rotor modules as the smallest units can act independently and in a cluster, being parked close to the stator. Several rotor modules can be firmly connected to a rotor.
- 10. Rotor modules consist of prefabricated magnet arrangements, which are mounted by means of a mounting device to runners with different functional surface. With the mounting device, the number of motor phases is determined by displacement of rotor modules.
- 11. The transmission of sensor and actuator signals takes place in parallel between the stator module, control unit and computer with uniformly structured signal lines.
- 12. The movement of the runners takes place with the aid of software components in the form of motion routines in which subroutines are called. The control hardware is modular.
Die Erfindung soll an Beispielen im Einzelnen an Hand von folgenden Zeichnungen dargelegt werden:
-
1 : Kräfte zwischen Magnet und eisenlosen Spulen -
2 : Einpoliges Läufermodul mit magnetischer Abschirmung -
3 : Magnet mit schräg angeordneten P-Magneten -
4 : Wechselpol-Läufermodul -
5 : Kräfte zwischen einpoligem Läufermodul und Statormodul in Abhängigkeit von der Läuferposition -
6 : Kraftwirkung zwischen Wechselpol-Läufermodul und Statormodul -
7 : Kräfte zwischen Wechselpol-Läufermodul und Statormodul in Abhängigkeit von der Läuferposition -
8 : Läufer aus Wechselpol-Läufermodulen mit Phasenversatz
-
1 : Forces between magnet and ironless coils -
2 : Single-pole rotor module with magnetic shielding -
3 : Magnet with slanted P magnets -
4 : Change pole rotor module -
5 : Forces between single-pole rotor module and stator module as a function of the rotor position -
6 : Force effect between reversing pole rotor module and stator module -
7 : Forces between the alternating pole rotor module and stator module as a function of the rotor position -
8th : Rotor made up of alternating pole rotor modules with phase offset
In der Draufsicht sind die Spulen (
Der in der
Der rechts in
Die in der Mitte vom Magnet (
Im Weiteren soll mit Hilfe der
Am Beispiel ist erkennbar, dass ein Läufermodul (
Der links in
In einem 2. Zustand der Position
In dieser Position
In Position
Um die Bewegung fortzusetzen, wird in einem 2. Zustand der Position
Vorteilhafter Weise wird vor Erreichen der Position
In einer Versuchsanordnung betragen beispielsweise die Spulenlänge und die Spulenbreite 20mm und die Spulenhöhe 15mm. Der Draht mit einem Drahtdurchmesser von 0,1 mm wurde auf einen magnetisch nichtleitenden rechteckigen Kern von 6mm × 6mm mit 7300 Windungen gewickelt und verbacken. Der Kern wurde entfernt und durch Pressen wurde die quadratische Form zusätzlich ausgeprägt, um eine dichte Packung zu erreichen. Der Magnet (7) aus NdFeB hatte ein Format von 30mm × 30mm × 3mm. Mit einer Federwaage wurde im Zugversuch statisch eine Haltekraft von 0,5 N gemessen.For example, in one experimental setup, the coil length and coil width are 20mm and the coil height is 15mm. The wire with a wire diameter of 0.1 mm was wound on a magnetic non-conductive rectangular core of 6mm × 6mm with 7300 turns and baked. The core was removed and by pressing the square shape was additionally pronounced to achieve a dense packing. The magnet (7) made of NdFeB had a format of 30mm × 30mm × 3mm. With a spring balance, a holding force of 0.5 N was measured statically in the tensile test.
In
Die Abschirmung (
Mit Vergussmasse (
In
In
Die Magnetisierungsrichtung benachbarter Magnete (
Die
Das Läufermodul (
Die Kraftverläufe beim einpoligen Läufermodul (
- - Position x = a zeigt die schon erläuterte Halteposition, wenn dem Nordpol des einpoligen Läufermoduls (
13 ) 2 Südpole von den Spulen (5 ) gegenüber stehen. Das Läufermodul (13 ) steht im stabilen Gleichgewicht und wird angezogen. Wird an der gleichen Position die Stromrichtung in der linken Spule (5 ) gewechselt, dann tritt an beiden Seiten der Spule (5 ) eine Kraft in x-Richtung auf. Das Läufermodul (13 ) wird an der linken Seite angehoben. - - In Position x = a + a/4 wurde die Stromrichtung in der Spule mit der Matrixnummer
21 gewechselt. In3 Spulenhälften wird eine Antriebskraft in x-Richtung erzeugt. In2 Spulenhälften tritt eine Abstoßungskraft auf. - - In Position x = a + a/2 liegt ein instabiler Zustand vor wie in
1 mit dem rechts angeordneten Magneten (7 ) gezeigt Vor Erreichen dieser Position ist die Stromrichtung zu wechseln, um zusätzliche Kraft in x-Richtung zu erzeugen. Durch die dargestellte Bestromung der benachbarten Spulen (5 ) werden zusätzliche Kräfte in x-Richtung erzeugt. Auf das Läufermodul (13 ) wird durch Abstoßungs- und Anziehungskräfte am Hebelarm ein Drehmoment um die y-Achse erzeugt. - - In Position x = a + 3/2a tritt wiederum in 3 Spulenhälften die gewünschte Antriebskraft auf und in 2 Spulenhälften eine Abstoßungskraft.
- - Position x = 2a zeigt die Kraftverhältnisse wie in Position x = a. Wenn die Stromrichtung in
der Spule 31 nicht gewechselt wird, dann wird keine Kraft in x-Richtung erzeugt und das Läufermodul (13 ) verharrt in einer stabilen Position. Wird die Stromrichtung inSpule 31 gewechselt, dann entstehen in 2 Spulenhälften Kräfte in x-Richtung und in einer der beiden Spulenhälften eine Abstoßungskraft.
- Position x = a shows the already explained holding position when the north pole of the single-pole rotor module (
13 ) 2 south poles of the coils (5 ) are opposite. The rotor module (13 ) is in stable equilibrium and is attracted. If at the same position the current direction in the left coil (5 ), then occurs on both sides of the coil (5 ) a force in the x-direction. The rotor module (13 ) is raised on the left side. - - In position x = a + a / 4, the current direction in the coil with the matrix number became
21 changed. In3 Coil halves, a driving force is generated in the x direction. In2 Coil halves occurs a repulsive force. - - In position x = a + a / 2 there is an unstable state as in
1 with the magnet on the right (7 ) Before reaching this position, the current direction must be changed in order to generate additional force in the x-direction. Due to the illustrated energization of the adjacent coils (5 ) additional forces are generated in the x-direction. On the runner module (13 ) is generated by repulsion and attraction forces on the lever arm, a torque about the y-axis. - In position x = a + 3 / 2a, the desired driving force occurs again in 3 coil halves and in 2 coil halves a repulsive force.
- - Position x = 2a shows the force relationships as in position x = a. If the current direction in the
coil 31 is not changed, then no force is generated in the x-direction and the rotor module (13 ) remains in a stable position. If the current direction incoil 31 is changed, forces in x-direction arise in two coil halves and in one of the two coil halves a repulsive force.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass bei der Bewegung über eine Periode x = a
die Spule
die Spule
die Spule 31 bei x = 2a + a/4 umgeschaltet wird.In summary, it can be stated that during the movement over a period x = a
the
the
the
Der Vorgang des Umschaltens der Spulen (
Der Gleichlauf lässt sich durch Wahl des Umschaltzeitpunktes für die Spulenströme bzw. zeitweises Abschalten des Spulenstromes optimieren.The synchronization can be optimized by selecting the switching time for the coil currents or temporarily switching off the coil current.
Während des Bewegungsvorganges sind alle Spulen (
In der Position x=a ist ein dicht anliegendes weiteres einpoliges Läufermodul (
In
Die Spulen mit den Matrixnummern
Wie bei Fig. 4 für das einpolige Läufermodul (
Die einzelnen Spulen (
Läufer (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Transportsystemtransport system
- 22
- Läufermodulrunner module
- 33
- xy-Grundflächexy Area
- 44
- Statormodulstator module
- 55
- SpuleKitchen sink
- 66
- Steuerung, SteuereinheitControl, control unit
- 77
- Magnetmagnet
- 88th
- Schaltkreiscircuit
- 99
- LeiterkartePCB
- 1010
- Befestigungselementfastener
- 1111
- Rechnercomputer
- 1212
- P-MagnetP-magnet
- 1313
- einpoliges Läufermodulsingle-pole rotor module
- 1414
- Wechselpol-LäufermodulAlternating-pole rotor module
- 1515
- Läuferrunner
- 1616
- LäuferoberseiteRunners top
- 1717
- LäuferunterseiteRunners bottom
- 1818
- Befestigungattachment
- 1919
- Vergussmassepotting compound
- 2020
- Abschirmungshielding
- 2121
- Statorstator
- 2222
- HallsensorHall sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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