DE19500095A1 - Elektromagnetischer Gleichstromantrieb mit periodisch gegeneinander versetzter Doppelpolanordnung - Google Patents

Description

Elektrische Antriebe für rotierende wie für geradlinige Bewegungen basieren in der Mehrzahl auf dem elektrodynamischen Prinzip, nach dem ein stromdurchflossener Leiter eine Kraftwirkung erfährt, wenn er in ein Magnetfeld gebracht wird (Lorentzkraft). Bei praktisch ausgeführten Motoren stellen Spulen den stromdurchflossenen Leiter dar und das erregende Magnetfeld kann durch Permanentmagnete oder Elektromagnete erzeugt werden. Abhängig von der Art der Felderzeugung und der mechanischen Ausführung ergeben sich die bekannten Motortypen vom permanentmagneterregten Gleichstrommotor bis zum Synchron- oder Schrittmotor.

Das elektromagnetische Prinzip, nach dem ferromagnetisches Material in einem Magnetfeld Kraftwirkungen erfährt, wird in Aktuatoren, Relais, und Hubmagneten angewendet. Zur Erzeugung kontinuierlich rotierender oder geradliniger Bewegungen mit großen Bewegungsbereichen wird das elektromagnetische Prinzip jedoch bisher kaum eingesetzt, obwohl es wegen des einfacheren mechanischen Aufbaus und des Wegfalles eines magnetischen Kreises gegenüber dem elektrodynamischen Prinzip durchaus Vorteile besitzt, die die Nachteile der notwendigen elektronischen Kommutierung und der quadratischen Strom-Kraft-Kennlinie aufwiegen. Es lassen sich damit sowohl rotierende Motoren, als auch ein- oder zweiachsige Linearantriebe realisieren. Bekannt sind die sogenannten "switched reluctance motors".

Beim "switched reluctance motor" besitzen Stator und Läufer Polstrukturen konstanter, gleicher Breite. Die Abstände zwischen den Polen unterscheiden sich für Stator und Läufer um den Faktor 1/n. Dabei ist n die Anzahl gleichzeitig erregter Pole (Phasen). Diese Anordnung besitzt zwei Nachteile: Das Feld jeder Spule schließt sich erst über ein um 2n Pole entferntes Polpaar. Über den gesamten Abstand zwischen diesen beiden Polen muß der Weicheisenrückschluß im Stator und Läufer vom Feld der erregten Spule magnetisiert werden. Das zu magnetisierende Eisenvolumen und die damit verbundenen Verluste sind entsprechend groß. Eine weitere Vergrößerung des Eisenvolumens ist erforderlich, weil sich die Felder mehrerer erregter Pole in den Stegen zwischen je zwei Polen überlagern. Um Sättigungserscheinungen zu vermeiden, ist dort ein entsprechend größerer Eisenquerschnitt nötig. Diese Nachteile können durch die erfindungsgemäße Ausführung des Motors vermieden werden.

Die Erfindung betrifft einen Motor nach dem elektromagnetischen Prinzip, der keine Permanentmagnete benötigt, der die oben geschilderten Nachteile des "switched reluctance motors" vermeidet und der durch geeignete Kommutierung und Kennlinienlinearisierung eine sehr einfache Veränderung von Drehzahl bzw. Geschwindigkeit ermöglicht. Er kann deshalb ähnlich einem permanentmagneterregten Gleichstrommotor für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine hohe Dynamik erforderlich ist und Drehzahl bzw. Geschwindigkeit nur durch Verändern des Stromes auf einfache Weise gesteuert werden können. Dazu gehören als Beispiele Servoantriebe und Positionierantriebe, aber auch Torquemotoren als rotierende oder Linearmotoren als geradlinige Direktantriebe ohne mechanische Getriebe.

Das Prinzip des Motors basiert auf einem Elektromagneten mit konstanter Luftspaltbreite, aber veränderbarem Luftspaltquerschnitt. Die Kräfte im magnetischen Feld sind stets so gerichtet, daß im felderfüllten Raum ein Zustand minimalen magnetischen Widerstandes entsteht. Dies ist bei maximaler Überdeckung von Stator- und Läuferpolen der Fall. Führen in Fig. 1 die Spulen 1-1′, 2-2′ und 3-3′ Strom, so wird der Läufer nach rechts bewegt. Ein zyklisches Weiterschalten des Stromes bewirkt eine kontinuierliche Vorschubkraft. Die Laufrichtung kann durch die Schaltfolge der Wicklungen geändert werden, sie ist von der Stromrichtung unabhängig.

Die Kommutierung, also das zyklische Weiterschalten des Stromes zum nächsten Spulenpaar, kann nicht in konventioneller Weise durch Schleifbürsten ausgeführt werden. Die Richtung der Vorschubkraft hängt nicht von der Polarität des Stromes in der Erregerspule ab, da die Feldkräfte unabhängig von der Stromflußrichtung stets auf eine Verringerung des magnetischen Widerstandes zielen. Durch Umpolen des Stromes kann deshalb auch keine Umkehr der Bewegungsrichtung erreicht werden. Im Beispiel nach Fig. 1 wird bei erregten Wicklungen 1-1′, 2-2′, 3-3′ der Läufer nach rechts bewegt. Um eine kontinuierliche Vorschubkraft nach rechts zu erhalten, wird beim Erreichen völliger Überdeckung von Stator- und Läuferpolen 1-1′ der Strom nach 4-4′ weitergeschaltet (Fig. 1 zeigt diesen augenblicklichen Zustand), schließlich von 2-2′ nach 5-5′ usw.

Die Spulenfelder jedes Polpaares überlagern sich und schließen sich auf kürzestmöglichem Weg, wie in Fig. 1 am Beispiel des Polpaares 2-2′ gezeigt ist. Das von Spule 2 erzeugte Feld nimmt im Stator den Weg über den Steg zwischen den Polen 2 und 2′, passiert Statorpol 2′, Luftspalt und Läuferpol 2′ um über dem Steg zwischen 2′ und 2 im Läufer, Läuferpol 2, Luftspalt und Statorpol 2 den Rückschluß zu finden. Das Feld von Spule 2′ überlagert sich auf gleichem Weg.

Will man bei der in Fig. 1 dargestellten Position eine Richtungsumkehr des Läufers erreichen, so müssen anstelle der dunkel markierten, die jeweils um 3 Polpaare versetzten Spulen erregt werden, also anstelle von 1 -1′ das Spulenpaar 4-4′, anstelle von 2-2′ 5-5′ usw. Dann entsteht unabhängig von der Stromrichtung eine nach links gerichtete Vorschubkraft. Für die Umkehr der Vorschubkraft aus einer gegebenen Läuferposition sind das Einschalten eines anderen Spulenpaares und die Umkehr der Schaltfolge der Wicklungen erforderlich. Dies läßt sich mit Schleifbürsten nicht erreichen, da diese in jeder Position eine richtungsunabhängig eindeutige Zuordnung zwischen Stromquelle und Wicklung herstellen, während beim erfindungsgemäßen Antrieb in jeder Läuferposition ein anderes Spulenpaar Strom führen muß, je nach gewünschter Laufrichtung.

Bekannt von z. B. kollektorlosen permanenterregten Gleichstrommotoren ist die elektronische Kommutierung, bei der Positionssensoren, z. B. Hallgeneratoren, die Position von Läufer zu Stator detektieren und Halbleiterschalter, die fest mit den einzelnen Wicklungen verbunden sind, die Ströme schalten. Diese Methode, bei der die gewünschte Laufrichtung, die augenblickliche Läuferposition und die dafür erforderlichen stromführenden Wicklungen frei miteinander verknüpft werden können, ist für elektromagnetische Antriebe ebenfalls einsetzbar.

Gegenüber der bei den sog. "switched reluctance motors" üblichen Kommutierung ergibt sich für die in Fig. 1 gezeichnete erfindungsgemäße Polanordnung jedoch eine Vereinfachung. Jeweils 2n = 6 Polpaare des Läufers bilden eine Gruppe, innerhalb der benachbarte Polpaare um 1/n gegeneinander verschoben sind. 3 Positionen voneinander entfernte Polpaare sind also um exakt eine Polbreite versetzt. Wie oben gezeigt wurde, muß zur Richtungsumkehr des Läufers innerhalb einer Gruppe anstelle des augenblicklich erregten Polpaares das um 3 Positionen versetzte Polpaar eingeschaltet werden. Es wurde bereits erläutert, daß die Bewegungsrichtung des Läufers nicht von der Stromrichtung abhängt. Man kann deshalb innerhalb einer Gruppe die um 3 Positionen versetzten Polpaare über Gleichrichter so mit der Stromquelle verbinden, daß ein positiver Strom nur durch das Polpaar a-a′ fließt, während ein negativer Strom nur durch (a+3) - (a+3)′ fließt. Auf diese Weise ist es wie bei einem permanentmagneterregten Gleichstrommotor möglich, die Laufrichtung durch Polaritätsumkehr des Stromes zu ändern. Damit läßt sich der erfindungsgemäße Motor wie ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor steuern.

Fig. 2 zeigt am Beispiel der Wicklungen 1-1′ und 4-4′ eine elektronische Schaltung zur Kommutierung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip. 1 und 4 stellen die Reihenschaltungen der Wicklungen 1-1′ bzw. 4-4′ dar. Die Dioden 12, 13 sorgen dafür, daß jede Wicklung nur vom Strom in einer Richtung durchflossen werden kann. Mit dem Umpolen des Stromes wird automatisch auch zwischen den Wicklungen 1 und 4 umgeschaltet, was einer Umkehr der Laufrichtung des Motors entspricht. Der Widerstand 14 dient zur Strommessung, der Verstärker 11 stellt mit seiner Beschaltung den Stromregler dar. Der Verstärker 8 ist als Inverter geschaltet, der die Steuerspannung für den Motor U_st invertiert. Je nach augenblicklicher Stellung der Statorpole 1 und 4 zu den Läuferpolen ist einer der Schalter 9, 10 geschlossen. Die Steuerspannung U_st gelangt entweder direkt oder über den Inverter 8 zum Stromregler, wodurch die positionsabhängige Auswahl der zu erregenden Wicklung erfolgt. Gesteuert werden die Schalter von Positionssensoren am Stator. Das Steuersignal U_k wechselt zwischen zwei Zuständen jeweils dann, wenn die Pole von Stator und Läufer exakt einander gegenüber oder auf Lücke stehen. In Fig. 1 entspricht die für 1 und 4 gezeichnete Stellung diesem Kommutierungszeitpunkt.

Der Vorteil dieser Kommutierungsart beruht auf dem Wegfall von Hochstromschaltern und der Möglichkeit, den zeitlichen Übergang des Stromes von einer zur anderen Wicklung zu beeinflussen und damit "weich" zu gestalten. So können induktive Spannungsspitzen unterdrückt und Störungen weitgehend vermieden werden.

Eine Alternative zur Gewinnung des Positionssignales, die sich mit Vorteil bei elektromagnetischen Antrieben einsetzen läßt, ist die Verwendung der veränderlichen Induktivität eines Polpaares während der Bewegung. Der Vorteil ist der Wegfall von Positionssensoren und deren genauer Justierung: Die relative Position zwischen Stator- und Läuferpolen kann aus der Induktivitätsänderung in dem einem Wicklungspaar zugeordneten magnetischen Kreis abgeleitet werden.

Die Induktivität beginnt mit einem Minimalwert, wenn die Pole einer Gruppe von Läufer und Stator auf Lücke stehen. Sie steigt linear bis zu einem Maximum an, das bei Überdeckung der Pole erreicht wird, um dann wieder linear auf den Minimalwert abzufallen. Geht man davon aus, daß der magnetische Widerstand des Eisenkreises klein gegen den magnetischen Widerstand des Luftspaltes ist, so ergibt sich für die Induktivität L im magnetischen Kreis eines Polpaares folgende Näherung:

Dabei sind w die Windungszahl, µo die Permeabilitätskonstante, a·b die Überdeckungsfläche von Stator- und Läuferpol, entsprechend dem Luftspaltquerschnitt und 1 Luftspaltlänge gleich dem Abstand zwischen den Polen.

Die Induktivität ändert sich proportional zu a, wenn a den vom Läuferpol überdeckten Anteil der Statorpolbreite darstellt. Alle übrigen die Induktivität beeinflussenden Größen der Formel können als konstant angenommen werden.

Der mit einem Wicklungspaar, z. B. 1-1′, verknüpfte magnetische Kreis stellt eine Reihenschaltung dar aus einem Widerstand R_m, der die Verluste repräsentiert und der Induktivität L. Fließt durch die Spule ein Wechselstrom I konstanter Amplitude und konstanter Frequenz f und mißt man die Spannung, die zur Aufrechterhaltung des konstanten Stromes notwendig ist, so erhält man ein Signal, das der Überdeckung der Stator- und Läuferpole a proportional ist:

Sorgt man durch die Wahl einer ausreichend hohen Frequenz f dafür, daß der induktive Anteil des Klammerausdruckes groß ist gegen R_L, so gilt für U:

Zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes können die Maxima bzw. Minima des dreieckförmigen Spannungsverlaufes verwendet werden. Die Extrema können jedoch abgeflacht sein, womit die Unsicherheit groß werden kann. Eine wesentliche Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Kommutierungsposition ermöglicht das folgende Verfahren. Fig. 3 zeigt den Induktivitätsverlauf für 3 aufeinanderfolgende Polpaare, z. B. 4-4′, 5-5′, 6-6′, sowie die Summe der Meßspannungen 5-5′ und 6-6′.

Addiert man die in den Kreisen 5-5′ und 6-6′ nach der oben beschriebenen Methode gewonnenen Meßspannungen und subtrahiert davon eine Gleichspannung, so erhält man den Wert Null für die Kommutierungsposition der Wicklungen 1-1′/4-4′. Eine einstellbare Gleichspannung ermöglicht eine kontinuierliche Verschiebung der Kommutierungsposition und damit eine Optimierung. Bei diesem Verfahren werden die für die Krafterzeugung jeweils inaktiven Wicklungspaare zur Positionsmessung verwendet.

Die Vorschubkraft eines Reluktanzmotors gehorcht der Beziehung

Die Motorkraft ist proportional dem Quadrat des Stromes I, Proportionalitätsfaktor ist ein Quotient aus Konstanten, die nur durch die Motorgeometrie bestimmt werden. Für eine gute Regelbarkeit ist ein linearer Zusammenhang zwischen Strom und Kraft erforderlich. Deshalb wird in den Leistungsverstärker (Fig. 2, Verstärker 11) ein Linearisierungsglied in Form eines Wurzelnetzwerks integriert.

Die Wurzelfunktion kann in bekannter Weise z. B. in Form eines Diodennetzwerkes realisiert werden, siehe dazu z. B. Tietze/Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", Kapitel "Funktionsnetzwerke".

Claims (4)

1. Elektromagnetischer Antrieb für Bewegungen entlang einer Linie, in einer Ebene oder rotierend, der die Vorschubkraft nach dem Prinzip eines Elektromagneten als Anziehungskraft zwischen zwei mit Stator und Läufer bezeichneten, relativ zueinander beweglichen Weicheisenteilen erzeugt, von denen eines von Spulen erregt und das zweite elektrisch passiv ist und beide Weicheisenteile periodische Strukturen (Polteilungen) aufweisen und die Pole in einer solchen Folge erregt werden, daß sich eine kontinuierliche Kraft in der gewünschten Richtung ergibt, gekennzeichnet dadurch, daß einer der relativ zueinander beweglichen Teile des Antriebs, z. B. der Läufer, eine periodische Kammstruktur aus Weicheisenpolen und Zwischenräumen gleicher Breite besitzt, während der andere Teil, z. B. der Stator, in Zweiergruppen aufgeteilte Pole besitzt, deren Breite und Abstand mit dem der konstanten Läuferteilung übereinstimmt, die Zweiergruppen gegeneinander einen ebenfalls konstanten, aber um 1/n größeren Abstand besitzen, so daß sich die Relativpositionen von Stator- zu Läuferpolen nach 2n Polgruppen wiederholen, mit n als der Anzahl gleichzeitig aktiver Polgruppen oder Phasen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Kommutierung um n Polgruppen in Bewegungsrichtung auseinander liegende Wicklungen über Dioden so miteinander verschaltet sind, daß die beliebige Wicklung x nur in einer, die Wicklung (x + n) nur in der entgegengesetzten Richtung vom Strom durchflossen werden kann, wobei n die Anzahl gleichzeitig aktiven Polgruppen oder Phasen darstellt, so daß die zur Umkehr der Bewegungsrichtung erforderliche Weiterschaltung der Erregung um (x + n) Pole nur durch Umkehr der Polarität des Erregerstromes erreicht werden kann.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die bei der Relativbewegung zwischen Stator und Läufer sich periodisch ändernde Induktivität mit einzelnen Polpaaren verknüpfter magnetischer Kreise gemessen und ihr Verlauf zur Bestimmung der Zeitpunkte für die Kommutierung verwendet wird.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß dem zur Erzeugung der Vorschubkraft erforderlichen Spulenstrom ein Testsignal überlagert wird, z. B. eine Wechselspannung konstanter Amplitude und Frequenz, das an einem in Reihe mit der Erregerspule liegenden Meßwiderstand eine Signalkomponente proportional zur Induktivität der Erregerspule erzeugt.