DE19530341A1

DE19530341A1 - Electrodynamic two=coordinate drive for generation of thrust in two directions e.g. for robotics engineering

Info

Publication number: DE19530341A1
Application number: DE1995130341
Authority: DE
Inventors: Markus Vos; Karsten Feindt; Christoph Schaeffel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1995-08-18
Publication date: 1997-02-20

Abstract

The two-coordinate drive involves a stator (2) on which planar coils (3) are arranged next to each other in a matrix format. The coil conductors have a square spiral shape, and can be controlled individually or by segment. A ferromagnetic plate rotor (1) is positioned over the stator, and can move in a planar direction. High energy permanent magnets (4) having a magnetic direction at right angles to the stator are arranged in a cross-shape on the rotor. The size of the stator and the number of coils is related to the required magnitude of rotor travel. The magnets are at least twice as long and about a third as wide as the coils.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Zweikoordinatenantrieb zur Erzeu gung von Schubkräften in zwei Richtungen.The present invention relates to an electrodynamic two-coordinate drive for production generation of thrust in two directions.

Es ist ein elektrodynamischer Antrieb bekannt, bei dem eine Leiterplatte mit kreuzförmigen Leiterzügen zwischen zwei strukturierten magnetischen Platten bewegt wird (Offenlegungsschrift DE 29 01 287). Der Bewegungsbereich bei dieser Anordnung ist durch den vorliegenden Aufbau begrenzt. Die nutzbare Bewegung ist nur außerhalb der Statorplatten abgreifbar. Zur Übertragung von elektrischer Energie zum Läufer wird ein Kabel benötigt. Weiterhin bekannt ist ein elektrody namischer Flächenantrieb bei dem vier quaderförmige Magnete in Kreuzform als Läufer angeordnet sind. Der Stator besteht aus einer Leiterplatte auf dem räumlich übereinander gekreuzte Leiterzüge liegen (Robotics, Mechatronics and Manufacturing Systems, T. Takamori and K. Tsuchiya (Editors), Elsevier Science Publishers B.V. (North-Holland), 1993 IMACS). Die Lagerung des Läufers erfolgt durch die Gegenkräfte der Läufermagneten über einem Hochtemperatur-Supraleiter. Bei dieser Lösung werden große Bereiche mit Strom beaufschlagt, die nicht zur Krafterzeugung beitragen.An electrodynamic drive is known in which a printed circuit board with cross-shaped Traces between two structured magnetic plates is moved (laid-open specification DE 29 01 287). The range of motion in this arrangement is due to the present design limited. The usable movement can only be tapped outside the stator plates. For transmission A cable is required from electrical energy to the rotor. An electrody is also known Namely surface drive with the four cuboid magnets in cross shape as a rotor are arranged. The stator consists of a circuit board on top of one another spatially crossed conductor lines lie (Robotics, Mechatronics and Manufacturing Systems, T. Takamori and K. Tsuchiya (Editors), Elsevier Science Publishers B.V. (North Holland), 1993 IMACS). The The rotor is supported by the opposing forces of the rotor magnets above one High temperature superconductor. With this solution, large areas are powered, that do not contribute to the generation of force.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine gerichtete Antriebs bewegung in mehr als einer Koordinate zu erzeugen, wobei der Läufer berührungslos durch Kraftfelder geführt und bewegt wird.The invention specified in claim 1 addresses the problem of a directional drive generate movement in more than one coordinate, whereby the runner passes through without contact Force fields are guided and moved.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der Bewegungsbereich durch die Anordnung der Spulen nicht beschränkt wird und daß der mit Strom beaufschlagte Bereich begrenzt bleibt. Zwischen Läufer und Stator ist keine Verbindung zur Übertragung elektrischer Energie notwendig.The advantages of the invention are in particular that the range of motion by Arrangement of the coils is not limited and that the area to which current is applied remains limited. There is no connection for the transmission of electrical between the rotor and the stator Energy necessary.

Ein erfindungsgemäßer Aufbau (Fig. 1) besteht aus einem festen Stator 2 und einem beweglichen Läufer 1. Der Stator 2 ist in quadratische Spulenelemente 3 untergliedert, die seperat ansteuerbar sind. Die Spule ist vorzugsweise so gewickelt, daß der Spulenleiter die Form einer quadratischen Spirale annimmt und das Verhältnis Kern- zu Außenbreite der Spule ca. 1 : 3 beträgt (Fig. 2). Die Statorplatte 2 kann vorzugsweise aus einer doppelseitig beschichteten Leiterplatte bestehen (Fig. 3), die durch Ätzen strukturiert wird. Die Spule 3 ist auf der dem Läufer 1 zugewandten Seite angeordnet, die elektrische Zuleitung auf der entgegengesetzten Seite. Die Anbindung der Leiterzüge 5 von Spule und Zuleitung (Fig. 3) erfolgt mittels Durchkontaktierung 6. Zur Vermeidung von elektromagnetischen Störeinflüssen durch die Ströme in den Zuleitungen, insbesondere in der Masseleitung, ist die Dicke der Leiterplatte 7 ausreichend groß zu bemessen. Zur vereinfachten Darstellung wird die Spule 3 mit einem Symbol (Fig. 4) gekennzeichnet. Durch die bipolare Ansteuermöglichkeit der Spule ist ein Stromfluß in beide Richtungen möglich (Fig. 5). A construction according to the invention ( FIG. 1) consists of a fixed stator 2 and a movable rotor 1 . The stator 2 is divided into square coil elements 3 , which can be controlled separately. The coil is preferably wound so that the coil conductor takes the form of a square spiral and the ratio of the core to the outer width of the coil is approximately 1: 3 ( FIG. 2). The stator plate 2 can preferably consist of a circuit board coated on both sides ( FIG. 3), which is structured by etching. The coil 3 is arranged on the side facing the rotor 1 , the electrical feed line on the opposite side. The conductor tracks 5 of the coil and the feed line ( FIG. 3) are connected by means of plated-through holes 6 . In order to avoid electromagnetic interference from the currents in the supply lines, in particular in the ground line, the thickness of the printed circuit board 7 must be dimensioned sufficiently large. To simplify the illustration, the coil 3 is identified by a symbol ( FIG. 4). The bipolar control option of the coil allows current to flow in both directions ( Fig. 5).

Jeweils vier Spulenelemente werden zu einem quadratischem Modul verknüpft (Fig. 6). Die äußern Anschlüsse der Spulen werden zu einem Masseanschluß 8 zusammengefaßt. Beim Anlegen gleicher Spannung an den Spulenanschlüssen 9, 10, 11, 12 ergibt sich ein gleichsinniger Stromfluß (Fig. 7). Beim Anlegen einer negativen Spannung, z. B. an Spulenanschluß 9, ergibt sich der in Fig. 8 gezeigte Stromfluß. Eine beliebige Anzahl dieser Antriebsmodule in matrixförmiger Anordnung bilden den in x-y-Richtung ausgedehnten Stator. In Fig. 9 ist eine erfindungsgemäße Ausführung mit 25 Modulen bzw. 100 Spulenelementen dargestellt. Der Aufbau ist durch eine entsprechend geätzte doppelseitig beschichtete Leiterplatte verwirklicht. Die Zuleitungen zu den Spulenelementen befinden sich auf der Rückseite der Leiterplatte.Four coil elements are linked to form a square module ( FIG. 6). The outer connections of the coils are combined into a ground connection 8 . When the same voltage is applied to the coil connections 9 , 10 , 11 , 12 , there is a current flow in the same direction ( FIG. 7). When applying a negative voltage, e.g. B. at coil terminal 9 , the current flow shown in Fig. 8 results. Any number of these drive modules in a matrix arrangement form the stator, which is extended in the xy direction. FIG. 9 shows an embodiment according to the invention with 25 modules or 100 coil elements. The structure is realized by means of a correspondingly etched printed circuit board coated on both sides. The leads to the coil elements are on the back of the circuit board.

Eine erfindungsgemäße Ausführung des Läufers 1 besteht aus 16 Hochenergiedauermagneten 4 und einer kreuzförmigen Platte die vorzugsweise aus ferromagnetischem Material besteht und als magnetischer Rückschluß dient. Die Ausrichtung der Magnete erfolgt so, daß ein räumlich begrenztes magnetisches Feld senkrecht zu den Leiterzügen der Spule entsteht. Die Größe eines Einzelmagneten 4 ist an die Abmessung eines Spulenelementes 3 gebunden. Die Länge beträgt das Doppelte und die Breite ein Drittel der Breite eines Spulenelementes, d. h. die Seiten verhalten sich wie 6 : 1. Jeweils vier Magnete sind längs mit einem Abstand von zwei Drittel der Spulenbreite nebeneinander angeordnet. Die Polarität der jeweils benachbarten Magneten ist dabei umgekehrt. Die Gruppen aus vier Magneten werden kreuzförmig im Winkel von 90° angeordnet, so daß gegenüberliegende Magnete die gleiche Polarität besitzen.An embodiment of the rotor 1 according to the invention consists of 16 high-energy permanent magnets 4 and a cross-shaped plate which preferably consists of ferromagnetic material and serves as a magnetic yoke. The magnets are aligned in such a way that a spatially limited magnetic field is created perpendicular to the conductor tracks of the coil. The size of an individual magnet 4 is tied to the dimension of a coil element 3 . The length is twice and the width is one third of the width of a coil element, ie the sides behave like 6: 1. Four magnets are arranged alongside each other at a distance of two thirds of the coil width. The polarity of the neighboring magnets is reversed. The groups of four magnets are arranged in a cross shape at an angle of 90 ° so that opposing magnets have the same polarity.

Die Lagerung des Läufers hat möglichst ohne Reibung zu erfolgen. Geeignet sind Luftlager, reibarme Kugellager oder Konstruktionen zur Aufhängung des Läufers. Möglich wäre auch die Lagerung durch die abstoßenden Kräfte der Läufermagnete über einem Supraleiter.The rotor should be stored without friction if possible. Air bearings are suitable Low-friction ball bearings or constructions for suspension of the runner. That would also be possible Storage by the repulsive forces of the rotor magnets over a superconductor.

Bei Bestromung der Spulenelemente 3 entsteht zwischen dem Magneten 4 und den darunter befindlichen bestromten Leiterzügen eine elektrodynamische Kraft (Lorentzkraft). Dabei erzeugen die bestromten Leiterabschnitte der Spulenelemente, die parallel zur Längsachse unter dem Magneten liegen, die gewünschte Antriebskraft (Fig. 10). Die Kraftanteile aus den quer zur Magnetlängsachse liegenden Leiterabschnitten haben entgegengesetzte Richtungen und heben sich somit auf.When the coil elements 3 are energized, an electrodynamic force (Lorentz force) arises between the magnet 4 and the current-carrying conductor tracks located below it. The current-carrying conductor sections of the coil elements, which lie below the magnet parallel to the longitudinal axis, generate the desired driving force ( FIG. 10). The force components from the conductor sections lying transverse to the longitudinal axis of the magnet have opposite directions and thus cancel each other out.

Ein Magnet befindet sich in Ruhelage, wenn er sich nicht über einem parallel zur Längsachse angeordneten bestromten Leiterzug befindet, also genau dann, wenn der Magnet über dem Kern der Spule steht. Der Magnet wird ausgelenkt, wenn er sich über parallel zur Längsachse stehenden Leiterzügen befindet.A magnet is at rest when it is not above a parallel to the longitudinal axis arranged current-carrying conductor track, so exactly when the magnet is above the core the coil is standing. The magnet is deflected when it is parallel to the longitudinal axis standing conductor tracks.

Durch die kreuzförmige Anordnung der Magnete ist es möglich, die Bewegungen in x- und in y-Richtung getrennt anzusteuern. Wird nur eine Richtung angesteuert, übernimmt der jeweils andere Antrieb die Führung des Läufers.The cross-shaped arrangement of the magnets makes it possible to move in the x and y directions to be controlled separately. If only one direction is activated, the other takes over Drive the runner's guide.

Bei entsprechender Ansteuerung der Antriebsspulen eines erfindungsgemäßen Aufbaus erhält man beispielsweise den in den Fig. 9-13 gezeigten kontinuierlichen Bewegungsablauf.With appropriate control of the drive coils of a construction according to the invention, for example, the continuous motion sequence shown in FIGS. 9-13 is obtained.

Claims

1. Electrodynamic two-coordinate drive for controlling movements of a rotor device in the plane, characterized in that planar coils are arranged next to one another in matrix form on a stator, that the coils, the conductor tracks of which have the shape of a square spiral, can be controlled individually or in segments, in such a way that Above the stator is an in-plane movable rotor on which cruciform high-energy permanent magnets with a magnetization direction perpendicular to the stator are arranged, the size of the stator and the number of coils being dimensioned according to the size of the desired range of motion of the rotor so that the rotor consists of a ferromagnetic plate and high-energy permanent magnets, four groups of high-energy permanent magnets are arranged in a cross shape, that the magnets have at least twice the length and about a third of the width of a coil and at a distance of two thirds of the coil width with wec polarity is grouped, the groups of magnets are arranged so that opposite magnets have the same polarity.

2. Electrodynamic two-coordinate drive according to 1, characterized, that four square, planar, spiral excitation coils into a square module are summarized, with all four coils in the middle of the module a common Own ground wire.