DE19712893A1

DE19712893A1 - Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb

Info

Publication number: DE19712893A1
Application number: DE1997112893
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Dittrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-01

Description

Die Erfindung betrifft einen asynchronen Mehrkoordinatenantrieb zur Erzeugung von Verschiebe- und Verdrehbewegungen eines Objektes relativ zu einer ebenen oder ge ring gewölbten Fläche, die durch zwei Koordinaten x, y aufgespannt ist, mit einem vor zugsweise beweglichen Primärteil, auf dem Induktoren angeordnet sind, die jeweils aus einem genuteten Joch aus magnetisch gut leitendem Material, insbesondere einem Pa ket aus Eisenblech und mindestens zwei in die Nuten reihenweise eingelegte, die Lage einer Wirkungslinie des Induktors bestimmende Wicklungen bestehen, mit mindestens einer Ansteuereinheit für die Induktoren, mit einem vorzugsweise ruhenden Sekundär teil, der eine Bewegungsfläche für den Primärteil aufweist und der parallel zur Bewe gungsfläche aus einer elektrisch leitenden Materialschicht und einer magnetisch leiten den Materialschicht besteht und weiterhin mit Distanzelementen zur Einstellung und Beibehaltung eines Luftspaltes zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil.

Zur Erzeugung von Bewegungen in einer Ebene, die durch zwei kartesische Koordina ten, etwa x und y, und eine Winkelkoordinate, z. B. δ, beschrieben werden können, sind neben konventionellen Lösungen, die rotatorische Motoren und mechanische Anord nungen verwenden, auch Mehrkoordinatenmotoren bekannt, bei denen eine Bewegung durch eine spezielle Anordnung erzeugt wird, die ohne mechanische Übertragungs glieder auskommen. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in dem Buch von Kal lenbach/Bögelsack: "Gerätetechnische Antriebe", Hanser-Verlag München Wien 1991, beschrieben. Es werden Prinzipien angegeben, die mit Gleichstrommotoren, mit Syn chronmotoren oder auch mit Piezomotoren arbeiten. Diese Anordnungen gestatten zwar Bewegungen in den beiden kartesischen Koordinaten, jedoch keine oder nur sehr eingeschränkte Bewegungen in der Winkelkoordinate. Piezoelektrische Mehrkoordina tenmotoren bieten diese Möglichkeit, sie können aber nur kleine Vorschubkräfte er zeugen.

Bekannt sind weiterhin Asynchronmotoren, die Bewegungen entlang einer Bahn erzeu gen. So ist in der DE OS 40 23 067 A1 eine "Magnetschwebetechnik in Kombination mit einem asynchronen Linearantrieb" dargestellt. Dabei handelt es sich um eine Anord nung zur Erzeugung von Trag-, Führ- und Vortriebskräften zur berührungslosen Bewe gung von Fahreinheiten, die das Steuerteil zur Stabilisierung des magnetischen Trag feldes und eine Vorrichtung zur Energiezufuhr für einen asynchronen Linearmotor ent halten. Hier werden die magnetischen Normalkräfte des Linearmotors zur Stützung eines Fahrzeuges eingesetzt und durch mindestens einen zusätzlichen Magnetkreis je Motoreinheit, der mit der Reaktionsschiene des Linearmotors Tragkräfte bildet, eine verstärkte Wirkung erzeugt. Beschrieben ist hier vor allem die Ausführung und Anord nung der Blechpakete und Wicklungen für ein Antriebskonzept, mit dem eine Bewe gung in einer Koordinatenrichtung erzeugt werden kann, insbesondere für ein Fahr zeug auf einer Schiene.

Ähnlich verhält es sich mit den Veröffentlichungen DE OS 28 47 410 A1, DE OS 34 13 677 A1, WO 93/17487 und JP 06 014 520 A. Die hier offenbarten technischen Lehren beziehen sich insbesondere auf lineare Asynchronmotoren, z. B. nutzbar zum Antrieb von Hochgeschwindigkeits- und Bodenfahrzeugen. Weitere Anwendungsgebiete beste hen bei Förderern und verschiedenen Elektroantrieben, die den Zweck der Erzeugung von geradlinigen oder hin- und hergehenden Bewegungen von Arbeitsorganen haben. Prinzipiell sind hier stets ein aus einem in Längsrichtung geschichteten Schenkel aus geführter Induktor und ein Sekundärelement, welches einen auf einem magnetisch lei tenden Träger angeordneten elektrisch leitenden Teil aufweist. In den Nuten des längsgeschichteten Schenkels ist eine Mehrphasenwicklung vorgesehen.

Die in den vorgenannten Veröffentlichungen DE OS 34 13 677 A1 und WO 93/17487 dargestellten Asynchronmotoren besitzen dabei bereits einen kleinen und kompakten Aufbau. Dies wird dadurch erreicht, daß diese Asynchronmotoren eine geringere Pol paarzahl besitzen.

Weiterhin sind Asynchronmotoren bekannt, die eine Linearbewegung entlang einer Bahn erzeugen und zusätzlich Kräfte hervorrufen können, die senkrecht zur Bewe gungsrichtung und senkrecht zur stets vorhandenen Kraft zwischen Primärteil und Sekundärteil wirken. Beispielhaft für derartige Asynchronmotoren seien die Veröffentli chungen DE OS 29 42 895 und DE OS 30 12 917 A1 genannt.

Bei dem Vorschlag nach DE OS 2942 895 sind allerdings funktionsbedingt nur sehr kleine Korrekturbewegungen in der zweiten Koordinate möglich. Die Anordnung nach DE OS 30 12 917 dagegen läßt größere Bewegungen zu. Nachteilig ist jedoch der rela tiv komplizierte Aufbau, der dazu führt, daß erstens entlang zweier Bewegungsrich tungen wandernde Magnetfelder teilweise über die magnetischen Querverbindungen kurzgeschlossen und demzufolge nicht wirksam werden können und es zweitens pro blematisch ist, die Magnetbleche immer in Richtung der Magnetfelder anzuordnen. Eine weitere solche Anordnung ist in der Veröffentlichung von Ohira/Kawansisi/Masada "Charakteristics of transportation-switch using x-y linear induction motor (X-Y LIM)", Fifth International Conference on Electrical Machines and Drives, 1991 London, Band 341, Seite 96-100 in ihrer praktischen Anwendung dargestellt.

In der DE OS 38 22 695 A1 wird die prinzipielle Möglichkeit aufgezeigt, mit Hilfe linea rer Asynchronantriebe eine Kugel in drei Koordinaten zu drehen. Die Halterung der Kugel in den drei kartesischen Koordinaten ist durch die Magnetkräfte gewährleistet, die die Motoren als Normalkräfte zwischen den Statoren der Motoren und dem Sekun därteil, daß durch die Kugel gebildet wird, erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen asynchronen Mehrkoordinatenantrieb zu schaffen, der Bewegungen in einer ebenen oder gering gewölbten Fläche erzeugt, die durch zwei kartesische Koordinaten und eine Winkelkoordinate beschrieben werden, der einen einfachen, platzsparenden Aufbau besitzt und in der Lage ist, große Vorschubkräfte zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß von den auf dem Primärteil vorgesehenen Induktoren mindestens zwei Induktoren so angeordnet sind, daß ihre Wirkungslinien unterschiedliche Ausrichtungen zueinander aufweisen oder zwei Grup pen von Induktoren so angeordnet sind, daß ihre resultierenden Wirkungslinien unter schiedliche Ausrichtungen zueinander aufweisen oder ein Induktor und eine Gruppe von Induktoren so angeordnet sind, daß die Wirkungslinie des Induktors und die resul tierende Wirkungslinie der Gruppe von Induktoren unterschiedliche Ausrichtungen zueinander aufweisen, wobei als Gruppe von Induktoren alle Induktoren zu verstehen sind, deren Wicklungen in Parallel- oder Reihenschaltung miteinander verbunden sind, daß mindestens zwei gesonderte Ansteuerschaltungen vorhanden sind und die Induk toren und/oder Gruppen von Induktoren, deren Wirkungslinien bzw. resultierende Wir kungslinien verschiedene Ausrichtungen zueinander aufweisen, mit gesonderten An steuerschaltungen verbunden sind und daß jede Ansteuerschaltung über mindestens einen Betriebsspannungseingang, mindestens einen Ausgang für jede Wicklungen ei nes Induktors oder für jede Wicklung einer Gruppe von Induktoren sowie über einen Steuereingang verfügt, an dem Stellsignale zur Beeinflussung der elektrischen Span nungen an dem mindestens einen Ausgang anliegen.

Im Signalweg vor dem Steuereingang einer jeden Ansteuerschaltung sollte eine Einheit zur Verknüpfung und/oder Wandlung von Bewegungssignalen, die der Koordinate x und/oder einer Winkelkoordinate δ und/oder der Koordinate y zugeordnet sind, zu Stellsignalen vorgesehen sein.

Mit dieser Anordnung ist es möglich, den Primärteil der Einrichtung so anzusteuern, daß dieser Bewegungen in einer Fläche ausführt, die sowohl eben als auch leicht ge krümmt sein kann, wobei die Bewegungen durch die beiden kartesischen Koordinaten x und y und durch die Winkelkoordinate δ beschrieben werden können. Die Bewegun gen und Kräfte sind ohne Zwischenschaltung von mechanischen Getriebegliedern über tragbar. Die Anordnung besitzt einen einfachen und platzsparenden Aufbau und ist in der Lage, große Vorschubkräfte zu erzeugen. So ist es z. B. möglich, auf dem Primärteil Objekte zu befestigen, die durch entsprechende Ansteuerung in der durch die Koordi naten x und y aufgespannten Ebene bewegt werden können, wobei Bewegungen so wohl in beiden kartesischen Koordinatenrichtungen als auch Verdrehbewegungen möglich sind. Ein betreffendes Objekt kann also an beliebigen Positionen innerhalb einer nominellen Bewegungsfläche positioniert und dabei auch in dieser Position oder während seiner Verschiebebewegung verdreht werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft im Zusammenhang mit einem Meß system betrieben werden, welches die Position und die Drehbewegung des Primärteiles in Bezug auf den Sekundärteil ermittelt. Die so gewonnenen Daten lassen sich nach bekannten Verfahren der Informationsverarbeitung weiteren Stellbefehlen zugrunde legen und/oder zur Ermittlung von Erkenntnissen über Form und Ausdehnung von Objekten, die auf dem als Objektträger ausgebildeten Primärteil angeordnet sind, ver wenden.

Vorteilhaft kann die von den Koordinaten x und y aufgespannte Fläche eine ebene Flä che sein. Die Wirkungslinien der einzelnen Induktoren oder die resultierenden Wir kungslinien von Gruppen von Induktoren können parallel zur Bewegungsfläche ange ordnet sein. Hierdurch ergibt sich eine hohe Effizienz bei der Wandlung der zur An steuerung erforderlichen elektrischen Energie in eine Vorschubkraft für das Primärteil.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß auf dem Primär teil zwei Induktoren vorgesehen und deren Wirkungslinien parallel zueinander ausge richtet sind. Das ermöglicht einen besonders einfachen, raumsparenden Aufbau, was die Herstellbarkeit entsprechender Anordnungen mit geringem Aufwand zur Folge hat.

Vorteilhaft sollten für die vorgenannte Ausgestaltung zwei gesonderte Ansteuerschal tungen vorhanden sein, wobei die Ausgänge einer ersten Ansteuerschaltung an den Wicklungen eines ersten Induktors und die Ausgänge einer zweiten Ansteuerschaltung an den Wicklungen eines zweiten Induktors anliegt. Im Signalweg vor dem Steuerein gang der ersten Ansteuerschaltung sollte ein Subtrahierer zur Verknüpfung eines Be wegungssignales für die x-Koordinate mit einem Bewegungssignal für die Winkelkoor dinate δ vorgesehen sein. Im Signalweg vor dem Steuereingang der zweiten Ansteuer schaltung sollte ein Addierer zur Verknüpfung des Bewegungssignales für die x-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Winkelkoordinate δ vorgesehen sein. Auf diese Weise ist eine sehr einfache und funktionssichere Ansteuerung der einzelnen In duktoren und damit eine sichere Betriebsweise des asynchronen Mehrkoordinatenan triebes möglich. Mit der Vorschaltung des Subtrahierers vor den Steuereingang der ersten Ansteuerschaltung zur Erzeugung eines Bewegungssignales für die x-Koordinate ist zugleich für den betreffenden Induktor die Wirkungsrichtung auf der Wirkungslinie der Vorschubkräfte gewählt. Das gilt analog für die Vorschaltung des Addierers vor den Steuereingang der zweiten Ansteuerschaltung zwecks Erzeugung einer Bewegung des Sekundärteiles in der Winkelkoordinate δ. Hierdurch ist der Drehsinn in der Winkel koordinate festgelegt. Es ist denkbar, im Zusammenhang mit der Anschlußfolge der Wicklungen der Induktoren Addierer und Subtrahierer gegeneinander auszutauschen.

In einer sehr bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind vier Induktoren auf dem Primärteil vorgesehen, deren Wirkungslinien paarweise parallel und mit definiertem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Wirkungslinien der beiden so gebilde ten Induktorenpaare orthogonal ausgerichtet sind. Mit dieser Anordnung ist insbeson dere die Drehbewegung des Primärteiles über der Bewegungsfläche mit hoher Genau igkeit ausführbar. Außerdem ist es im Vergleich zur vorgenannten Ausgestaltung mit zwei Induktoren möglich, translatorische Bewegungen sofort in beliebigen Richtungen des kartesischen Koordinatensystems zu veranlassen, ohne vorher eine Drehbewegung des Primärteiles vornehmen zu müssen.

Vorteilhafterweise sind hier vier separate Ansteuerschaltungen vorhanden, von denen jede Ansteuerschaltung mit ihren Ausgängen an den Wicklungen eines gesonderten Induktors anliegt, wobei die Ansteuerschaltungen paarweise je einem Paar Induktoren mit parallel ausgerichteten Wirkungslinien zugeordnet sind. Im Signalweg vor dem Steuereingang der ersten, einem ersten Induktor-Paar zugeordneten Ansteuerschaltung ist ein Subtrahierer zur Verknüpfung eines Bewegungssignals für die x-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Winkelkoordinate δ und im Signalweg vor dem Steuerein gang der zweiten Ansteuerschaltung des ersten Induktor-Paares ist ein Addierer zur Verknüpfung des Bewegungssignales für die x-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Winkelkoordinate δ vorgesehen. Im Signalweg vor dem Steuereingang der ersten Ansteuerschaltung des zweiten Induktoren-Paares ist ein Subtrahierer zur Verknüpfung eines Bewegungssignales für die y-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Win kelkoordinate δ und im Signalweg vor dem Steuereingang der zweiten Ansteuerschal tung des zweiten Induktoren-Paares ist ein Addierer zur Verknüpfung des Bewegungs signales für die y-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Winkelkoordinate δ vorgesehen. Analog zu der oben dargestellten Ausführungsvariante gilt auch hier, daß mit der beschriebenen Einordnung von Subtrahierern und Addierern in die Signalwege vor den Steuereingängen der Ansteuerschaltungen (im Zusammenhang mit der An schlußfolge der Wicklungen der Induktoren und der Phasenverschiebung zwischen der vorzugsweise sinusförmigen Spannung, mit der die Wicklungen der Induktoren ange steuert werden) der Wirkungslinie eines jeden Induktors eine Wirkungsrichtung der Vorschubkräfte aufgeprägt wird. D.h. mit der dargestellten Zuordnung von Subtrahie rern und Addierern wirken die Vorschubkräfte in der x-Koordinate, in der y-Koordinate und auch in der Winkelkoordinate stets in einer Vorzugsrichtung.

Mit dieser Schaltungsanordnung ist die Bewegungsansteuerung des Primärteiles mit hoher Präzision möglich, was eine genaue Ausführung von Bewegungen in den beiden Koordinatenrichtungen wie auch von Verdrehbewegungen des Primärteiles bzw. des auf dem Primärteil angeordneten Objektes gewährleistet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgenannten Ausgestaltungsvarianten der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wirkungslinien der einzelnen Induktoren symme trisch zum Masseschwerpunkt des bewegbaren Primärteiles angeordnet sind. Das führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Präzision bei der Ansteuerung der Bewegungsablaufes so wie bei der Ausführung der Bewegungen durch das Primärteil.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß als Di stanzelemente Kugeln vorhanden sind, deren Oberflächen zumindest teilweise von Kalotten umschlossen sind, die in das bewegbare Primärteil eingelassen sind, wobei die Kugeln in den Kalotten einerseits und auf der Bewegungsfläche des Sekundärteiles andererseits gleitend abrollen. Mit der Tiefe der Kalotten ist vorteilhaft eine definierte Einstellung der Distanz zwischen der Oberseite der Bewegungsfläche und der Untersei te des Primärteiles möglich. Die so eingestellte Distanz wird auch unter der Belastung des Primärteiles mit schweren Objekten sicher beibehalten.

In einer alternativen Ausgestaltungsvariante kann zur Distanzhalterung zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil eine Luftlagerung vorgesehen sein. Luftlagerungen sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt; ihre Anwendung bietet den Vorteil einer äußert minimalen Reibung zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil wäh rend der Relativbewegung zwischen beiden.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des vorschlagsgemäßen Mehrkoordinatenantrie bes mit zwei Induktoren,
fig. 2 die Anordnung von Primärteil und Sekundärteil in Blickrichtung A aus Fig. 1,

Fig. 3 der Verlauf von Wechselspannungen als Ansteuerspannungen für die Wicklungen in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 4 Abhängigkeit der Kraft und der sich ausbildenden Geschwindigkeit von den Größen Spannung, Frequenz und Phasenverschiebung,

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau des vorschlagsgemäßen Mehrkoordinatenantrie bes mit vier Induktoren.

In Fig. 1 ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Mehrkoordinatenantriebes in einer Prinzipskizze dargestellt. Das feststehende Sekundärteil 1 besteht aus dem Rückschluß 2, gefertigt aus einer Schicht von magnetisch gut leitendem Material, vorzugsweise Eisen oder Stahl, und einem auf der Oberseite dieser Schicht angebrachten Belag 3 aus elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium. Die Befesti gung des Belages 3 auf dem Rückschluß 2 ist beispielsweise durch Kleben erfolgt.

Auf dem Sekundärteil 1 ist das Primärteil angeordnet, im folgenden als Bewegungsmo dul 4 bezeichnet. Dieser besteht aus einer Deckplatte 5, die zum Zweck der Erläute rung zwar durchsichtig dargestellt ist, vorzugsweise aber aus magnetisch nichtleiten dem Material, wie z. B. Aluminium, hergestellt ist, zwei translatorischen Induktoren 6 und 7 sowie drei Lagerungselementen 8, 9 und 10. Die zwei Induktoren 6 und 7 sind jeweils an ihrer Oberseite mechanisch fest mit der Unterseite der Deckplatte 5 verbun den. Ebenso sind die drei Lagerungselemente 8, 9 und 10 an ihrer Oberseite fest mit der Unterseite der Deckplatte 5 verbunden.

Fig. 2 zeigt den Bewegungsmodul 4 und das Sekundärteil 1 in einer Ansicht A aus Fig. 1. Es ist der Induktor 6 zu erkennen, der mit seiner Oberseite an der Unterseite der Deck platte 5 befestigt ist. Der Induktor 6 besteht aus einem Joch 11 aus geblechtem Eisen, das auf der dem Sekundärteil 1 zugewandten Seite Zähne 12 und Nuten 13 aufweist. In die Nuten 13 sind zwei Wicklungen 14 und 15 eingelegt.

Von den Lagerungselementen sind in dieser Ansicht die Lagerungselemente 9 und 10 zu sehen; sie sind ebenfalls mit der Deckplatte 5 verbunden. Aus dem Teilschnitt durch eines der Lagerungselemente, nämlich durch das Lagerungselement 9, ist ersichtlich, daß in die unteren, dem Belag 3 zugewandten Endabschnitte der Lagerungselemente 8, 9 und 10 jeweils Kalotten eingelassen sind, in denen je Lagerungselement eine Kugel 16 angeordnet ist, die mit ihrer Oberfläche einerseits auf dem Belag 3 des Sekundär teiles 1 aufliegt und andererseits innerhalb der Kalotte durch eine Anordnung kleinerer Kugeln 17 gegen die Lagerungselemente 8, 9 und 10 abgestützt ist. Die Stützhöhe der Deckplatte 5 über dem Sekundärteil 1 ist durch konstruktive Gestaltung der Höhen der Lagerungselemente 8, 9 und 10 und der Durchmesser der Kugeln 16 und 17 unter Berücksichtigung der Höhe der Induktoren 6 und 7 so gewählt, daß zwischen dem Be lag 3 und den Induktoren 6 und 7 ein Luftspalt L bestehen bleibt, der üblicherweise in der Größenordnung einiger Zehntel-Millimeter liegt. Der Bewegungsmodul 4 kann sich damit auf dem Sekundärteil 1 frei bewegen.

Der Ort, an dem sich der Bewegungsmodul 4 befindet, wird durch das dem Sekundär teil 1 fest zugeordnete Koordinatensystem x₁, y₁ beschrieben. Dem Bewegungsmodul 4 fest zugeordnet ist ein weiteres Koordinatensystem x, y, δ. Dabei beschreibt die Win kelkoordinate δ die Verdrehung zwischen den Koordinatensystemen x₁, y₁ und x, y.

Weiterhin sind in Fig. 1 die Wirkungslinien 18, 19 der Vorschubkräfte der translatori schen Induktoren 6, 7 dargestellt. Die Induktoren 6, 7 sind so am Bewegungsmodul 4 angeordnet, daß beide Wirkungslinien 18 und 19 der Vorschubkräfte parallel zur x-Koordinate des Bewegungsmoduls 4 verlaufen; vorzugsweise schneidet die x-Koordinate außerdem den Masse-Schwerpunkt des Bewegungsmoduls 4. Die y-Koordinate schneidet sowohl beide Wirkungslinien der Induktoren 6, 7 und verläuft dabei ebenfalls, rechtwinklig zur x-Koordinate, vorzugsweise durch den Masse- Schwerpunkt des Bewegungsmoduls 4. Die Induktoren 6, 7 sind übel elektrisch leiten de Kabel 20 und 21, die jeweils mehrere Leiter enthalten, mit den Ausgängen zweier gesonderter Ansteuerschaltungen 22 und 23 verbunden. Dabei liegen die Ansteuer spannungen vom Ausgang der Ansteuerschaltungen 22 an den Wicklungen des Induk tors 6 und die Ansteuerspannungen vom Ausgang der Ansteuerschaltungen 23 an den Wicklungen des Induktors 7 an. Im Signalweg vor dem Steuereingang der Ansteuer schaltung 22 ist ein Subtrahierer 24 zur Verknüpfung eines Bewegungssignals 25 für die x-Koordinate mit einem Bewegungssignal 26 für die Winkelkoordinate δ zu einem Stellsignal für den Induktor 6 vorgesehen. Im Signalweg vor dem Steuereingang der Ansteuerschaltung 23 ist ein Addierer 27 zur Verknüpfung des Bewegungssignals 25 für die x-Koordinate mit dem Bewegungssignal 26 für die Winkelkoordinate δ zu einem Stellsignal für den Induktor 7 vorgesehen. Die Bewegungssignale 25, 26 sind Steuer größen für die Geschwindigkeit in der x-Koordinate und in der Winkelkoordinate δ.

Beim Betreiben des asynchronen Mehrkoordinatenantriebes liegen in den Signalwegen vor den Ansteuerschaltungen die Ergebnisse der Verknüpfungen der Bewegungssignale 25 und 26, d. h. der Steuergrößen für die Geschwindigkeit an, welche die Ausgabe ent sprechender Wechselspannungen von den Ausgängen der Ansteuerschaltungen 22 und 23 an die je zwei Wicklungen der beiden Induktoren 6 und 7 veranlassen.

Der Verlauf dieser Wechselspannungen in Abhängigkeit von der Zeit ist in Fig. 3 darge stellt. In Abhängigkeit von der Größe der Steuersignale können die Frequenz, die Amplitude und/oder die Phasenverschiebung dieser Wechselspannungen geändert werden. Wie hier gezeigt, kann die Richtung der Vorschubkräfte dadurch geändert werden, daß die Spannung U_b einmal eine positive und einmal eine negative Phasenver schiebung zur Spannung U_a aufweist. Beispielhaft liegt die Spannung U_a an der Wick lung 14 und die Spannung U_b an der Wicklung 15.

In der Folge der angelegten Ansteuerspannungen werden die Wicklungen 14 und 15 vom Induktor 6, entsprechend auch vom Induktor 7, vom Strom durchflossen. Im Er gebnis entsteht ein magnetischer Fluß, der über das Joch 11, die Zähne 12, den Luftspalt L zwischen den Zähnen 12 und dem Belag 3, den Belag 3 selbst, den Rück schluß 2 und dann wieder über den Belag 3, den Luftspalt L zurück zum Joch 11 fließt.

Mit den Wechselspannungen, die von den Ausgängen der Ansteuerschaltungen an den Wicklungen anliegen, ändert sich der magnetische Fluß im elektrisch leitfähigen Belag 3, wodurch Spannungen induziert werden und im Belag 3 elektrische Ströme fließen. Mit der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluß und dem elektrischen Strom im Belag 3 entstehen Kräfte, die als Lorentz-Kräfte bekannt sind und in Richtung der Wirkungslinien 18 und 19 der Vorschubkräfte weisen. Diese Kräfte versetzen die be treffenden Induktoren und damit den Bewegungsmodul 4 in Bewegung.

Die Abhängigkeit der Kraft und der sich ausbildenden Geschwindigkeit von den Größen Spannung, Frequenz und Phasenverschiebung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Die beiden Kurven im ersten Quadranten entstehen bei positiver Phasenverschiebung, wie sie in Fig. 3 mit den Verläufen der Spannungen U_a und U_b dargestellt ist, und die zwei Kurven im dritten Quadranten entstehen bei negativer Phasenverschiebung, wie sie in Fig. 3 mit den Spannungen U_a und U_b' dargestellt ist. Diese Kurven entsprechen dem bekannten Verhalten eines Asynchronmotors mit relativ großem Läuferwiderstand an einem Frequenzumrichter.

Wenn eine Bewegung in Richtung der x-Achse erzeugt werden soll, wird ein Bewe gungssignal 25 angelegt, das über den Subtrahierer 24 und den Addierer 27 mit glei chem Vorzeichen auf die Ansteuerschaltungen 22 und 23 geleitet wird. Beide Indukto ren 6 und 7 werden daraufhin gleich angesteuert, es entstehen in beiden Induktoren 6, 7 gleiche Kräfte, und beide Induktoren 6, 7 bewegen sich mit gleichen Geschwindigkei ten entlang ihrer Wirkungslinien 18, 19 und damit in Richtung der x-Achse.

Steht zugleich ein Bewegungssignal 26 an, wird dieses über den Subtrahierer 24 mit negativem, über den Addierer 27 mit invertiertem Vorzeichen weitergeleitet. Die An steuerschaltungen 22, 23 geben dann ungleiche Spannungen aus, die Induktoren 6 und 7 erzeugen unterschiedliche Kräfte und bewegen sich mit unterschiedlicher Ge schwindigkeit, was dazu führt, daß es zu einer Bewegung in der x-Koordinate und au ßerdem zu einer Drehung δ kommt.

Wird nur ein Bewegungssignal 26 angelegt, erzeugen die beiden Ansteuerschaltungen 22, 23 jeweils Spannungen gleicher Amplitude und gleicher Frequenz. Die Phasenver schiebungen zwischen den je zwei Spannungen eines Induktors betragen wegen der Invertierung am Addierer 27 aber einmal +90° und einmal -90°. Beide Induktoren 6,7 erzeugen in diesem Fall zwar Kräfte gleichen Betrages, aber mit unterschiedlichen Vor zeichen. Es kommt zu einer Drehbewegung entsprechend der Winkelkoordinate δ.

Es ist bei Nutzung und Kombination der vorgenannten Ansteuervarianten also möglich, den Bewegungsmodul 4 frei in der durch die Koordinaten x, y aufgespannten Ebene zu bewegen.

Eine zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 5 dar gestellt. Im Bewegungsmodul 30 sind vier translatorische Induktoren 31.1, 31.2, 32.1, 32.2 angeordnet. Das mit dem Bewegungsmodul 30 fest verbundene Koordinatensy stem x, y hat seinen Nullpunkt im Masse-Schwerpunkt des Bewegungsmoduls 30. Die zwei translatorischen Induktoren 31.1 und 31.2 sind so angeordnet, daß die Wirkungs linien 33.1 und 33.2 der Vorschubkräfte parallel zur x-Achse und in gleichen Abstän den zur x-Achse verlaufen, während die y-Achse die Induktoren 31.1, 31.2 in ihrer Längsausdehnung halbiert.

Die beiden translatorischen Induktoren 32.1, 32.2 sind so angeordnet, daß die Wir kungslinien 34.1 und 34.2 der Vorschubkräfte parallel zur y-Achse und in gleichen Abständen zur y-Achse verlaufen, während die x-Achse die Induktoren 32.1, 32.2 in ihrer Längsausdehnung halbiert.

Der Bewegungsmodul 30 kann, wie weiter oben beschrieben, durch Lagerungselemente mit Kugeln abgestützt sein. In einer Ausgestaltungsvariante ist es aber denkbar, am Bewegungsmodul 30 vier Hubelemente 35 vorzusehen, die über eine Versorgungsein heit (nicht dargestellt) mit Druckluft versorgt werden. Die Druckluft wird über An schlüsse (der bessern Übersichtlichkeit wegen ebenfalls nicht dargestellt, jedoch aus der Technik bekannt) durch die Deckplatte 36 hindurch in Kanäle 37 eingeleitet, die sich im Zentrum der Hubelemente 35 befinden. Die Kanäle münden an den dem Sekun därteil 38 zugewandten Endabschnitten der Hubelemente 35 ins Freie. Bei anliegender Druckluft bildet sich zwischen den Endabschnitten der Hubelemente 35 und dem Se kundärteil 38 ein Luftpolster aus, das den Bewegungsmodul 30 trägt und auf diese Weise für eine reibfreie Bewegung des Bewegungsmoduls 30 auf dem Sekundärteil 38 sorgt.

Die vier translatorischen Induktoren 31.1, 31.2, 32.1, 32.2 sind elektrisch mit vier An steuerschaltungen 39.1, 39.2, 40.1, und 40.2 verbunden. Die Steuerung erfolgt analog zu der oben beschriebenen Ausführung mit zwei Induktoren durch die Vorgabe von Steuergrößen für die Geschwindigkeit in den Koordinaten x, y und δ.

Soll eine Bewegung entlang der x-Koordinate ausgeführt werden, gelangt ein entspre chendes Bewegungssignal über den Subtrahierer 41 und den Addierer 42 auf die An steuerschaltungen 39.1 und 39.2. Diese geben Wechselspannungen an die translatori schen Induktoren 31.1 und 31.2 ab. Da die Wirkungslinien 33.1 und 33.2 der Vor schubkräfte der beiden translatorischen Induktoren 31.1 und 31.2 parallel zur x-Achse verlaufen, kommt es zu der gewünschten Bewegung in Richtung der x-Achse.

Analog ist eine Bewegung in Richtung der y-Achse möglich, wenn entsprechende Si gnale über den Subtrahierer 43 und den Addierer 44 auf die Ansteuerschaltungen 40.1 und 40.2 gegeben werden und von dort die Ausgabe von Wechselspannungen an die translatorischen Induktoren 32.1 und 32.2 veranlaßt wird.

Zur Erzeugung einer Verdrehung in der Winkelkoordinate δ werden die Induktoren so angesteuert, daß der Induktor 32.1 eine Kraft in negativer y-Richtung, der Induktor 32.2 eine Kraft in positiver y-Richtung, der Induktor 31.1 eine Kraft in negativer x-Richtung und der Induktor 31.2 eine Kraft in positiver x-Richtung erzeugt.

Mit dieser Anordnung sind translatorische wie auch Drehbewegungen sofort in beliebi gen Richtungen des kartesischen Koordinatensystems möglich.

Es ist weiterhin möglich, die Induktoren 31.1 und 31.2 gemeinsam an der Ansteuer schaltung 39.1 zu betreiben. Auf diese Weise entsteht eine Gruppe von Induktoren mit einer gemeinsamen resultierenden Wirkungslinie, die mit der x-Achse zusammenfällt. Auf die Ansteuerschaltung 39.2, auf den Addierer 42 sowie auf den Eingang des Steu ersignals für die Verdrehung in der Winkelkoordinate δ am Subtrahierer 41 kann dann verzichtet werden. In diesem Falle werden die Kräfte für die Verdrehung in der Winkel koordinate δ nur durch die Induktoren 32.1 und 32.2 erzeugt. Alternativ wäre es in dieser Art ebenso möglich, die Induktoren 32.1 und 32.2 zu einer Gruppe von Indukto ren zusammenzufassen.

In den beschriebenen Ausgestaltungen werden beispielhaft Induktoren eingesetzt, die die Phasenzahl zwei besitzen und bei denen für jede Phase nur jeweils eine Wicklung vorgesehen ist. Derartige Induktoren lassen sich einfach und platzsparend aufbauen. Es ist aber auch möglich, Dreiphaseninduktoren oder Induktoren mit einer größeren Phasenzahl einzusetzen. Ebenso ist es denkbar, die Anzahl der Pole zu vergrößern, indem je Phase mehrere Wicklungen aufgebracht werden. Mit der Zunahme der wirk samen Anzahl der Pole werden die erzeugten Vorschubkräfte größer.

Weitere Variationsmöglichkeiten der Erfindung bestehen darin, daß jeweils der Bewe gungsmodul mechanisch fest an einer Basis angeordnet und das Sekundärteil beweg bar ausgeführt ist.

Bezugszeichenliste

1

Sekundärteil

2

Rückschluß

3

Belag

4

Bewegungsmodul

5

Deckplatte

6

,

7

Induktoren

8

,

9

,

10

Lagerungselemente

11

Joch

12

Zähne

13

Nuten

14

,

15

Wicklungen

16

Kugelgroß

17

Kugeln klein

18

,

19

Wirkungslinien

20

,

21

Kabel

22

,

23

Ansteuerschaltungen

24

Subtrahierer

25

Bewegungssignal x-Koordinate

26

Bewegungssignal Winkelkoordinate δ

27

Addierer

30

Bewegungsmodul

31.1

,

31.2

,

32.1

,

32.2

Induktoren

33.1

,

33.2

,

34.1

,

34.2

Wirkungslinien

35

Hubelemente

36

Deckplatte

37

Kanäle

38

Sekundärteil

39.1

,

39.2

,

40.1

,

40.2

Ansteuerschaltungen

41

,

43

Subtrahierer

42

,

44

Addierer
L Luftspalt

Claims

1. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb zur Erzeugung von Verschiebe- und Ver drehbewegungen eines Objektes relativ zu einer ebenen oder gering gewölbten Fläche, die durch zwei Koordinaten x, y aufgespannt ist, mit einem vorzugsweise beweglichen Primärteil, auf dem Induktoren angeordnet sind, die jeweils aus ei nem genuteten Joch aus magnetisch gut leitendem Material, insbesondere einem Paket aus Eisenblech, und mindestens zwei in die Nuten reihenweise eingelegte, die Lage einer Wirkungslinie des Induktors bestimmende Wicklungen bestehen, mit mindestens einer Ansteuerschaltung zur Ausgabe von elektrischen Spannun gen, vorzugsweise von Wechselspannungen, an die Wicklungen, mit einem vor zugsweise ruhenden Sekundärteil, der eine Bewegungsfläche für den Primärteil aufweist und der parallel zur Bewegungsfläche aus einer elektrisch leitenden Ma terialschicht und einer magnetisch leitenden Materialschicht besteht und weiter hin mit Distanzelementen zur Einstellung und Beibehaltung eines Luftspaltes zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil, dadurch gekennzeichnet,

- daß von den auf dem Primärteil vorgesehenen Induktoren mindestens zwei In duktoren so angeordnet sind, daß ihre Wirkungslinien unterschiedliche Ausrich tungen zueinander aufweisen oder zwei Gruppen von Induktoren so angeordnet sind, daß ihre resultierenden Wirkungslinien unterschiedliche Ausrichtungen zu einander aufweisen oder ein Induktor und eine Gruppe von Induktoren so an deordnet sind, daß die Wirkungslinie des Induktors und die resultierende Wir kungslinie der Gruppe von Induktoren unterschiedliche Ausrichtungen zueinan der aufweisen, wobei als Gruppe von Induktoren alle Induktoren zu verstehen sind, deren Wicklungen in Parallel- oder Reihenschaltung miteinander verbunden sind,
- daß mindestens zwei gesonderte Ansteuerschaltungen vorhanden sind und die Induktoren und/oder Gruppen von Induktoren, deren Wirkungslinien bzw. resul tierende Wirkungslinien verschiedene Ausrichtungen zueinander aufweisen, je weils mit gesonderten Ansteuerschaltungen verbunden sind und daß
- jede Ansteuerschaltung über mindestens einen Betriebsspannungseingang, min destens einen Ausgang für jede Wicklungen eines Induktors und/oder für jede Wicklung einer Gruppe von Induktoren sowie über einen Steuereingang verfügt, an dem Stellsignale zur Beeinflussung der elektrischen Spannungen am Ausgang anliegen.

2. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg vor dem Steuereingang einer jeden Ansteuerschaltung eine Einheit zur Verknüpfung und/oder Wandlung von Bewegungssignalen, die der Koordinate x und/oder einer Winkelkoordinate δ und/oder der Koordinate y zu geordnet sind, zu Stellsignalen vorgesehen ist.

3. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bewegungsfläche eine ebene Fläche, aufgespannt von den kartesischen Koordinaten x und y, vorgesehen ist.

4. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungslinien der einzelnen Induktoren oder die resultierenden Wir kungslinien von Gruppen von Induktoren parallel zur Bewegungsfläche ausge richtet sind.

5. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktoren (6, 7) auf dem Primärteil vorgesehen und ihre Wirkungslini en (18, 19) parallel zueinander ausgerichtet sind.

6. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gesonderte Ansteuerschaltungen (22, 23) vorhanden sind, wobei die Ausgänge einer ersten Ansteuerschaltung (22) an den Wicklungen (14, 15) eines ersten Induktors (6) und die Ausgänge einer zweiten Ansteuerschaltung (23) an den Wicklungen eines zweiten Induktors (7) anliegen und im Signalweg vor dem Steuereingang der ersten Ansteuerschaltung (22) ein Subtrahierer (24) zur Ver knüpfung eines- Bewegungssignals (25) für die x-Koordinate mit einem Bewe gungssignal (26) für die Winkelkoordinate δ und im Signalweg vor dem Steuer eingang der zweiten Ansteuerschaltung (23) ein Addierer (27) zur Verknüpfung des Bewegungssignals (25) für die x-Koordinate mit dem Bewegungssignal (26) für die Winkelkoordinate δ vorgesehen sind.

7. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Induktoren (31.1, 31.2, 32.1, 32.2) auf dem Primärteil vorgesehen sind, deren Wirkungslinien (33.1, 33.2, 34.1, 34.2) paarweise parallel und mit definiertem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Wirkungsli nien orthogonal ausgerichtet sind.

8. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier gesonderte Ansteuerschaltungen (39.1, 39.2, 40.1, 40.2) vorhanden sind und jede Ansteuerschaltung (39.1, 39.2, 40.1, 40.2) mit ihren Ausgängen an den Wicklungen eines gesonderten Induktors anliegt, wobei die Ansteuerschaltungen (39.1, 39.2, 40.1, 40.2) paarweise je einem Paar Induktoren (31.1, 31.2 und 32.1, 32.2) mit parallel ausgerichteten Wirkungslinien (33.1, 33.2 und 34.1, 34.2) zugeordnet sind, daß im Signalweg vor dem Steuereingang der ersten, einem er sten Induktoren-Paar (31.1, 31.2) zugeordneten Ansteuerschaltung (39.1) ein Sub trahierer (41) zur Verknüpfung eines Bewegungssignals für die x-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Winkelkoordinate δ und im Signalweg vor dem Steuereingang der zweiten Ansteuerschaltung (39.2) des ersten Induktoren- Paares (31.1, 31.2) ein Addierer (42) zur Verknüpfung des Bewegungssignals für die x-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Winkelkoordinate δ vorgese hen sind und daß im Signalweg vor dem Steuereingang einer ersten Ansteuer schaltung (40.1) des zweiten Induktoren-Paares (32.1, 32.2) ein Subtrahierer (43) zur Verknüpfung eines Bewegungssignals für die y-Koordinate mit dem Bewe gungssignal für die Winkelkoordinate δ und im Signalweg vor dem Steuereingang einer zweiten Ansteuerschaltung (40.2) des zweiten Induktoren-Paares (32.1, 32.2) ein Addierer (44) zur Verknüpfung des Bewegungssignals für die y-Koordinate mit dem Bewegungssignal für die Winkelkoordinate δ vorgesehen sind.

9. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungslinien der einzelnen Induktoren sym metrisch zum Masseschwerpunkt des bewegbaren Primärteils angeordnet sind.

10. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Distanzelemente Kugeln (16) vorgesehen sind, deren Oberflächen zumindest teilweise in Kalotten, welche in den bewegbaren Primärteil eingelassen sind, gleitend angeordnet sind und andererseits auf der Bewegungsfläche des Sekundärteiles (1) abrollen.

11. Asynchroner Mehrkoordinatenantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Distanzhaltung zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil eine Luftlagerung vorgesehen ist.