DE19722814A1

DE19722814A1 - Multiple axis drive with variable rotor or stator poles

Info

Publication number: DE19722814A1
Application number: DE1997122814
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl Ing Prust
Original assignee: Dirk Dipl Ing Prust
Current assignee: PRUST, DIRK, DIPL.-ING., 78532 TUTTLINGEN, DE
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-12-03

Abstract

The drive has a density of permanent magnetic poles (2,3) smaller in all directions than the density of the electromagnetic poles (5). The magnetic effect of the electromagnetic poles is controlled in field strength and direction depending on the relative mutual positions of the stator (4) and rotor (1). The permanent magnets are mounted on the rotor and the stator poles are stimulated electromagnetically. The stator pole density is greater in all directions than that of the rotor. Alternatively, the permanent magnets can be mounted on the stator.

Description

field of use

Die Erfindung betrifft ein Antriebskonzept entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a drive concept according to the preamble of Claim 1.

State of the art

Die Bestrebungen, mehrachsige Antriebe zu entwickeln, sind nicht neu. Der Zweck aller bekannten Realisierungen läßt sich wie folgt beschreiben: Werden ausschließ lich Rotationsachsen verwendet, läßt sich der Abtriebsflansch der Vorrichtungen um zwei oder drei Achsen drehen, die sich in einem Punkt schneiden. Für den Abtriebs flansch ergibt sich damit ein kugelförmiger Bewegungsraum. Bei der Verwendung von Linearachsen oder deren Kombination mit Rotationsachsen sind z. B. flächige oder zylinderförmige Bewegungsräume realisierbar.The efforts to develop multi-axis drives are not new. The purpose All known realizations can be described as follows: Are excluded Lich rotation axes used, the output flange of the devices around rotate two or three axes that intersect at a point. For the downforce flange results in a spherical range of motion. When using of linear axes or their combination with rotational axes are e.g. B. flat or cylindrical movement spaces can be realized.

Ein kugelförmiger Bewegungsraum kann auf unterschiedliche Art und Weise erreicht werden. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist das kinematische bzw. das Lagerungsprinzip. Die überwiegende Anzahl der Kugelmotorentwicklungen nutzt die Kugeloberfläche als Lauffläche für Wälzkörper, /4, 5, 6, 7/. Der Antrieb nach /8/ kann nur um zwei Achsen schwenken, wobei das Drehmoment nicht wie üblich elektroma gnetisch erzeugt wird. Die Kugel wird hier durch piezoelektrisch gesteuerte Wander wellen gedreht, wobei die Antriebspfannen gleichzeitig die Einspannung der Kugel bilden. Die Konstruktion nach /2/ verwendet statt einer Kugel ein kardanisches Ge lenk, das wälzgelagert ist. Dieses Prinzip wird in den meisten Werkzeugmaschinen mit vierter und fünfter Achse sowie bei Robotern als Handkinematik genutzt /1/. Der Antrieb nach /3/ ist als Flugsimulator vorgesehen und verfügt über eine magnetische Lagerung.A spherical range of motion can be achieved in different ways will. An essential distinguishing feature is the kinematic or the Storage principle. The vast majority of spherical motor developments use the Ball surface as running surface for rolling elements, / 4, 5, 6, 7 /. The drive to / 8 / can only pivot about two axes, the torque is not as usual electroma generated genetically. The ball is here moved by piezoelectrically controlled shafts rotated, the drive pans simultaneously clamping the ball form. The construction according to / 2 / uses a gimbal instead of a ball steering that is mounted on roller bearings. This principle is used in most machine tools with fourth and fifth axes and used as hand kinematics in robots / 1 /. Of the Drive to / 3 / is intended as a flight simulator and has a magnetic Storage.

Die Art der Drehmomenterzeugung ist ein weiteres wesentliches Unterscheidungs merkmal der Kugelmotoren. Eine mögliche Bauform für einen Kugelmotor ist der bürstenlose Gleichstrommotor /2/. Er besteht aus einem Rotor, der aus einem schei benförmigen Joch und vier auf dem Rand aufgebrachten Magneten besteht, die ra dial magnetisiert sind. Der Ständer trägt eine dreiphasige Wicklung, die alle vier Ständerpole durchläuft. Der Drehmomentvektor ist meist mit allen drei Ständerströ men verkoppelt, so daß zur Drehmomententwicklung mindestens zwei Phasen aktiv sind. Mit diesem Motor lassen sich alle drei Drehrichtungen durch eine vergleichs weise einfache Speisung realisieren.The type of torque generation is another essential distinction feature of the ball motors. A possible design for a spherical motor is the brushless DC motor / 2 /. It consists of a rotor made of a shi ben-shaped yoke and four magnets attached to the edge, the ra are magnetized. The stand carries a three-phase winding, all four Through the stator poles. The torque vector is usually with all three stator currents men coupled so that at least two phases are active for torque development are. With this motor, all three directions of rotation can be compared Realize simple supply.

Auf das Funktionsprinzip eines sphärischen Reluktanzmotors sowie eine Optimie rung bzgl. des zu erreichenden Drehmoments wird in /4, 5, 6, 7, 9/ eingegangen. Die Pole der Maschine werden gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Für eine ge schlossene Kontur stehen hierzu nur reguläre Polyeder zur Verfügung, deren Anzahl auf fünf begrenzt ist. Diese Polyeder besitzen 4, 6, 8, 12, bzw. 20 Eckpunkte, wes halb die Anzahl der Ständer- und Läuferpole auf je maximal 20 begrenzt ist, wenn diese auf den Eckpunkten der Polyeder liegen sollen. Die Polschuhe haben dabei eine kreisrunde Form. Um eine möglichst glatte Oberfläche, die nur einen kleinen Reibungswiderstand bietet, für die Lagerung zu erzielen, wird der Läufer aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt. Darin sind die Läuferpolschuhe eingearbeitet. Diese werden im Innern des Läufers in einem Sternpunkt magnetisch kurzgeschlos sen. Jeder Ständerpol ist mit einer Spule versehen, die individuell erregt werden kann. Das Ständergehäuse bildet für die Ständerpolschuhe einen magnetischen Rückschluß, so daß sich ein magnetischer Kreis (Ständer, Luftspalt und Rotor) er gibt.On the principle of operation of a spherical reluctance motor as well as an optimization The torque to be achieved is discussed in / 4, 5, 6, 7, 9 /. The Poles of the machine are evenly distributed on the surface. For a ge closed contour, only regular polyhedra are available for this, their number is limited to five. These polyhedra have 4, 6, 8, 12 and 20 vertices, respectively Half the number of stator and rotor poles is limited to a maximum of 20 each, if these should lie on the corner points of the polyhedra. The pole shoes have it a circular shape. To make the surface as smooth as possible, only a small one Provides frictional resistance, for the bearing to achieve, the runner becomes one made of non-magnetic material. The runner pole shoes are incorporated into it. These are magnetically short-circuited in a star point inside the rotor sen. Each stator pole is provided with a coil that is individually excited can. The stator housing forms a magnetic for the stator pole shoes Inference so that there is a magnetic circuit (stator, air gap and rotor) gives.

In /10/ wird das Funktionsprinzip eines sphärischen Induktionsmotors dargestellt und eine Analyse der auftretenden Momente, sowie Verlustleistungen durchgeführt. Der Läufer besteht aus einem Eisenkern, der von einer leitfähigen Schicht. Im Ständer des Motors sind die Nuten so angebracht, daß der Strom in den Ständerwicklungen nur in eine Raumrichtung fließt. Hierdurch entsteht ein Drehfeld, welches im Läufer Ströme induziert, wodurch eine Momentbildung möglich ist. Das auftretende Drehmoment wirkt nur in eine Raumrichtung. Es ist dabei von der Luftspaltdicke, so wie von der Dicke der leitfähigen Schicht auf dem Läuferkern abhängig. Wird der Grenzübergang zu einer sehr dünnen Schicht durchgeführt, so treten die größten Momente auf.The operating principle of a spherical induction motor is shown in / 10 / an analysis of the occurring moments, as well as power losses are carried out. Of the Runner consists of an iron core covered by a conductive layer. In the stand the slots of the motor are mounted so that the current in the stator windings only flows in one direction. This creates a rotating field, which is in the rotor Currents induced, whereby a moment is possible. The occurring Torque only acts in one direction. It is from the air gap thickness, so as dependent on the thickness of the conductive layer on the rotor core. Will the Border crossing carried out to a very thin layer, so the largest occur Moments on.

Der Flächenmotor, oft auch wegen seiner quadratischen Polflächen Schachbrett motor genannt, bringt durch seinen ebenen Aufbau eine einfach zu realisierende La gerung mit sich. Er zeichnet sich durch einen meist regelmäßig mit Magneten be legten Rotor aus, dem ein elektrisch erregter Stator gegenübersteht. Durch die re gelmäßige Teilung der Läuferpole kann eine Wicklung mit geringer Phasenzahl ge wählt werden und erfordert somit einen geringen Aufwand bei der Lageerfassung und Spulenspeisung. Der in /45/ vorgeschlagene zweiphasige Motor ist allerdings durch eine sehr schlechte Polbedeckung von αi = 8,8% gekennzeichnet. Flächen motoren und z. B. Dreh-Hubantriebe sind bereits am Markt verfügbar /12/.The flat motor, often also because of its square pole faces chess board called motor, due to its flat structure brings an easy to implement La with himself. It is characterized by a mostly regular magnet designed rotor, which is opposed by an electrically excited stator. By the right A regular winding of the rotor poles can result in a winding with a low number of phases be selected and therefore requires little effort in the position detection and coil feeding. However, the two-phase motor proposed in / 45 / is characterized by a very poor pole coverage of αi = 8.8%. Surfaces motors and z. B. Rotary actuators are already available on the market / 12 /.

Disadvantages of the prior art

Das grundsätzliche Problem von Mehrkoordinatenantrieben ist, daß sich die Über deckungsverhältnisse zwischen Ständer- und Läuferpol in Abhängigkeit von jeder Achsstellung stark ändern. Die Pole der Maschine /4, 5, 6, 7, 9/ werden gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Für eine geschlossene Kontur stehen hierzu nur reguläre Polyeder zur Verfügung, deren Anzahl auf fünf begrenzt ist. Diese Polyeder besitzen 4, 6, 8, 12, bzw. 20 Eckpunkte, weshalb die Anzahl der Ständer- und Läuferpole auf je maximal 20 begrenzt ist, wenn diese auf den Eckpunkten der Polyeder liegen sol len. Die Polschuhe haben dabei eine kreisrunde Form. Der Drehmomentverlauf im Bewegungsbereich wird dadurch sehr inhomogen. Das maximale Drehmoment ist gering.The fundamental problem of multi-coordinate drives is that the over Coverage between stator and rotor pole depending on each Change axis position strongly. The poles of the machine / 4, 5, 6, 7, 9 / become even spread over the surface. For a closed contour there are only regular ones Polyhedra available, the number of which is limited to five. These polyhedra have 4, 6, 8, 12 or 20 corner points, which is why the number of stator and rotor poles increases is limited to a maximum of 20 each, if these are on the corner points of the polyhedra len. The pole pieces have a circular shape. The torque curve in This makes the range of motion very inhomogeneous. The maximum torque is low.

Der bürstenlose Gleichstrommotor nach /2/ ist durch eine schlechte Ausnutzung ge kennzeichnet, da die Magnetbelegung aufgrund des scheibenförmigen Läufers ge ring ist. Er ist vorwiegend geeignet für eine Rotation um die Nord-Süd-Achse. Kipp bewegungen um eine Achse in der Äquatorebene sind auf eine maximale Auslen kung von 15° begrenzt und können zudem nur mit einem deutlich reduzierten Mo ment gefahren werden, da der hierbei von den Spulen umfaßte Flußquerschnitt klein ist. Diese Bauform eignet sich vor allem für Anwendungen, in denen neben einem kleinen Schwenkbereich nur kleine Momente bei vorwiegend einachsiger Drehung verlangt werden. In /5/ wird die analytische Berechnung des Motors vorgestellt und die Rechenergebnisse mit Messungen an einem Prototypen verglichen. Der Prototyp hat bei einem Luftspaltdurchmesser von 50 mm und abhängig von der Drehrichtung ein Drehmoment deutlich unterhalb von 1 Nm.The brushless DC motor according to / 2 / is due to poor utilization indicates that the magnetic assignment due to the disc-shaped rotor ring is. It is primarily suitable for rotation around the north-south axis. Tilt Movements around an axis in the equatorial plane are at maximum deflection angle of 15 ° and can only be used with a significantly reduced mo ment are driven, since the river cross-section encompassed by the coils is small is. This design is particularly suitable for applications in which, in addition to one small swivel range only small moments with predominantly uniaxial rotation be requested. In / 5 / the analytical calculation of the engine is presented and comparing the calculation results with measurements on a prototype. The prototype has an air gap diameter of 50 mm and depends on the direction of rotation a torque well below 1 Nm.

Der Antrieb nach /8/ kann nur um zwei Achsen schwenken, wobei diese nacheinan der verstellt werden müssen. Dadurch ist die Bahngenauigkeit stark herabgesetzt. Prinzipbedingt können hier nur kleine Drehmomente erreicht werden. Die dazu pro portionale Reibkraft an den Antriebspfannen ist durch die möglichen Amplituden der Wanderwellen begrenzt. The drive to / 8 / can only swivel around two axes, these one after the other which have to be adjusted. As a result, the path accuracy is greatly reduced. In principle, only small torques can be achieved here. The pro proportional frictional force on the drive cups is due to the possible amplitudes Traveling waves limited.

Der in /11/ vorgeschlagene zweiphasige Flächenmotor ist durch eine sehr schlechte Polbedeckung und somit geringe Vorschubkräfte gekennzeichnet.The two-phase surface motor proposed in / 11 / is very bad Pole coverage and thus low feed forces marked.

Object of the invention

Das Antriebskonzept mit variabler Ständer- oder Läuferpolung ermöglicht mehrach sige Bewegungen des Nutzflansches mit einem Antriebssystem. Die Bewegungs richtungen und -achsen sind vom mechanischen Aufbau abhängig und können bis hin zu sechs Freiheitsgraden im Raum frei konfiguriert werden.The drive concept with variable stator or rotor polarity enables multiple options sig movements of the useful flange with a drive system. The movement directions and axes depend on the mechanical structure and can be up to up to six degrees of freedom can be freely configured in the room.

Solution of the task

Die Aufgabe wird durch ein Antriebskonzept mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a drive concept with the features of claim 1 solved.

Advantages of the invention

Die variable Polung von Ständer oder Läufer stellt auch bei mehrdimensionaler Be wegung eine weitgehend homogene Überdeckung zwischen Ständer- und Läuferpol sicher. Daraus ergeben sich, unabhängig von den Achsstellungen, je nach Verhältnis der Ständerpolteilung zur Läuferpolteilung relativ konstante Drehmomente bzw. Vor schubkräfte in allen Achsen.The variable polarity of the stator or rotor also provides multi-dimensional loading movement a largely homogeneous overlap between the stator and rotor poles for sure. This results, depending on the ratio, regardless of the axis positions the stator pole pitch to the rotor pole pitch relatively constant torques or ago thrust in all axes.

Die variable Polung ermöglicht unbegrenzte Bewegungen in unterschiedlichen Richtungen oder um unterschiedliche Achsen.The variable polarity enables unlimited movements in different Directions or around different axes.

Mit einem Antriebssystem sind Bewegungen in unterschiedlichen Richtungen reali sierbar.Movements in different directions are real with a drive system sizable.

Bei der Anwendung des Antriebskonzeptes als Direktantrieb können hohe Beschleu nigungen erreicht werden. Durch den Wegfall von untersetzenden Antriebselemen ten steigt die Genauigkeit des Antriebes, nicht zuletzt dadurch, daß die Ist-Position direkt am Abtrieb gemessen wird. When using the drive concept as a direct drive, high can be achieved. By eliminating reducing drive elements ten increases the accuracy of the drive, not least because the actual position is measured directly on the output.

bibliography

/1/ M. Weck Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme Band 1, VDI-Verlag Düsseldorf, 1991
/2/ K. Kaneko
I. Yamada
K. Itao A Spherical DC Servo Motor With Three Degrees of Freedom, Transactions of the ASME Journal of Engi neering for Industry, Bd. 111, S. 378-388, 1989
/3/ R. E. Lordo
L. W. McSparran Motion Simulator, European Patent Specification, Pu blication number: EP 0421 029 B1, 1994
/4/ K.-M. Lee
C.-K. Kwan Design Concept Development of a Spherical Stepper Motor for Robotic Applications, IEEE Tranactions on Robotics and Automatio, Bd. 7, Nr. 1, S. 175-181, 1991
/5/ K.-M. Lee
G.J. Vachtsevanos
C. E. Kwan Development of a Spherical Stepper Writs Motor, IEEE Conference on Robotics and Automation, Philadelphia, S. 225-242, 1988
/6/ G.J. Vachtsevanos
A. K. Davey
K.-M. Lee Development of a Novel Intelligent Robotic Manipula tor, IEEE Control Systems Magazine, S. 9-15, 1987
/7/ K.-M. Lee
R.B. Roth
Z. Zhou Dynamic Modeling and Control of a Ball-Joint-Like Va riable-Reluctance Spherical Motor, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Bd. 118, S. 29-40, 1996
/8/ S. Toyama Development of Sperical Ultrasonic Motor, Annals of the CIRP Vol. 45/1/1996
/9/ R.B. Roth
K.-M. Lee Design Optimization of a Three Degrees-of-Freedom Variable-Reluctance Spherical Wrist Motor, Transacti ons of the ASME Journal of Engineering for Industry, Bd. 117, S. 378-388, 1995
/10/ K. Davey
G. Vachtsevanos
A. R. Powers The Analysis of Fields and Torques in a Spherical In duction Motor, IEEE Transactions on Magnetics, Bd. 23, S. 273-281, 1987
/11/ B. Ebihara
M. Watada Surface Motor Drive Control
/12/ N.N. Firmenschrift LAT Linear-Antriebs-Technik GmbH, Bad Boll/ 1 / M. Weck Machine Tools Manufacturing Systems Volume 1, VDI-Verlag Düsseldorf, 1991
/ 2 / K. Kaneko
I. Yamada
K. Itao A Spherical DC Servo Motor With Three Degrees of Freedom, Transactions of the ASME Journal of Engineering for Industry, Vol. 111, pp. 378-388, 1989
/ 3 / RE Lordo
LW McSparran Motion Simulator, European Patent Specification, Publication number: EP 0421 029 B1, 1994
/ 4 / K.-M. lee
C.-K. Kwan Design Concept Development of a Spherical Stepper Motor for Robotic Applications, IEEE Tranactions on Robotics and Automatio, Vol. 7, No. 1, pp. 175-181, 1991
/ 5 / K.-M. lee
GJ Vachtsevanos
CE Kwan Development of a Spherical Stepper Writs Motor, IEEE Conference on Robotics and Automation, Philadelphia, pp. 225-242, 1988
/ 6 / GJ Vachtsevanos
AK Davey
K.-M. Lee Development of a Novel Intelligent Robotic Manipula tor, IEEE Control Systems Magazine, pp. 9-15, 1987
/7 KM. lee
RB Roth
Z. Zhou Dynamic Modeling and Control of a Ball-Joint-Like Variable-Reluctance Spherical Motor, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 118, pp. 29-40, 1996
/ 8 / S. Toyama Development of Sperical Ultrasonic Motor, Annals of the CIRP Vol. 45/1/1996
/ 9 / RB Roth
K.-M. Lee Design Optimization of a Three Degrees-of-Freedom Variable-Reluctance Spherical Wrist Motor, Transacti ons of the ASME Journal of Engineering for Industry, Vol. 117, pp. 378-388, 1995
/ 10 / K. Davey
G. Vachtsevanos
AR Powers The Analysis of Fields and Torques in a Spherical In duction Motor, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 23, pp. 273-281, 1987
/ 11 / B. Ebihara
M. Watada Surface Motor Drive Control
/ 12 / NN company lettering LAT Linear-Antriebs-Technik GmbH, Bad Boll

Description of exemplary embodiments

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden in im folgenden näher beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the figures and are described in more detail below. Show it

Fig. 1 Prinzip der variablen Polung; Fig. 1 principle of variable polarity;

Fig. 2 Perspektivische Ansicht eines dreiachsigen Kugelgelenkantrie bes mit variabler Ständerpolung; Fig. 2 Perspective view of a three-axis ball joint drive with variable stator polarity;

Fig. 3 Schnittdarstellung von Lagerung und Bremse des Kugelgelenk antriebes; Fig. 3 sectional view of the bearing and brake of the ball joint drive;

Fig. 4 Perspektivische Ansicht eines dreiachsigen Flächenmotors mit variabler Läuferpolung; Fig. 4 is a perspective view of a three-axis surface engine with variable Läuferpolung;

Fig. 5 Perspektivische Ansicht einer sechsachsigen Führungsmaschi ne mit fünf direkt und einer indirekt angetriebenen Achse; Fig. 5 Perspective view of a six-axis guidance machine with five direct and one indirectly driven axis;

Fig. 6 Perspektivische Ansicht einer sechsachsigen Führungsmaschi ne mit zwei direkt und vier indirekt angetriebenen Achsen. Fig. 6 Perspective view of a six-axis guidance machine ne with two direct and four indirectly driven axes.

Die Funktion der variablen Ständerpolung wird in Fig. 1 erläutert. Die Darstellung zeigt einen Schnitt senkrecht zu den Wirkflächen der Ständer- und Läuferpole, par allel zur Wirkrichtung der Vorschubkräfte. Die Vorschubkräfte entstehen zwischen dem Ständer und dem Läufer. Eine der beiden Komponenten ist mit Permanentma gneten (2, 3) besetzt. In die andere Komponente sind Spulen (5) als elektromagneti sche Pole integriert. Die Polteilung der permanentmagnetischen Komponente (1) (Anzahl der Magnetpole pro Komponentenkantenlänge) ist in allen Richtungen grö ßer als die Polteilung der elektromagnetischen Komponente (4) (Anzahl der elektro magnetischen Pole durch die Komponentenkantenlänge). Die Spulen liefern nur dann einen Beitrag zur Erzeugung der Vorschubkraft, wenn sie sich gegenüber oder an der Grenzlinie zwischen zwei Magnetpolen (2, 3) befinden. So kommt es dazu, daß je nach Verhältnis der Polteilungen zueinander mehr oder weniger Spulen (5) nicht an der Erzeugung der Vorschubkräfte beteiligt sind. Das Verhältnis ist je nach Topologie der Ständer- und Läuferpolfläche (z. B. Ebene, Zylinder, Kugel, Freiform fläche) zu optimieren.The function of the variable stator polarity is explained in FIG. 1. The illustration shows a section perpendicular to the effective surfaces of the stator and rotor poles, parallel to the effective direction of the feed forces. The feed forces arise between the stator and the rotor. One of the two components is filled with permanent magnets ( 2 , 3 ). In the other component coils ( 5 ) are integrated as electromagnetic poles. The pole pitch of the permanent magnetic component ( 1 ) (number of magnetic poles per component edge length) is greater in all directions than the pole pitch of the electromagnetic component ( 4 ) (number of electro-magnetic poles by the component edge length). The coils only contribute to the generation of the feed force if they are opposite or on the boundary line between two magnetic poles ( 2 , 3 ). So it happens that, depending on the ratio of the pole pitches to each other, more or fewer coils ( 5 ) are not involved in the generation of the feed forces. The ratio must be optimized depending on the topology of the stator and rotor pole area (e.g. plane, cylinder, ball, free-form area).

Ein Anwendungsbeispiel der variablen Ständerpolung zeigt Fig. 2. Eine Kugel (7) ist in einem Gehäuse (8) frei dreh- und schwenkbar gelagert (9). Dadurch sind drei Ro tationsfreiheitsgrade (10) um alle Achsen eines kartesischen Koordinatensystems gegeben, das seinen Ursprung im Zentrum der Kugel hat. Ein Wellenstumpf mit Be festigungsflansch (11) bildet dabei den Abtrieb für mögliche Applikationen.An application example of the variable stator polarity is shown in FIG. 2. A ball ( 7 ) is freely rotatably and pivotably mounted ( 9 ) in a housing ( 8 ). This gives three degrees of freedom ( 10 ) around all axes of a Cartesian coordinate system that has its origin in the center of the sphere. A stub shaft with mounting flange ( 11 ) forms the output for possible applications.

Das Drehmoment der Kugel wird elektromagnetisch erzeugt. Die Kugel als Rotor ist auf der Oberfläche weitgehend mit Permanentmagneten (12) besetzt. Das Statorfeld wird von einer größeren Anzahl Spulen (13) am Umfang der Kugel erzeugt. Jede Läuferpolfläche ist größer als die Statorpolflächen, so daß jedem Läuferpol stets mehrere Statorpole gegenüberstehen. Auf diese Weise ist unabhängig von der Stel lung der Kugel die Anzahl der drehmomenterzeugenden Spulen größer als bei glei chen Polflächen. Die magnetische Polung der Statorspulen (13) wird dabei variabel je nach Stellung der Kugel gewählt. Die Winkellageerfassung kann beliebig ausge führt werden.The torque of the ball is generated electromagnetically. The ball as a rotor is largely covered with permanent magnets ( 12 ) on the surface. The stator field is generated by a larger number of coils ( 13 ) on the circumference of the ball. Each rotor pole area is larger than the stator pole areas, so that each stator pole always faces several stator poles. In this way, regardless of the position of the ball, the number of torque-generating coils is greater than that of the same pole faces. The magnetic polarity of the stator coils ( 13 ) is chosen variably depending on the position of the ball. The angular position detection can be carried out as desired.

Die Besonderheit des Prinzips ist, daß hier die Kugel (7) gleichermaßen als Lage rung und als Antrieb genutzt wird, Fig. 3. Durch ihre allseitig symmetrische Kontur kann eine Kugel um drei Achsen rotieren, die sich im Kugelzentrum schneiden. Dazu kann sie an der Kugeloberfläche gelagert sein. Zur Realisierung von drei rotatori schen Freiheitsgraden wird dann nur eine Lagerung benötigt. Die Lagerung der Ku gel kann als Wälzlagerung, Gleitlager oder Magnetlager ausgeführt sein. Als Lage rungsprinzip ist hier eine hydrostatische Gleitlagerung prädestiniert. Die hydrostati sche Lagerung besteht aus mehreren Taschen (14), die am Umfang der Gehäuse öffnung verteilt sind, und aus einer einzelnen Tasche (15), die die Kugel zentral von unten stützt. Das Öl der Lagerung wird über Druckleitungen (20) zugeführt und kann gleichermaßen zur Kühlung der Spulen (19) genutzt werden, um eine höhere Belast barkeit des Antriebes zu erreichen. Dazu kann es über die Taschen (14, 15) in den Spulenraum abströmen und/oder über separate Leitungen eingebracht werden. An der Gehäuseöffnung wird das Ausströmen des Öls durch Saugleitungen (21) und einen Abstreifer/Dichtring (18) verhindert. Eine Feststellbremse (16) könnte bei spielsweise ringförmig an der Gehäuseöffnung angreifen und mit Hilfe des hydrauli schen Druckes der Lagerung über die Kolben (17) gelöst werden. Eine elektrische oder pneumatische Betätigung der Bremse ist ebenfalls denkbar.The peculiarity of the principle is that here the ball ( 7 ) is used equally as a position and as a drive, FIG . For this purpose, it can be mounted on the ball surface. Only one bearing is then required to implement three rotational degrees of freedom. The storage of the Ku gel can be designed as roller bearings, plain bearings or magnetic bearings. A hydrostatic plain bearing is predestined as a positioning principle. The hydrostatic cal storage consists of several pockets ( 14 ), which are distributed around the circumference of the housing opening, and a single pocket ( 15 ), which supports the ball centrally from below. The oil of the storage is supplied via pressure lines ( 20 ) and can equally be used to cool the coils ( 19 ) in order to achieve a higher load capacity of the drive. For this purpose, it can flow into the coil space via the pockets ( 14 , 15 ) and / or be introduced via separate lines. At the housing opening, the oil is prevented from escaping through suction lines ( 21 ) and a wiper / sealing ring ( 18 ). A parking brake ( 16 ) could, for example, engage the housing opening in a ring and be released by means of the hydraulic pressure of the bearing via the pistons ( 17 ). An electrical or pneumatic actuation of the brake is also conceivable.

Fig. 4 zeigt einen Flächenmotor mit zusätzlicher Rotationsachse (22). Die Rotati onsachse wird durch eine variable Läuferpolung erreicht. Die permanentmagneti schen Ständerpole (23) sind im Bett (24) des Antriebes angeordnet. Deren Polfläche ist größer als die der elektromagnetischen Läuferpole (25). Diese sind im Läuferge häuse (26) untergebracht, das auf der Ebene des Bettes (24) frei positionierbar ist und zusätzlich um die Flächennormale (22) rotieren kann. Die Spulen (25) werden dazu positions- und winkelabhängig gepolt. Das Läufergehäuse (26) ist am Kreuz schieber (27) drehbar gelagert. Der Kreuzschieber (27) wiederum ist über Traversen (28) und seitlich am Bett (24) angebrachte Schlitten (29) in zwei Richtungen linear geführt. Statt der Traversen (28) und Schlitten (29) könnte das Läufergehäuse (26) allein über ein Druckluftpolster, ähnlich einem Luftkissenboot, über die Bettebene gleiten und durch magnetische Kräfte gegen ein Abheben gesichert sein. Weg- und Winkellageerfassung sind beliebig ausführbar. Fig. 4 shows a surface motor with an additional axis of rotation ( 22 ). The rotation axis is achieved by a variable rotor polarity. The permanent magnet's stator poles ( 23 ) are arranged in the bed ( 24 ) of the drive. Their pole area is larger than that of the electromagnetic rotor poles ( 25 ). These are housed in the Läuferge housing ( 26 ), which can be freely positioned on the level of the bed ( 24 ) and can also rotate around the surface normal ( 22 ). For this purpose, the coils ( 25 ) are polarized depending on the position and angle. The rotor housing ( 26 ) is rotatably mounted on the cross slide ( 27 ). The cross slide ( 27 ) in turn is guided linearly in two directions by means of cross members ( 28 ) and carriages ( 29 ) attached to the side of the bed ( 24 ). Instead of the traverses ( 28 ) and slides ( 29 ), the rotor housing ( 26 ) could slide over the bed level solely via a compressed air cushion, similar to a hovercraft, and be secured against lifting off by magnetic forces. Path and angular position detection can be carried out as required.

Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung stellt eine Kombination aus Kugel- und Flächen motor dar. Der in Fig. 2 beschriebene Kugelantrieb (30) mit drei rotatorischen Frei heitsgraden ist hier in ein Gehäuse (31) integriert, das im Kreuzschieber (32) rein linear in Z-Richtung geführt ist. Die Hubbewegung des Gehäuses (31) wird durch die Rotation des Läufers (33), entsprechend des Flächenmotors aus Fig. 4, und eine mechanische Kopplung, hier beispielsweise über eine Zahnpaarung (34) und einen Gewindetrieb (35), erzeugt. Der Läufer (33) erzeugt zusätzlich wie beim Flächen motor die Bewegung in X- und Y-Richtung durch die Spulen (39), so daß alle mögli chen sechs Freiheitsgrade realisiert sind. Das Stützmoment für die Rotation des Läufers (33) wird über den Kreuzschieber (32) in die Traversen (36) und die Schlitten (37) in das Bett (38) geleitet. Alternativ kann auf die Komponenten (36) und (37) ver zichtet werden, wenn das Stützmoment durch weitere Spulen (40) am Kreuzschieber (32) erzeugt wird. Zusätzlich kann hierdurch der Vortrieb in X- und Y-Richtung ver stärkt werden. Eine Kombination mit den Traversen (36) und Schlitten (37) ist eben falls möglich. Das ebene Bett (38) ist mit Permantmagneten (41) bestückt.The arrangement shown in Fig. 5 represents a combination of ball and surface motor. The ball drive ( 30 ) described in Fig. 2 with three rotational degrees of freedom is integrated here in a housing ( 31 ) in the cross slide ( 32 ) pure is guided linearly in the Z direction. The stroke movement of the housing ( 31 ) is generated by the rotation of the rotor ( 33 ), corresponding to the surface motor from FIG. 4, and a mechanical coupling, here for example via a pair of teeth ( 34 ) and a screw drive ( 35 ). The rotor ( 33 ) also generates the movement in the X and Y directions through the coils ( 39 ), as with the flat motor, so that all six possible degrees of freedom are realized. The support moment for the rotation of the rotor ( 33 ) is conducted via the cross slide ( 32 ) into the crossbeams ( 36 ) and the slide ( 37 ) into the bed ( 38 ). Alternatively, components ( 36 ) and ( 37 ) can be omitted if the support torque is generated by additional coils ( 40 ) on the cross slide ( 32 ). In addition, the propulsion in the X and Y directions can be strengthened as a result. A combination with the trusses ( 36 ) and slide ( 37 ) is also possible if possible. The flat bed ( 38 ) is equipped with permanent magnets ( 41 ).

Bei der mechanischen Anordnung nach Fig. 6 befinden sich die Spulen (42) aus schließlich im Bett (43). Die magnetischen Felder der Spulen (42) erzeugen an den Permanentmagneten (44) des Kreuzschiebers (45) die Vortriebskräfte in X- und Y-Richtung. Im Kreuzschieber (45) ist das Kegelgehäuse (46) z. B. über einen Gewin detrieb (47) gelagert, so daß bei einer Rotation des Kegelgehäuses (46) um die Flä chennormale des Bettes (43) eine Bewegung des Kegelgehäuses (46) in Z-Richtung entsteht. Das Kegelgehäuse (46) ist durch eine Z-Führung (48) drehsteif mit dem Läufer (49) verbunden. Die an den Permanentmagneten (50) wirkenden Kräfte er zeugen ein Drehmoment am Läufer (49), wodurch eine Bewegung des Kegelgehäu ses (46) in Z-Richtung erfolgt. Im Kegelgehäuse (46) ist eine Kugel (51) gelagert, die eine Welle (52) mit Abtriebsflansch (53) in fester Verbindung aufnimmt. Am unteren Ende ist die Welle drehsteif mit einer Schiebehülse (54) gekoppelt, die wiederum in einem Gleichlaufgelenk (55) mündet. Das Gleichlaufgelenk (55) ist am Abtrieb der angetriebenen Kugel (56) angeflanscht, die selbst im Läufer (49) gelagert ist. Im Ge gensatz zum Kugelmotor nach Fig. 2 ist die Unterseite der Kugel (56) nicht von Spulen umgeben, sondern von einer Vielzahl magnetischer Leiter (57), die den ma gnetischen Schluß zwischen den Permanentmagneten (58) auf der Kugeloberfläche und den Spulen (42) im Bett (43) herstellen. Auf diese Weise sind alle elektrischen Komponenten der sechsachsigen Kinematik im Stator (43) mit variabler Polung ver eint. Die Bestromung der Spulen (42) erfolgt auch hier achsstellungsspezifisch. Die Wege und Winkel sind beliebig zu erfassen. Für die Führung des Kreuzschiebers (45) bestehen die gleichen Alternativen wie beim Flächenmotor nach Fig. 4.In the mechanical arrangement of FIG. 6, the coil (42), finally, in the bed (43). The magnetic fields of the coils ( 42 ) generate the driving forces in the X and Y directions on the permanent magnets ( 44 ) of the cross slide ( 45 ). In the cross slide ( 45 ) the cone housing ( 46 ) z. B. via a thread drive ( 47 ) so that when the cone housing ( 46 ) rotates around the surface of the bed ( 43 ), the cone housing ( 46 ) moves in the Z direction. The cone housing ( 46 ) is connected to the rotor ( 49 ) in a torsionally rigid manner by a Z guide ( 48 ). The forces acting on the permanent magnets ( 50 ) generate a torque on the rotor ( 49 ), causing movement of the cone housing ( 46 ) in the Z direction. A ball ( 51 ) is mounted in the cone housing ( 46 ), which receives a shaft ( 52 ) with an output flange ( 53 ) in a fixed connection. At the lower end, the shaft is coupled in a torsionally rigid manner to a sliding sleeve ( 54 ), which in turn opens into a constant velocity joint ( 55 ). The constant velocity joint ( 55 ) is flanged to the output of the driven ball ( 56 ), which is itself mounted in the rotor ( 49 ). In contrast to the spherical motor according to FIG. 2, the underside of the ball ( 56 ) is not surrounded by coils, but by a large number of magnetic conductors ( 57 ) which provide the magnetic closure between the permanent magnets ( 58 ) on the spherical surface and the coils ( 42 ) in bed ( 43 ). In this way, all electrical components of the six-axis kinematics in the stator ( 43 ) with variable polarity are united. The current supply to the coils ( 42 ) is also specific to the axis position. The paths and angles can be recorded as desired. There are the same alternatives for guiding the cross slide ( 45 ) as for the flat motor according to FIG. 4.

Claims

1. Device for generating multi-dimensional, magnetic feed forces between a stator and a rotor, characterized in that the division of the permanent magnetic poles ( 2 ; 3 ) (number of poles per carrier edge length) in all directions smaller than the Tei development of the electromagnetic poles ( 5 ) and the magnetic effect of the elec tromagnetic poles is controlled according to field strength and field direction depending on the position of the stator and rotor relative to each other.

2. Device according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 2 ; 3 ) on the rotor ( 1 ) is arranged and the stator poles ( 5 ) are electromagnetically excited. The stator pole distribution is then greater in all directions than the rotor pole pitch and the magnetic effect of the electromagnetic poles is controlled according to field strength and field direction depending on the position of the stator ( 4 ) and rotor ( 1 ) to one another.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 2 ; 3 ) on the stator ( 1 ) arranged and the rotor poles ( 5 ) are electromagnetically excited. The rotor pole distribution is then larger in all directions than the stator pole pitch and the magnetic effect of the electromagnetic poles is controlled according to the field strength and field direction depending on the position of the stator ( 1 ) and rotor ( 4 ) to one another.

4. The device according to claim 2, characterized in that the rotor poles ( 2 ; 3 ) are invariably excited electromagnetic table.

5. The device according to claim 2, characterized in that the rotor poles ( 2 ; 3 ) are variably excited electromagnetically.

6. The device according to claim 3, characterized in that the stator poles ( 2 ; 3 ) are invariably excited electromagnetic table.

7. The device according to claim 3, characterized in that the stator poles ( 2 ; 3 ) are variably excited electromagnetic table.

8. The device according to claim 1-7, 9, characterized in that the geometry of the pole faces ( 6 ) is arbitrary.

9. The device according to claim 1-8, characterized in that in addition to the magnetic feed forces magnetic leadership and / or storage forces are generated.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pole end faces ( 6 ) of the stator and rotor each form a ball or a spherical segment.

11. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pole end faces ( 6 ) of the stator and rotor each form a plane.

12. The device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pole end faces ( 6 ) of the stator and rotor each Weil form a cylinder or a cylinder segment.

13. The device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pole end faces ( 6 ) of the stator and rotor each form a cone or a cone segment.

14. The device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pole end faces ( 6 ) of the stator and rotor each form a free-form surface or a free-form surface segment.