DE19734357A1

DE19734357A1 - Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt

Info

Publication number: DE19734357A1
Application number: DE19734357A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Bauer
Original assignee: NOELL STAHL und MASCHINENBAU G
Current assignee: Demag Cranes and Components GmbH
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-08-09
Also published as: DE19734357C2

Description

Die Erfindung betrifft Synchron-Linearantriebe, wie sie unter anderem bei Förderanlagen für den Containertransport und für Sortieranlagen verwendet werden. Bekannt sind weiterhin lineargetriebene Anlagen für automatische Parkhäuser, Palettenförderanlagen, Nahverkehrsbahnen, Amüsierfahrgeschäfte und zum Fortbewegen von Fördenfahrzeugen. Bei bekannten Anlagen zum Containertransport und bei automatischen Parkhäusern werden die rein passiven, das heißt, ohne eigene Energieversorgung betriebenen Fördenfahrzeuge, dadurch angetrieben, daß auf ihrer Unterseite Magnetleisten mit starken Permanentmagneten befestigt sind. An der Fahrbahn sind Linearmotoren (Statoren) angebracht. Diese erzeugen bei Bestromung mit einem frequenzvariablen Wechselstrom ein magnetisches Wandenfeld, welches eine Kraft auf die Magnetleisten der Fahrzeuge ausübt und so diese zur Fortbewegung antreibt.

Es ist bekannt, daß bei diesen Anwendungsfällen aufgrund der relativ großen mechanischen Maßtoleranzen des Stahlbaus, wie sie für die Fahrbahn und die Fahrzeuge verwendet werden, sehr große Luftspalte zwischen Statoren und Magnetleisten erforderlich werden. Bei Beladung des Fahrzeuges verformt sich das Fahrzeug, es biegt durch. Die Statoren können mit einem angemessenen Aufwand nur relativ grob ausgerichtet werden. Die Schweißkonstruktionen können nicht mit einem vertretbaren Kostenaufwand in engeren Toleranzen gefertigt werden. Daher ist ein Luftspalt von ca. 12-15 mm zwischen Statoren und Magnetleisten gegenwärtiger Stand der Technik.

Ein solcher großer Luftspalt hat aber eine erhebliche Verminderung der Schubkraft und des Wirkungsgrades des Linearantriebes zur Folge. Der Luftspalt herkömmlicher Linearmotoren, z. B. für Werkzeugmaschinen, beträgt ca. 2 mm oder weniger. Daher muß bei solchen Förderanlagen eine Vielzahl von teureren Statoren erheblicher Größe eingesetzt werden, um den erforderlichen Gesamtschub zu erhalten. Weiterhin ist die notwendige Dicke der Permanentmagnete und damit die Menge des benötigten Magnetmaterials ebenfalls vom Luftspalt abhängig. Dieser Aspekt ist besonders wichtig bei der Verwendung von Magnetmaterial aus seltenen Erden. Erfahrungsgemäß müssen die Magnete ungefähr so dick wie der Luftspalt sein.

In den Patenten EP 0 469 511 und EP 0 372 387 werden Luftspaltregelungssysteme für Linearmotoren beschrieben. Diese bekannten Lösungen benötigen jedoch zusätzliche aktive Antriebe, z. B. Servohydraulikzylinder oder Servomotoren zum Einstellen des Luftspaltes. Wegen dieser aufwendigen Zusatzantriebe sind solche Systeme für Förderanlagen, z. B. Containertransportanlagen, unwirtschaftlich. Wenn man die fahrzeugseitigen Magnetleisten mit aktiven Antrieben versehen will, verläßt man den eigentlichen Vorteil von linearmotorgetriebenen Systemen, nämlich den, daß man ein rein passives Fördenfahrzeug hat und weder Energie noch Steuersignale auf das Fahrzeug übertragen muß. Sonst erhält man wieder ein System mit erhöhtem Komponentenbedarf und Steuerungstechnik.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Luftspaltregelung ohne zusätzliche aktive Antriebe zu realisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Teile der Erfindung gelöst. Der Linearantrieb ist so aufgebaut, daß unter einem Förderwagen Magnetleisten angeordnet sind. Diese Magnetleisten sind in der Höhe beweglich. Die Beweglichkeit wird durch Hebelgestänge mit Gelenken realisiert. Weiterhin befinden sich zwischen den Magnetleisten und den Förderwagen Federdämpfersysteme. Auf der Fahrbahn sind Luftspaltsensoren zur dauernden aktuellen Luftspaltmessung angeordnet und eine Luftspaltregeleinrichtung sowie ein Regler für die Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen. Die Luftspaltsensoren werden als berührungslos messende Weggeber im Meßbereich bis 30 mm und mit einer Meßgenauigkeit besser als 0,1 mm ausgeführt. Alternativ ist es möglich, die Luftspaltsensoren als Hallsensoren, welche die luftspaltabhängige Feldstärke der magnetischen Induktion messen, auszuführen. Erfindungsgemäß ist weiterhin, daß nach der Luftspaltregeleinrichtung eine feldorientierte Stromvektorregelung angeordnet ist. Mit dieser Stromvektorregelung wird das Signal der Luftspaltregeleinrichtung direkt auf den feldtorientierten Stromvektor für die Linearmotoren übertragen, d. h., damit kann der Statorstromvektor nach Betrag und Phase (Kommutierungswinkel) verstellt werden.

Erfindungsgemäß ist weiterhin, daß zwei oder mehrere Feder-Dämpfer-Systeme zwischen den beweglichen Magnetleisten und den Förderwagen angeordnet werden. Diese Feder-Dämpfer-Systeme werden so vorgespannt, daß die magnetischen Anziehungskräfte und das Eigengewicht der Magnetleisten kompensiert werden. Wenn die Linearmotoren nicht bestromt werden, befinden sich die beweglichen Magnetleisten auf den Statoren. Sie haften kraftschlüssig auf der Obenfläche der Statoren. Anhand der beigefügten Abbildung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Aufbau zur Regelung des Luftspaltes.

Unter einem Förderwagen 22 sind bewegliche Magnetleisten 1 angeordnet. Die Magnetleisten 1 sind nicht fest angebracht, sondern über Hebelgestänge mit Gelenken 2 in der Höhe verstellbar. Außerdem kompensieren Feder- Dämpfer-Systeme 3, 4 die vertikalen magnetischen Anziehungskräfte zwischen den Magnetleisten 1 und Linearmotoren 21. Auf der Fahrbahn werden Luftspaltsensoren 5 angebracht, diese messen dauernd den Abstand zwischen Sensor 5 und beweglicher Magnetleiste 1. Daraus ergibt sich ein aktueller Luftspalt-Istwert 7, der zu einer Regeleinrichtung übertragen wird. Als Luftspaltsensoren 5 sind handelsübliche Wegaufnehmer mit einer Auflösung besser als 0,1 mm und einem Meßbereich von ca. 30 mm möglich. Vorteilhaft sind berührungslose Weggeber. Es sind auch Hallsensoren 13 als Luftspaltsensoren 5 möglich. Im Ausführungsbeispiel werden Hallsensoren 13, die die luftspaltabhängige Feldstärke der magnetischen Induktion messen, verwendet.

Die Luftspaltregeleinrichtung 8 vergleicht den Luftspalt-Istwert 7 mit dem Luftspalt-Sollwert 9 und erzeugt ein Korrektursignal, welches parallel zum Regler für die Fahrzeuggeschwindigkeit 12 direkt auf die feldorientierte Stromvektorregelung 11 für die Linearmotoren einwirkt und den Statorstromvektor nach Betrag und Phase (Kommudierungswinkel) verstellen kann. Damit lassen sich die vertikalen Anziehungskräfte zwischen Magnetleisten 1 und Linearmotoren 21 und somit die Vertikalposition der Magnetleiste 1 d. h. also der Luftspalt 6, beeinflussen. Die Magnetleiste 1 schwebt auf dem magnetischen Wandenfeld der Statoren. Dem Prinzip liegen die folgenden, hier etwas vereinfachten, physikalischen Zusammenhänge für die Kräfte beim Linearsynchronmotor zugrunde:
Vorschubkraft: F_x = F_xmax.sinδ
Anziehungskraft: F_y = F_y0+F_ymax.cosδ
wobei
F_y0 die Anziehungskraft der Magnetleiste gegenüber dem unbestromten Stator ist,
F_xmax, F_ymax proportional zum Betrag des Statorstromes sind und
δ der Lastwinkel (Polradwinkel, Kommutie rungswinkel) des Synchronmotors ist.

Bei den hier vorliegenden elektronisch kommutierten Synchronmotoren wird die Pollage durch Hallsensoren 13 erfaßt und der Motor so kommutiert, daß der Lastwinkel sich immer nahe bei 90 Grad bewegt. Eine kleine Änderung des Kommutierungswinkels um die 90 Grad herum hat nur eine sehr kleine Änderung der Vorschubkraft, aber eine relativ große Änderung der Anziehungskraft zur Folge. Daher kann durch Variation des Korrektursignals für den Kommutierungswinkel 10 der Luftspalt 6 geregelt werden.

Das Feder-Dämpfer-System 3, 4 wird so ausgelegt, daß bei ausreichender Stabilität und Dynamik der Regelkreise nur eine minimale elektrische Stelleistung zur Luftspaltregelung benötigt wird. Es findet eine Blindleistungsoptimierung statt.

Federkonstanten, Federvorspannung und Dämpfungsfaktor des Feder- Dämpfer-Systems 3, 4 werden so gewählt, daß bei Luftspalt-Sollwert 9 die magnetischen Anziehungskräfte sowie das Eigengewicht der Magnetleiste etwa kompensiert sind. Dann werden nur kleine Stelleistungen bei etwaigen Abweichungen des Luftspalt-Istwertes 7 vom Luftspalt-Sollwert 9 zur Rückführung der Magnetleiste auf ihren Luftspalt-Sollwert 9 benötigt.

Bei unbestromten Linearmotoren 21 werden aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte die beweglichen Magnetleisten 1 heruntergezogen auf die Statoren. Die beweglichen Magnetleisten 1 haften dann kraftschlüssig auf der Oberfläche der Statoren.

Bezugszeichenliste

1

Magnetleiste

2

Hebelgestänge mit Gelenken

3

Feder

4

Dämpfer

5

Luftspaltsensor

6

Luftspalt

7

Luftspalt-Istwert

8

Luftspaltregeleinrichtung

9

Luftspalt-Sollwert

10

Korrektursignal für Kommutierungswinkel

11

feldorientierte Stromvektorregelung

12

Regler für Förderwagengeschwindigkeit

13

Hallsensoren zur Pollageerfassung

14

Pollage-Istwert

15

Multiplexer für Analogsignale

16

Steuerung zur Sensorumschaltung

17

Differenzierglied

18

Geschwindigkeits-Istwert

19

Geschwindigkeits-Sollwert

20

Frequenzumrichter

21

Linearmotoren (Statoren)

22

Förderwagen.

Claims

1. Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt, dadurch gekennzeichnet, daß unter einem Förderwagen (22) in der Höhe bewegliche Magnetleisten (1) mit Hebelgestängen mit Gelenken (2) angeordnet sind und Federn (3) und Dämpfer (4) zwischen Magnetleisten (1) und Förderwagen (22) angebracht sind und sich auf der Fahrbahn Luftspaltsensoren (5) zur dauernder aktuellen Luftspaltmessung befinden und eine Luftspaltregeleinrichtung (8) sowie ein Regler für die Förderwagengeschwindigkeit (12) angeordnet werden.

2. Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspaltsensoren (5) als berührungslos messende Weggeber im Meßbereich bis 30 mm und mit einer Meßgenauigkeit besser als 0,1 mm ausgeführt sind.

3. Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspaltsensoren (5) als Hallsensoren, welche die luftspaltabhängige Feldstärke der magnetischen Induktion messen ausgeführt sind.

4. Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Luftspaltregeleinrichtung (8) eine feldorientierte Stromvektorregelung (11) angeordnet ist, so daß das Signal der Luftspaltregeleinrichtung (8) direkt auf die feldorientierte Stromvektorregelung (11) für die Linearmotoren (21) wirkt und den Statorstromvektor nach Betrag und Phase (Kommutierungswinkel) verstellen kann.

5. Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt nach Anspruch 1, 2 oder 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Feder (3)-Dämpfer (5)-Systeme derart angeordnet und vorgespannt werden, daß die magnetischen Anziehungskräfte und das Eigengewicht der Magnetleisten (1) kompensiert werden und die beweglichen Magnetleisten (1) sich durch ihre magnetische Anziehung kraftschlüssig auf den Linearmotoren befinden, wenn die Linearmotoren (21) nicht bestromt sind.