DE19734357C2

DE19734357C2 - Luftspaltregelung für einen Linearantrieb

Info

Publication number: DE19734357C2
Application number: DE19734357A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Bauer
Original assignee: Noell Crane Systems GmbH
Current assignee: Demag Cranes and Components GmbH
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2017-08-09
Also published as: DE19734357A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftspaltregelung für einen Linearantrieb.

Die Linearantriebe werden unter anderem bei Förderanlagen für den Con tainertransport und für Sortieranlagen verwendet. Bekannt sind weiterhin lineargetriebene Anlagen für automatische Parkhäuser, Palettenförderanla gen, Nahverkehrsbahnen, Amüsierfahrgeschäfte und zum Fortbewegen von Förderfahrzeugen. Bei bekannten Anlagen zum Containertransport und bei automatischen Parkhäusern werden die rein passiven, das heißt, ohne eige ne Energieversorgung betriebenen Förderfahrzeuge, dadurch angetrieben, daß auf ihrer Unterseite Magnetleisten mit starken Permanentmagneten be festigt sind. An der Fahrbahn sind Linearmotoren (Statoren) angebracht.

Diese erzeugen bei Bestromung mit einem frequenzvariablen Wechselstrom ein magnetisches Wanderfeld, 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 gro ßen mechanischen Maßtoleranzen des Stahlbaus, wie sie für die Fahrbahn und die Fahrzeuge verwendet werden, sehr große Luftspalte zwischen Sta toren 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 Schweiß konstruktionen können nicht mit einem vertretbaren Kostenaufwand in enge ren 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, be trägt 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. Erfah rungsgemäß müssen die Magnete ungefähr so dick wie der Luftspalt sein.

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

Aus DE 25 11 139 A1 ist ein Linearmotor mit geregeltem Luftspalt bekannt, wobei unter einem Förderwagen in der Höhe bewegliche Magnetleisten, Fe dern und Dämpfer zwischen Magnetleisten und Förderwagen angebracht sind. Zwischen der Fahrbahn und den Magnetleisten erfolgt eine dauernde aktuelle Luftspaltmessung durch Luftspaltsensoren. Weiterhin ist eine Luftspaltregeleinrichtung angeordnet, die ein Korrektursignal erzeugt. Nachteil dieser Luftspaltregelung ist es, dass auf dem Fahrzeug Servohydraulikzylinder als Stellvorrichtung zum Regeln des Luftspaltes angeordnet sind. Damit muss das Fahrzeug auch mit Energieversorgung, Hydraulikstation, Mess- und Regelsystem für den Luftspalt ausgerüstet sein.

In WEH, Herbert: Die Integration der Funktionen magnetisches Schweben und elektrischer Vortrieb. In ETZ-A 1975, H. 3, S. 131-135 sind theoretische Grundlagen für das Regeln einer Luftspaltregelung von Linearantrieben be schrieben. Wie die Regelung aber bei konkreten Ausführungsbeispielen zu betreiben ist, wird dem Anwender nicht nahegelegt.

DE-OS 22 04 819 beschreibt eine Förderanlage mit entlang der Bewe gungsbahn angeordneten Linearmotoren und einem Bremssystem. Die Linearmotoren sind mit mechanischen Bremseinrichtungen ausgestattet und so ausgebildet, dass in einer Speichereinrichtung Bremskräfte mit einer Größe in Abhängigkeit vom Luftspalt des Linearmotors vorgesehen ist. Für die Steuerung dieses Systems sind Distanzräder vorgesehen, denen ver stellbare Anschläge zugeordnet sind.

Aus US 41 71 493 ist eine weitere gattungsgemäße Luftspaltregelung für einen Linearantrieb bekannt, bei der sich allerdings auch keine Luftspalt sensoren auf der Fahrbahn befinden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Luftspaltregelung für einen Linearantrieb zu entwickeln, bei dem keine zusätzlichen aktiven Stellantriebe, wie z. Bsp. Servohydraulikzylinder, zur Regelung des Luftspaltes benötigt werden und die gesamte Mess- und Regeleinrichtung nicht auf dem Fahrzeug angeordnet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs 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 feldorientierten 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 Oberfläche 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 Luftspaltregeleinrichtung 8 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 einem Luftspalt-Sollwert 9 und erzeugt ein Korrektursignal 10, welches parallel zu einem Regler für die Fahrzeuggeschwindigkeit 12 direkt auf eine feldorientierte Stromvektorregelung 11 für die Linearmotoren einwirkt und den Statorstromvektor nach Betrag und Phase (Kommutierungswinkel) 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 Wanderfeld der Statoren. Dem Prinzip liegen die folgenden, hier etwas vereinfachten, physikalischen Zusammenhänge für die Kräfte beim Linearsynchronmotor zugrunde:
Vorschubkraft: F_x = F_xmax.sin δ
Anziehungskraft: F_y = F_y0 + F_ymax.cos δ
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 Anziehungkräfte die beweglichen Magnetleisten 1 heruntergezogen auf die Statoren. Die beweglichen Magnetleisten 1 haften dann kraftschlüssig auf der Oberfläche der Statoren.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

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

Frenquenzumrichter

21

Linearmotoren (Statoren)

22

Förderwagen

Claims

1. Luftspaltregelung für einen Linearantrieb, mit Statoren (21), mit Magnetleisten (1), die in der Hö he beweglich unter einem Förderwagen (22) angeordnet sind, wobei Federn (3) und Dämpfer (4) zwischen Magnetleisten (1) und Förderwagen (22) angebracht sind, mit Luftspaltsensoren (5) zur dauernden aktuellen Luftspaltmessung und mit einer Luftspaltregeleinrichtung (8), die ein Kor rektursignal (10) erzeugt, wobei sich die Luftspaltsensoren (5) auf einer Fahrbahn befinden und wobei das Korrektursignal (10) parallel zu einem Regler (12) für die Förderwa gengeschwindigkeit direkt auf eine feldorientierte Stromvektorregelung (11) für die Statoren (21) einwirkt und den Statorstromvektor nach Betrag und Phase (Kommutierungswinkel) verstellt.

2. Luftspaltregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (3) und Dämpfer (4) so angeordnet sind, dass sich die magnetischen Anziehungskräfte und das Eigengewicht der Magnetleisten (1) durch die Federkräfte kompensieren.

3. Luftspaltregelung 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.

4. Luftspaltregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltsensoren (5) als Hallsensoren, welche die luftspaltabhängige Feldstärke der magnetischen Induktion der Ma gnetleisten (1) messen, ausgeführt sind.

5. Luftspaltregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnetleisten (1) durch ihre magnetische Anziehung kraftschlüssig auf den Statoren (21) befinden, wenn die Stato ren (21) nicht bestromt sind.