DE19861223B4

DE19861223B4 - Linearer geschalteter Reluktanzmotor

Info

Publication number: DE19861223B4
Application number: DE19861223A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schuster; Eberhard Dr. Tüngler
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: DE19846872B4; DE19846872A1

Abstract

Linearmotor, umfassend DOLLAR A einen Stator, der Spulenkörper und zugehörige Leistungsspulen umfasst und die Spulenkörper derart angeordnet sind, dass bei Bestromung der Leistungsspulen eine im Wesentlichen regelmäßige und lineare Folge von magnetisch ausgeprägten Polen ausbildbar ist, DOLLAR A ein Reaktionsteil, das entlang des Stators bewegbar ist und mindestens ein magnetisch ausprägbares Polpaar aufweist, wobei die Verbindungslinie der beiden magnetisch ausgeprägten Pole des jeweiligen Polpaares im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert ist DOLLAR A und der Spulenkörper des Stators jeweils C- oder U-förmig in einer zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtung orientiert und jeweils derart ausgeführt ist und bei sich im Bereich des Cs oder Us befindendem Polpaar des Reaktionsteils das Reaktionsteil im Inneren des Cs oder Us mit Ausnahme der beiden Luftspalte gegenüberliegende Gebiete des Cs oder Us derart verbindet, dass der Magnetfluss keine wesentliche Komponente im Stator parallel zur Bewegungsrichtung besitzt und die Kräfte am Reaktionsteil senkrecht zur Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen keine Komponente haben.

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen geschalteten Reluktanzmotor.
Rotatorische geschaltete Reluktanzmotoren sind lange bekannt. Bereits in der Siemens Zeitschrift, Ausgabe 1935, Seite 157 ff, wird ein elektronisches Antriebssystem beschrieben, das aus einem Elektromotor veränderlicher Reluktanz mit ausgeprägten Polen sowohl am Stator wie auch am Rotor besteht, deren Induktivität sich zyklisch mit der Bewegung des Rotors ändert, und mit einer Schalteinrichtung ausgestattet ist, die den Spulenstrom in Abhängigkeit von der Rotorposition ein- und ausschaltet.

Aus dem MM Maschinenmarkt (Sonderdruck, Heft Nr. 15 vom 7.4.1997 und Heft Nr. 18, 28.4.1997) ist bekannt, dass ein Reluktanzmotor im Dauerbetrieb eine höhere Leistungsausbeute hat als ein Asynchronmotor. Dabei ist die Leistungsausbeute definiert als seine maximal abgegebene Leistung pro Volumen oder Gewichtseinheit.

Aus der EP 0188257 A2 sind bei linearen geschalteten Reluktanzmotoren Motoren bekannt, bei denen der hauptsächliche Teil des Magnetflusses im Reaktionsteil in Bewegungsrichtung gerichtet ist. Dabei wird zumeist der Magnetfluss von einer ersten Leistungsspule über das Reaktionsteil und eine zweite Leistungsspule geschlossen. Diese beiden Leistungsspulen sind entweder benachbart oder es befinden sich zwischen den beiden Leistungsspulen weitere Leistungsspulen, durch die kein Magnetfluss hindurchfließt.

Die Einleitung des Magnetflusses kann senkrecht zur Bewegungsrichtung des Reaktionsteiles entweder in Richtung der Stator-Reaktionsteil-Verbindungsrichtung oder senkrecht dazu durchgeführt werden. Diese Einleitung kann auch kraftkompensiert erfolgen, wie in der US 4970421 gezeigt wurde.

Es sind auch Motoren bekannt, bei denen der hauptsächliche Teil des Magnetflusses im Reaktionsteil senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichtet ist. ( DE 44 28 321 A1 ). Diese Motoren unterscheiden sich im Ablauf der Schaltvorgänge oder Bestromung der Leistungsspulen von den oben genannten.

Die Pole des rotatorischen Reluktanzmotors, insbesondere des Rotors, wurden nicht nur als mechanisch ausgeprägt beschrieben, sondern beispielsweise in der DE 39 05 997 A1 auch als nur magnetisch ausgeprägt. Dabei können die sonst üblichen Auslassungen mit nicht oder schlecht magnetisierbaren Stoffen ausgefüllt werden, beispielsweise Aluminium oder Kunststoff.

Allen Reluktanzmotoren gemeinsam ist jedoch, dass die Induktivität bei Eintritt eines Poles des Reaktionsteils in den empfindlichen Bereich der Leistungsspule von einem gewissen Anfangswert auf einen gewissen Maximalwert ansteigt und beim Austritt wieder abfällt. In der DE 43 11 664 A1 wird dazu ein aus linearen oder konstanten Stücken zusammengesetzter Verlauf der Induktivität angenommen. Strenggenommen ist dies eine Idealisierung. In der US 4970421 ist hingegen auch der Verlauf der Randfelder angedeutet. Diese bewirken ein Verrunden des Verlaufes der Induktivität.

Beim Reluktanzmotor ist ein allgemein bekanntes Problem die Geräuschentwicklung. Schon die oben aufgeführte Schrift (Siemens Zeitschrift, Ausgabe 1935, Seite 157 ff) erwähnt dieses Problem. Diese Schwingungen, die Fertigungstoleranzen und die Verdrückungen durch Magnetostriktion und Kompressionen bewirken weitere Veränderungen des Verlaufes der Induktivität.

Beim geschalteten Reluktanzmotor wird jeweils eine Leistungsspule ungefähr dann eingeschaltet, wenn der Pol des Reaktionsteils vor dem Pol der Leistungsspule steht. Für das genaue Bestimmen dieses Einschaltpunktes gibt es verschiedene Lösungen. Allgemein bekannt ist, einen Drehwinkelsensor, beispielsweise einen Inkrementalgeber oder einen Resolver, zu verwenden, der den Drehwinkel bestimmt ( EP 0577843 B1 , DE 4031816 A1 ).

Ebenso können beispielsweise Lichtschranken verwendet werden ( DE 41 02 263 A1 ), die allerdings montiert werden müssen und außer Störanfälligkeit den Nachteil erhöhter Kosten haben.

Es sind verschieden Formen von Reaktionsteilen bekannt. Der wichtigste Unterschied besteht in der Länge des Reaktionsteiles. In der EP 0188257A2 wird ein Reaktionsteil gezeigt, das eine endliche Länge hat. Bei dieser Ausprägungsform führt die Bestromung aller Leistungsspulen des Stators zu großen Verlusten an Energie und gegebenenfalls zu EMV-Problemen.

Ebenfalls ist ein rund geschlossenes Reaktionsteil aus der DE 4033913 A1 bekannt. Hierbei führt die Bestromung aller Leistungsspulen des Stators zu einer Erhöhung der Vorschubskräfte, wenn sie in der richtigen Abfolge erfolgt.

Aus der DE 295 02 620 U1 ist ein Linearmotor bekannt, bei dem die Leistungsspulen elektronisch kommutiert werden. Aus der EP 0188257 A2 ist ein Linearmotor bekannt, bei dem die Pole einzeln steuerbar sind.

Das grundsätzliche Prinzip der Bestromung der Leistungsspulen beim linearen geschalteten Reluktanzmotor ist das gleiche wie beim rotatorischen. Wenn das Reaktionsteil aber eine endliche Länge hat, genügt es, die Leistungsspulen im Raumbereich um das Reaktionsteil herum zu bestromen. Eine dauerhafte Bestromung der Leistungsspulen hätte einen großen Energieverbrauch zur Folge.

Die Bestromung der Leistungsspulen erfolgt durch Anschluss an eine Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle. Dabei kann man eine Stromquelle auch als Spannungsquelle verstehen unter geeigneter Wahl der Definition des Innenwiderstandes. Im weiteren Verlauf wird der Begriff Spannungsquelle verwendet.

Unter einer Gleichspannungsquelle wird eine eine oder mehrere Gleichspannungen umfassende Spannungsquelle verstanden, wobei die erzeugten Gleichspannungen entweder konstant sind, wie von einer Batterie her bekannt, oder eine Restwelligkeit aufweisen, wie von einem einen Wechselstrom gleichrichtenden Gleichrichter mit oder ohne Glättungskondensator her bekannt, oder pulsierend sind, wie beispielsweise von einem einen einphasigen Wechselstrom gleichrichtenden Gleichrichter, der nur einer Diode umfasst, her bekannt.

Zur Feststellung der Position des Reaktionsteiles des Linearmotors sind beim zitierten Stand der Technik Sensoren nötig. Diese Sensoren können wie beim rotatorischen Motor einerseits die oben zitierten Aufgaben haben, andererseits müssen sie den Anfang oder das Ende eines endlichen Reaktionsteiles detektieren.

Wenn das Reaktionsteil mit seinem Anfang sich der Spule nähert, muss die Spule bestromt werden. Dieser 'Randeffekt' ist ein prinzipieller Unterschied zu rotatorischen geschalteten Reluktanzmotoren, bei denen alle Spulen periodisch betrieben werden. Diejenigen Leistungsspulen, die im Raumbereich des Reaktionsteiles sich befinden, können mit ähnlichen Abfolgen von Schaltzyklen betrieben werden wie rotatorische geschaltete Reluktanzmotoren. Dies soll im Folgenden als Arbeitsverhalten bezeichnet werden.

Die Leistungsspulen außerhalb des Raumbereiches befinden sich im Ruheverhalten. Dabei nehmen diese nur eine Sensorfunktion ein.

Sensoren, wie beispielsweise Lichtschranken, sind teuer, störanfällig, müssen montiert und justiert werden.

Aus der DE 295 02 620 U1 ist ein aus jeweils zwei zusammengehörenden Polpaaren aufgebauter, geschalteter Reluktanz-Linearmotor bekannt, wobei die Polpaare einen größeren Abstand zueinander aufweisen als die Pole des jeweiligen Polpaares selbst zueinander. Nachteilig ist bei der DE 295 02 620 U1 , dass zum vorgesehenen Betrieb mindestens drei, den Polpaaren zugeordnete Spulenpaare notwendig sind und in aufwendiger und komplexer Weise betrieben werden müssen.

Aus der Offenlegungsschrift DE 28 06 601 A1 ist ein Synchron-Linearmotor bekannt, bei dem wiederum ein Zusammenwirken mehrerer Spulen notwendig ist und Hallsensoren als separate Geber zur Steuerung des An- oder Abschaltens von Teilabschnitten der Strecke verwenden, wobei auf diese Weise Energie einsparbar ist. Nachteilig ist jedoch, dass die Hallsensoren nicht nur aufwendig sind sondern einer Vielzahl von Spulen jeweils nur ein einziger Hallsensor zugeordnet ist. Ein gezieltes Zusammenwirken eines Hallsensors mit einer jeweiligen einzelnen Spule des Teilabschnittes ist daher nicht ermöglicht.

Aus der US 5644176 A ist ein Linearmotor bekannt, der mit Gleichstrom betreibbar ist. Jedem Pol ist ein Hall-Sensor zur Detektion des entsprechenden Magnetfeldes zugeordnet. Die Hall-Sensoren werden dabei aktiviert durch Detektionsmagnete. Nachteilig ist dabei, dass die Herstellung und Montage der Hall-Sensoren einerseits und der Detektionsmagnete andererseits aufwendig und kostspielig ist. Darüber hinaus stellen Hall-Sensoren und Detektionsmagnete empfindliche Bauelemente dar, die durch verschiedene Einflüsse gestört oder sogar zerstört werden können, wie beispielsweise hohe Betriebstemperaturen oder Verschmutzung, insbesondere magnetisierbare Verschmutzung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem linearen geschalteten Reluktanzmotor eine erhöhte Betriebssicherheit, insbesondere hinsichtlich der Mechanik, in einfacher und kostengünstiger Weise zu erreichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch den linearen geschalteten Reluktanzmotor mit den Merkmalen nach Anspruch 1.

Wesentliche Merkmale des linearen geschalteten Reluktanzmotors sind dabei, dass er
einen Stator, der einzelne magnetisch leitende Spulenkörper und zugehörige Leistungsspulen umfasst, wobei die Spulenkörper derart angeordnet sind, dass bei Bestromung der Leistungsspulen eine in Bewegungsrichtung im Wesentlichen regelmäßige und lineare Folge von magnetisch ausgeprägten Polen in gleichmäßigem Abstand gebildet ist, wobei die beiden offenen Enden jeweils eines senkrecht zur Bewegungsrichtung orientierten C- oder U-förmigen Spulenkörpers ein Polpaar senkrecht zur Bewegungsrichtung bilden,
ein Reaktionsteil, das entlang des Stators bewegbar ist und mindestens ein magnetisch ausgeprägtes Polpaar aufweist, wobei die Verbindungslinie der beiden magnetisch ausgeprägten Pole dieses Polpaares senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert ist und wobei das Reaktionsteil sich bei Bewegung derart innerhalb der Spulenkörper befindet, dass der durch die Leistungsspule im Spulenkörper erzeugte Magnetfluss durch Spulenkörper und Reaktionsteil in diesen keine wesentliche Komponente parallel zur Bewegungsrichtung besitzt und die Kräfte am Reaktionsteil im Wesentlichen keine Komponente senkrecht zur Bewegungsrichtung haben,
Messmittel, wobei jeweils ein Messmittel jeweils einer Leistungsspule zugeordnet ist, wobei die Messmittel zum Bilden von Sensoren mit den Leistungsspulen verbunden sind, wobei die Messmittel die Spuleninduktivität der jeweils zugeordneten Leistungsspule in Abhängigkeit von der Position des Reaktionsteils relativ zum Stator messen und Steuersignale für eine Steuerungsschaltung erzeugen, die die jeweilige Leistungsspule mit einem Gleichstrom in Abhängigkeit von den Steuersignalen versorgt,
umfasst.

Vorteil ist bei diesem Linearmotor, dass die Kräfte am Reaktionsteil senkrecht zur Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen keine Komponente haben. Dementsprechend ist die Mechanik ausbildbar und Reibungskräfte sind reduzierbar.

In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung besitzt der Spulenkörper des Reaktionsteiles einen geblechten lamellenartigen Aufbau. Von Vorteil ist die Verminderung der Wirbelstromverluste. Das Gleiche gilt für den Spulenkörper des Stators.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist ein einfacher Aufbau des Spulenkörpers aus Teilstücken, die derart ausgebildet sind, dass die Leistungsspulen aufsteckbar sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Pole des Reaktionsteiles und des Stators gebildet aus vielen kleinen Erhebungen und Tälern, also wiederum aus kleinen Polen. Diese geometrische Ausführung hat zur Folge, dass die Induktivität als Funktion der Position stufenförmig anwächst oder abfällt. Dadurch ist eine genauere diskrete Positionierung möglich.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen linearen geschalteten Reluktanzmotors mit Sensoren liegt darin, dass die Leistungsspulen als Sensoren verwendet werden. Die Leistungsspulen sind ohnehin bei derartigen Motoren immer vorhanden. Da sie als Sensoren verwendet werden entfällt jeder Justier- oder Fertigungsaufwand, der nötig wäre, Sensoren, wie beispielsweise Lichtschranken, relativ zu den Leistungsspulen zu justieren oder montieren.

Bei einer Ausführungsform sind die sich im Ruheverhalten befindenden Leistungsspulen nicht gänzlich unbestromt, sondern die für die Sensorfunktion notwendigen Strom- oder Spannungsverläufe in die Leistungsspulen werden eingeprägt. Vorteilhaft ist dabei, dass die Stärke dieser Strom- oder Spannungsverläufe so gering ist, dass dadurch nur unwesentliche Vorschubskräfte entstehen.

Nach Detektion des Anfangs des Reaktionsteils bzw. des Eintreffens des ersten Pols wird das Ruheverhalten beendet und das Arbeitsverhalten begonnen. Die Leistungsspule arbeitet dann nicht mehr nur als Sensor, sondern wird so bestromt, dass wesentliche Vorschubskräfte entstehen.

Im wesentlichen wird die Leistungsspule im Arbeitsverhalten dann bestromt, wenn ein Pol sich im Bereich der Leistungsspule befindet. Der genaue Ablauf der Schaltvorgänge und des Stromverlaufs hängt von der Art des Motors ab.

Der empfindliche Bereich um die Leistungsspule herum, hängt von der Empfindlichkeit der Elektronik entscheidend ab. Bei sehr empfindlicher Elektronik ist es möglich, das Eintreffen des Reaktionsteiles früher zu detektieren. In diesem Fall ist dann der empfindliche Raumbereich größer als bei unempfindlicherer Elektronik. Bei Auswahl der Empfindlichkeit der Elektronik ist auch der Verschmutzungsgrad der Umgebung zu berücksichtigen, da bei hoher Empfindlichkeit auch öfter Fehlsignale auftreffen können.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Steuerungsschaltung mit Leistungsteil in einen zentralen Teil, der die Gleichspannung zur Verfügung stellt und dezentrale Teile, die jeweils einer Leistungsspule zugeordnet sind, aufgeteilt. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass bei gleichartiger Ausführung dieser dezentralen Module sich die Vereinfachungen wie Kosteneinsparungen durch Massenproduktion, einfache Installation und Verdrahtung ergeben. Vorzugsweise sind für die Verdrahtung spezielle Stecker und Kabel zu fertigen und die Montage zu automatisieren.

Dabei enthalten die dezentralen Teile die Messmittel für Strom und Spannung, die Auswerteelektronik zur Bestimmung der Induktivität oder einer ihr verwandten Größe. Außerdem ist mindestens ein Schalter zum Zu- und Abschalten des Stromes der Leistungsspule vorhanden, wobei dieser Schalter angesteuert wird von einer einen Komparator enthaltenden Elektronik, die den bestimmten Messwert vergleicht mit einem vorgegeben Schwellwert.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Ansteuerung getaktet durchgeführt, insbesondere mit einem Pulsweitenmoduations-Verfahren. Überlagert zu diesen Pulsweiten-modulierten Strom- und Spannungsverläufen werden die für die Sensorfunktion notwendigen Strom- und Spannungsverläufe. Besonders vorteilhaft ist dabei die Steuerbarkeit der Größe der Spannung

Bei einer Ausführungsform wird die Induktivität kontinuierlich erfasst. Vorteilhaft ist dabei, dass dann ständig ein Messwert zur Verfügung steht im Gegensatz zu den zeitdiskreten Messverfahren.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine hohe Frequenz in die Leistungsspule eingeprägt. Vorzugsweise ist die Spuleninduktivität dabei Teil eines Oszillators. Von Vorteil ist die einfache Bestimmung der Induktivität mittels Bestimmung der Phasenverschiebung. Alternativ können aber auch andere, dem Fachmann bekannte Messverfahren zur Bestimmung der Induktivität der Leistungsspule können angewendet werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform werden diskrete Messverfahren eingesetzt. Von Vorteil ist dabei die Einfachheit der verwendeten Elektronik und des Messverfahrens. Dabei wird für einen kurzen Zeitabschnitt die Gleichspannung an die Spule angelegt, bzw. abgeschaltet, je nach Zustand vor Beginn der Messung. Für diesen kurzen Zeitabschnitt wird von der erfindungsgemäßen Elektronik ein Mittelwert, ein Spitzenwert, ein Wert für eine zeitdiskrete Ableitung oder ein tiefpassgefilterter Wert von Spannung oder Strom bestimmt.

Die Erfindung betrifft auch ein Arbeitsverhalten, bei dem die Leistungsspulen dauerhaft oder nur zeitweise eine Sensorfunktion haben können.

Besonders vorteilhaft ist es, direkt die Änderung der Induktivität der Leitungsspule zu bestimmen. Daraus lässt sich auch die Induktivität bestimmen. Bei hohen Geschwindigkeiten des Reaktionsteiles muss die Elektronik das Umschalten von Ruheverhalten ins Arbeitsverhalten jedoch schnell bewirken. In diesem Fall sind nach der Zeit differenzierte Größen vorteilhafter.

Zur Kompensation von Temperatureffekten, wie beispielsweise der Erwärmung des Spulenkörpers und damit einhergehender Änderung der Permeabilität des Spulenkörpers ist es vorteilhaft in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung, eine weitere Spule in den Spulenkörper einzubringen, deren Magnetfeldlinien im wesentlichen im Spulenkörper verlaufen und nicht in das Reaktionsteil übertreten.

Vorteilhaft ist es, die relative Induktivitätsänderung zu bestimmen, da dieser Wert somit temperaturunabhängig ist. In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann diese Bestimmung in einer Wheatstonebrückenschaltung erfolgen, wobei die beiden Leistungsspulen in Reihe geschaltet werden und die Mittenspannung mit der Mittenspannung einer Reihenschaltung aus zwei ohmschen Widerständen verglichen wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Strom- und Spannungsverläufe so gewählt, dass nach Steuer- und Regelverfahren geregelt wird, die unter der Annahme der wegproportionalen Zu- oder Abnahme der Induktivität berechnet und entwickelt wurden und eine möglichst gleichmäßige Vorschubskraft ermöglicht. Von Vorteil ist dabei die ruhige Bewegung des Reaktionsteils.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Wirkungsweise der Erfindung näher erklärt werden.

1: Leistungsspule
2: Reaktionsteil
3: Spulenkörper der Leistungsspule
10: Differenzierer
11: Pulsgenerator mit Logikschaltung
12, 13: Differenzierer
14, 15, 16, 17: Widerstände
18: Shuntwiderstand
19, 20: Freilaufdioden
21: Leistungsspule
22, 23: Schalter
81: Grundplatte
82: Linearführung
83: Befestigungsvorrichtung für die Sensoren
84: Sensoren
85: Träger
86: Geberlineal
91: Kugellager
92: Rad für seitliche Führung
93: Rad

Figuren – Auflistung
1 zeigt eine aufsteckbare Leistungsspule und ein relativ dazu, bewegbares Reaktionsteil.
2 zeigt einen zugehörigen Induktivitätsverlauf mit zugehörigem idealisiertem Stromverlauf.
3 zeigt eine Prinzipschaltung für eine dezentrale angeordnetes Schaltungsteil für die jeweilige Leistungsspule.
3.1 zeigt eine Prinzipschaltung mit zusätzlichem Shuntwiderstand.
4 zeigt idealisierte Strom- und Spannungsverläufe.
5 zeigt einen idealisierte Induktivitätsverlauf und zugehörigen idealisierten Stromverlauf bei Betreiben der Leistungsspule als Sensor.
6 zeigt ein Schema eines Linearmotors, bei dem die Hauptkomponente der Kraft ,nach unten', also vom Reaktionsteil zum Primär-Teil gerichtet ist und die Magnetfeldlinien im Reaktionsteil im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen.
7 zeigt ein Schema eines anderen Linearmotors, bei dem die Hauptkomponente der Kraft ,nach unten', also vom Reaktionsteil zum Primär-Teil gerichtet ist und die Magnetfeldlinien im Reaktionsteil im Wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen.
8 zeigt den konstruktiven Aufbau eines anderen Linearmotors mit induktiven Sensoren, die mit einem Geberlineal zusammenwirken.
9 zeigt einen Schnitt durch den Linearmotor.
10 zeigt ein Schema eines kraftkompensierten Linearmotors.
11 zeigt als Schnittschema das Wirkprinzip des kraftkompensierten Linearmotors nach 10.
12 zeigt als Schnittschema das Wirkprinzip eines anderen kraftkompensierten Linearmotors.
13 zeigt als Schnittschema das Wirkprinzip eines wiederum anderen kraftkompensierten Linearmotors.
In der 1 ist eine Leistungsspule 1 gezeigt, die auf einen Polschuh aufsteckbar ist. Ein Reaktionsteil 2 tritt in den empfindlichen Bereich der Leistungsspule ein und bewegt sich mit einer Eintrittsgeschwindigkeit weiter in Pfeilrichtung nach rechts. Die Induktivität nimmt zu, da der Polschuh magnetisch ausgeprägt ist, d.h. aus magnetisierbarem hervorstehendem Material ist. In der 2 ist der zu erwartende Induktivitätsverlauf und ein beispielhafter, zu erzeugender Stromverlauf gezeigt.
Dabei und in der folgenden Beschreibung ist, wenn nicht anders erwähnt, eine im wesentlichen gleichförmige Bewegung des Reaktionsteiles zugrunde gelegt. D.h., dass der Weg x mit der Zeit t nur über einen Proportionalitätsfaktor zusammenhängt.
Der Sensor 1 erfasst zusammen mit seiner Auswerteschaltung die Induktivität der Leistungsspule 1 und schaltet ab dem Überschreiten des Wertes L_krit den Strom zu. Der genaue Verlauf der Spannung ist von der Steuerungsschaltung mit Leistungsteil bestimmt. Im einfachsten Fall wird für eine gewisse Zeit eine positive Spannung an die Spule angelegt und dann für eine gewisse Zeit eine negative Spannung. Der positive und negative Wert kann mittels einer PWM-Modulation erzeugt werden. In der 2 ist beim Stromverlauf der zusätzlich eingespeiste Strom, der für die Sensorfunktion benötigt wird, nicht dargestellt.
Die in diesem Beispiel verwendeten Zeitabstände bestimmen die Maximalgeschwindigkeit des Reaktionsteiles ebenso wie auch die Höhe der Spannungen und die Spulenauslegung.
Die Induktivitätsmessung kann mittels der dem Fachmann bekannten Methoden unter Benutzung von Wechselspannungen durchgeführt werden.
Ebenso ist es möglich, die Leistungsspule für einen sehr kurzen Zeitabschnitt mit regelmäßiger Wiederholung an die Gleichspannungsquelle U_Z zu legen und dabei den Strom oder die Stromänderung zu erfassen. Diese ist ein Maß für die Induktivität der Spule.
In der 2 ist ein idealisierter Stromverlauf für das erste Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Steuerungsschaltung mit Leistungsteil kann dabei beispielsweise als System mit Stromregelung ausgestattet sein. Die Stromregelung muss trotz der sich ändernden Induktivität möglichst den gewünschten Stromverlauf liefern.
Da der in 2 gezeigte Induktivitätsverlauf mehrere Stellen hat, bei denen die Ableitung der Induktivität Unstetigkeiten hat, ist es verständlich, dass ein Stromregler an diesen Stellen besonders gefordert ist. Vor Eintreten des Reaktionsteiles 2 in den empfindlichen Bereich der Leistungsspule 1 (x₁) soll der Stromregler einen verschwindenden Strom regeln. Danach soll der Strom auf den Wert I₁ gebracht werden. Wenn das Reaktionsteil 2 den Eintrittvorgang abgeschlossen hat (x₂), soll der Strom auf den ständig mit der Zunahme von x fallenden Wert I geregelt werden usw..
Wenn die Regelparameter weich eingestellt sind, ist ein signifikantes Überschwingen des Stromes an den Positionen x₁, x₂, x₃, x₄ unvermeidlich. Aus diesem Überschwingen kann ein Signal abgeleitet werden, das zur Bestimmung der jeweiligen Position x₁, x₂, x₃, x₄ und damit zum Ein- oder Ausschalten von Spannungen verwendet werden kann.
Dieses Verfahren der Regelung genügt bei dem ersten Ausführungsbeispiel, um das Ein- und Ausschalten zu bestimmen; es ist daher unabhängig von der Zeit oder Geschwindigkeit. Je nach Last und je nach Gleichspannungsquelle U_Z stellt sich eine Geschwindigkeit ein.
Bei dieser ersten Ausführungsform genügt für jede Leistungsspule jeweils eine dezentrale elektronische Schaltung, die eine Stromwerterfassung des Stromes der Leistungsspule beinhaltet und der der Wert der Gleichspannungsquelle U_Z zur Bestimmung der Induktivität zugeführt wird. Außerdem hat diese dezentrale elektronische Schaltung zur Aufgabe, mittels einer Komparatorschaltung den bestimmten Wert der Induktivität der Leistungsspule mit kritischen Werten zu vergleichen, den oder die elektronischen Schalter anzusteuern und demgemäß eine Spannung an die Leistungsspule anzulegen. Der zentrale Teil der Steuerungsschaltung mit Leistungsteil muss dabei nur die Gleichspannungsquelle U_Z bereitstellen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können die dezentralen elektronischen Schaltungen vom zentralen Teil der Steuerungsschaltung mit Leistungsteil Strom- und Spannungswerte vorgegeben bekommen und Werte, wie beispielsweise die Position des Reaktionsteiles zurückmelden.
In der 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform Prinzipschaltung gezeigt, mit der ein erfindungsgemäßes dezentral angeordnetes Schaltungsteil realisiert wird. Vom zentralen Teil der Steuerungsschaltung mit Leistungsteil wird die Gleichspannung U_Z geliefert. Diese Gleichspannungsquelle kann entweder zwei Potentiale besitzen, also beispielsweise eine Batterie sein, oder drei Potentiale umfassen, beispielsweise U_Z/2, 0 V, –U_Z/2.
Einer Leistungsspule 21 sind die Freilaufdioden 19 und 20 zugeordnet. Zur Bestromung werden die elektronischen Schalter, beispielsweise IGBT's, geschlossen. Bei Bestromung fällt am Shuntwiderstand 18 eine Spannung ab. Block 10 ist ein Differenzierer. Er kann aber auch durch einen Spitzenwertfilter, Tiefpass oder einen Mittelwertfilter realisiert sein. Seine Ausgangsspannung ist dann ein Maß für den Strom oder die Stromänderung des Erregerstroms. Diese Ausgangsspannung wird von den Komparatoren 12 und 13 mit den Spannungen, die aus den beiden Spannungsteilern 14, 16 und 15, 17 erhalten werden verglichen. Dadurch werden eine untere und eine obere Schaltschwelle realisiert. Der Block 11 beinhaltet einen Pulsgenerator und eine Logikschaltung. Für den Fall, dass die Induktivität kleiner ist als die untere Schwelle werden im Takt des Pulsgenerators die Schalter 22 und 23 geschlossen. Der Pulsgenerator erzeugt für kurze Zeitabschnitte ein Durchschalten gefolgt von einer längeren Pause. Während dieser kurzen Zeitabschnitte wird die Spannung am Shuntwiderstand 18 gemessen. Bei jedem Puls baut sich ein Strom auf, dessen Spitzenwert, Mittelwert oder zeitliche Ableitung der Induktivität der Leistungsspule näherungsweise proportional ist. Dieser Wert wird dann den Komparatoren 12 und 13 zugeführt. Bewegt sich das Reaktionsteil in den empfindlichen Bereich der Leistungsspule hinein, erhöht sich die Induktivität. Während der kurzen Zeitabschnitte erniedrigt sich dann der Mittelwert, Spitzenwert und der Wert der Ableitung, so dass eine Schwelle überschritten werden kann. Dabei schaltet der Block 11 die Schalter 22 und 23 durch, so dass die Leistungsspule 21 weitgehend bestromt wird. Während der vom Pulsgenerator erzeugten kurzen Zeitabschnitte werden aber dennoch die Schalter 22 und 23 geöffnet. In dieser Zeit wird wieder der Strom oder die Stromänderung gemessen. Durch Komparatoren wird dann wieder das Überschreiten der oberen Schwelle detektiert und danach der Strom ausgeschaltet.
Beim Auslegen der Schaltwerte ist zu beachten, dass die Induktionsspannung der zeitlichen Ableitung des Produktes aus Spulenstrom und Induktivität zu bilden ist und die Induktivität einer zeitlichen Änderung in Abhängigkeit von der Position des Reaktionsteiles unterliegt.
In der 3.1 ist ein zusätzlicher Shuntwiderstand 24 für eine Strommessung in einem anderen Strompfad eingesetzt. Der Vorteil der in 3.1 gezeigten Anordnung ist, dass die Stromerfassung ohne springende Potentiale realisiert ist und daher keine Potentialtrennung nötig ist. Der Block 25 umfasst Messumformer, Komparatoren mit Referenzspannungen und Treiberschaltungen mit Logikschaltungen für beide Strommessungen 18 und 24.
Dem Fachmann sind Änderungen klar, wie beispielsweise eine zusätzliche stabilisierte Spannungsversorgung des Blockes 25. Ebenso können statt der Stromerfassung durch Shuntwiderstände Sensoren, die auf dem Halleffekt beruhen oder andere marktübliche Sensoren eingesetzt werden.
Die elektronische Schaltung kann auf einer Platine realisiert werden, die gleichzeitig mit der Spule an die Spule montiert wird. Dadurch verringert sich der Aufwand für Verdrahtung.
In 4 ist der Strom- und Spannungsverlauf idealisierend für das Eintreten des Reaktionsteils 2 in den empfindlichen Bereich der Leistungsspule 1 mit sehr kleiner Geschwindigkeit gezeigt. Der am Shuntwiderstand 18 messbare Strom verschwindet, wenn der elektronische Schalter 22 geöffnet wird. Der Strom durch die Leistungsspule 1 ist gestrichelt gezeichnet.
Während der ersten beiden Pulse (t₁, t₂) ist das Reaktionsteil noch weit weg. Die Ströme erreichen sehr schnell den Plateauwert. Ab dem dritten Puls (t₃) wird das Eintreten des Reaktionsteils 2 in den empfindlichen Bereich der Leistungsspule 1 die Induktivität der Leistungsspule vergrößert worden durch. Die Spannung wird nun dauerhaft eingeschaltet (Beginn zum Zeitpunkt t₄). Dadurch steigt der Strom zur Spannungs-Zeit-Fläche proportional an. Ab und zu (siehe beispielsweise Zeitpunkt t₅) kann wieder ein kurzer inverser Puls zugefügt werden, mit dem wieder die Position des Reaktionsteiles bestimmt wird.
In der 5 ist im oberen Teil ein idealisierter geradliniger Induktivitätsverlauf gezeichnet. Der zugehörige Strom, der aus die Leistungsspule 1 durch den Shuntwiderstand 18 fließt, wenn sie nur als Sensor betrieben wird, ist im unteren Teil gezeigt. Dabei ist vorausgesetzt, dass die zugeschaltete Gleichspannung U₀ einen weitgehend konstanten Wert hat und das Reaktionsteil sich mit ungefähr konstanter und kleiner Geschwindigkeit bewegt. Der Strom kann in den einzelnen Abschnitten maximal die in Kastenform angedeutete Maximalhöhe erreichen, die seinem stationären Wert entspricht. Der zugehörige theoretische Wert ist
wobei U₀ die angelegte Gleichspannung, R der ohmsche Widerstand der Leistungsspule und L die Induktivität. Die Steigung des Stromes ist mit einer gepunkteten Linie dargestellt. Sie kann je nach Realisierung und Dimensionierung des Systems verschiedene Werte haben. Der zugehörige theoretische Wert ist zu Beginn
In der 6 ist das konstruktive Prinzip eines Linearmotors nach dem Stand der Technik gezeigt. Das Reaktionsteil 2 bewegt sich in Pfeilrichtung. Die Hauptkomponente der Kraft des linearen geschalteten Reluktanzmotors ist zum Stator 'nach unten' gerichtet. Nur eine kleine, von der Position abhängige Kraftkomponente zeigt in die Bewegungsrichtung. Die mechanische Führung ist hohen Belastungen ausgesetzt und muss stabil konstruiert werden.
In der 7 ist ein Beispiel des Standes der Technik gezeigt, bei welchem die Feldlinien über zwei nicht benachbarte voneinander beabstandete Leistungsspulen 1 und das Reaktionsteil in Bewegungsrichtung geschlossen werden.
In der 8 ist ein Aufbau eines Linearmotors gezeigt. Die Leistungsspulen 1 sind an einer Grundplatte 81 fest montiert. Das Reaktionsteil 2 ist gehalten von einem beweglichen Träger 85, der sich auf einer Linearführung bewegen kann. Im Falle des Standes der Technik werden Sensoren, beispielsweise induktive Sensoren 84, von einer Befestigungsvorrichtung für die Sensoren 83 fixiert. Ein Geberlineal 86 für die Sensoren 84 bewegt sich mit dem Träger 85.
In der 9 ist eine Schnittzeichnung eines von einem Linearmotor des Standes der Technik angetriebenen Wagens gezeigt. Ein Rad 93 dient zur rollenden Fortbewegung des Trägers 85. Die Kugellager 91 sind ebenso im linken Teil der Schnittzeichnung zu sehen. Das kleine Rad 92 dient zur seitlichen Führung, insbesondere in Kurven. Auf den Spulenkörper 3 sind die Leistungsspulen 1 aufgesteckt. Das Reaktionsteil 2 ist am Hohlprofil-Träger 85 angeschraubt. Die Konstruktion kann sehr große, nach unten gerichtete Kräfte aufnehmen.
In der 10 ist eine Prinzip-Skizze einer erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform gezeigt, der kraftkompensiert aufgebaut ist. In der Skizze gibt die Doppelpfeilrichtung die Bewegungsrichtung des Reaktionsteiles 2 gegen den Stator mit Leistungsspulen 1 (, von denen nur eine eingezeichnet ist,) an. Die Einzel-Pfeilrichtung zeigt nach oben (Richtung des Gravitationsfeldes).
Kurvenfahrten in derjenigen Ebene, zu der die Einzelpfeilrichtung die Normale ist, sind konstruktionsbedingt nur mit einem größeren Luftspalt durchzuführen. Andernfalls sind nur sehr große Kurvenradien erlaubt. Der Luftspalt liegt bei Transportsystemen für beispielsweise Koffer im Bereich von ca. 2 mm. Die Kantenlänge des Spulenkörper-Quaders der Leistungsspule 1 beträgt bei einer Ausführungsform ca. 70 mm. Daraus ergibt sich der Kurvenradius, wenn die Spulenkörperform auch in der Kurve die selbe sein soll wie bei geraden Strecken. Unkritischer sind das Durchfahren von Bergen und Tälern, da der Luftabstand zum Reaktionsteil in Einzel-Pfeilrichtung größer ist.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann man aber die gesamte Anordnung um 90° drehen. Auf diese Weise erhält man eine Ausführungsform, die enge Kurven mit kleinem Kurvenradius gut durchfahren kann, wohin gegen Berge und Täler problematisch sind.
Dem Fachmann ist klar, dass er bei entsprechenden Anforderungen alle Winkellagen realisieren kann.
In der 11 ist eine Aufsicht in Bewegungsrichtung zu sehen. Die zu stanzenden Blechteile für Reaktionsteil 2 und Spulenkörper der Leistungsspule 1 haben erfindungsgemäß das gezeigte U-förmige Profil. Dem Fachmann ist klar, wie er das gezeigte eckige U abwandeln kann im Rahmen der Erfindung. Beispielsweise können die Ecken verrundet sein, die Schenkellängen jeweils unabhängig verlängert oder verkürzt werden und auch Abweichungen vom rechten Winkel sind möglich.
In der 12 ist ein Profil angedeutet für einen Motor, der bei der eingezeichneten Lage des Spulenkörpers der Leistungsspule 1 für Berge und Täler geeignet ist. In Kurven werden aber die Spulenkörper der Leistungsspulen 1 in der gestrichelt gezeichneten Lage positioniert. Der Spulenkörper der Leistungsspule 1 kann auch aus der gezeichneten Position verschoben werden, beispielsweise um mehr Platz zu bekommen für die Befestigungsvorrichtung für den Spulenkörper. Diese Befestigungsvorrichtung muss alle Vorschubskräfte und die nicht kompensierten Restkräfte aufnehmen können. Daher muss sie stabil gebaut sein. Zusätzlich sollen aber die Leistungsspulen auf den Spulenkörper in einfacher Weise aufsteckbar sein.
Dem Fachmann ist klar, dass man das hier beschriebene Prinzip auch auf Achterbahnen etc. ausdehnen kann. Beispielsweise durch Übergang von einem U zu einem Bogen bzw. hufeisenförmigen Profil für das Reaktionsteil und entsprechend gerundeten Enden des Spulenkörpers des Stators, wie in der 13 gezeigt ist. Der Öffnungsbereich des Hufeisens ist, wie auch bei den vorher erwähnten Konstruktionen, notwendig, um der Befestigung des Spulenkörpers der Leistungsspulen 1 Platz zu machen.
Ebenso ist dem Fachmann klar, dass er in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung in das Reaktionsteil zwei um 90 ° gegeneinander verdrehte U's integrieren kann, so dass der erfindungsgemäße Reluktanzmotor bei geraden Strecken mit waagerecht liegenden Spulenkörpern der Leistungsspulen betrieben werden kann und bei Kurven mit senkrecht stehenden. Diese beiden U's können auch teilweise zusammenfallen.

Claims

Linearer geschalteter Reluktanzmotor, umfassend einen Stator, der einzelne magnetisch leitende Spulenkörper und zugehörige Leistungsspulen umfasst, wobei die Spulenkörper derart angeordnet sind, dass bei Bestromung der Leistungsspulen eine in Bewegungsrichtung im Wesentlichen regelmäßige und lineare Folge von magnetisch ausgeprägten Polen in gleichmäßigem Abstand gebildet ist, wobei die beiden offenen Enden jeweils eines senkrecht zur Bewegungsrichtung orientierten C- oder U-förmigen Spulenkörpers ein Polpaar senkrecht zur Bewegungsrichtung bilden, ein Reaktionsteil, das entlang des Stators bewegbar ist und mindestens ein magnetisch ausgeprägtes Polpaar aufweist, wobei die Verbindungslinie der beiden magnetisch ausgeprägten Pole dieses Polpaares senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert ist und wobei das Reaktionsteil sich bei Bewegung derart innerhalb der Spulenkörper befindet, dass der durch die Leistungsspule im Spulenkörper erzeugte Magnetfluss durch Spulenkörper und Reaktionsteil in diesen keine wesentliche Komponente parallel zur Bewegungsrichtung besitzt und die Kräfte am Reaktionsteil im Wesentlichen keine Komponente senkrecht zur Bewegungsrichtung haben, Messmittel, wobei jeweils ein Messmittel jeweils einer Leistungsspule zugeordnet ist, wobei die Messmittel zum Bilden von Sensoren mit den Leistungsspulen verbunden sind, wobei die Messmittel die Spuleninduktivität der jeweils zugeordneten Leistungsspule in Abhängigkeit von der Position des Reaktionsteils relativ zum Stator messen und Steuersignale für eine Steuerungsschaltung erzeugen, die die jeweilige Leistungsspule mit einem Gleichstrom in Abhängigkeit von den Steuersignalen versorgt.
Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der sich gegenüberliegenden Pole des Reaktionsteils und des Stators 2z zu 2z + 2 beträgt, mindestens aber 4 zu 6.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper des Reaktionsteiles und/oder des Stators einen geblechten lamellenartigen Aufbau besitzt.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsspulen aufsteckbar ausgebildet sind.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Pol des Reaktionsteils und/oder die Pole des Stators aus vielen kleinen Polen bestehen.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung mit Leistungsteil derart ausgebildet ist, dass die Leistungsspulen jeweils in einem Ruheverhalten betrieben werden, solange das Reaktionsteil sich nicht in einem jeweiligen definierten empfindlichen Bereich der Leistungsspule befindet, und die Leistungsspulen in einem Arbeitsverhalten betrieben werden, solange das Reaktionsteil sich in diesem definierten empfindlichen Bereich der Leistungsspule befindet, wobei dieser empfindliche Bereich dadurch definiert ist, dass die verwendeten Sensoren zusammen mit den Messmitteln und mit der in der Steuerungsschaltung mit Leistungsteil vorhandenen Elektronik bei Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein des Reaktionsteils in diesem empfindlichen Bereich jeweils unterschiedliche Spuleninduktivitäten messbar sind, und wobei die Leistungsspulen im Ruheverhalten als Sensoren betrieben werden, die das Eintreffen eines oder mehrerer magnetischer Pole des Reaktionsteiles in diesen definierten empfindlichen Bereich detektieren, und dass die Steuerungsschaltung mit Leistungsteil derart ausgebildet ist, dass nach Feststellen des Eintreffens eines oder mehrerer magnetischer Pole des Reaktionsteiles in einen definierten empfindlichen Bereich der Übergang vom Ruheverhalten in ein Arbeitsverhalten ausgelöst wird.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale derart sind, dass im Ruheverhalten zeitgemittelt keine wesentlichen Vorschubskräfte für das Reaktionsteil erzeugt werden und dass im Arbeitsverhalten zeitgemittelt wesentliche Vorschubskräfte für das Reaktionsteil erzeugt werden.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung mit Leistungsteil einen zentralen Teil, der die Gleichspannungsquelle U_Z enthält, und dezentral angeordnete Schaltungsteile umfasst, wobei jeder Leistungsspule ein Schaltungsteil zugeordnet ist, das jeweils die Messmittel zur Messung des Stromes oder der Stromänderung durch die jeweilige Leistungsspule, eine Auswerteelektronik zur Bestimmung der Induktivität, mindestens einen elektronischen Schalter zum An- oder Abschalten der Leistungsspule, und eine Komparatorschaltung umfasst, die den bestimmten Messwert der Induktivität vergleicht mit einem vorgegebenem Schwellwert und den elektronischen Schalter ansteuert.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung mit Leistungsteil so ausgebildet ist, dass die Leistungsspulen PWM-moduliert zu- oder abgeschaltet werden, wobei zusätzlich Strom- oder Spannungsverläufe in die Leistungsspulen eingeprägt werden zur Verwendung für die Induktivitätsmessung.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Messmittel zur Messung des Stromes oder der Stromänderung Shunt-Widerstände, durch die im wesentlichen der Strom zur Versorgung der jeweiligen Leistungsspulen fließt, wenn die elektronische Leistungsschalter der Leistungsspulen geöffnet werden.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede oder mindestens eine Leistungsspule eine weitere in den Stator eingebaut wird, deren Magnetfluss im Magnetkörper des Stators im wesentlichen geschlossen ist.
Linearmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Wheatstonebrücke diese weitere Spule mit der Leistungsspule in Reihe geschaltet ist und die heruntergeteilte Spannung mit der heruntergeteilten Spannung einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen verglichen wird.