DE29502620U1 - Electromagnetic DC drive with periodically offset double pole arrangement - Google Patents

Electromagnetic DC drive with periodically offset double pole arrangement

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Description

Elektromagnetischer Gleichstromantrieb mit periodisch gegeneinander versetzter Doppelpolanordnung und linearen KennlinienElectromagnetic direct current drive with periodically offset double pole arrangement and linear characteristics

BeschreibungDescription

Elektrische Antriebe für rotierende wie für geradlinige Bewegungen basieren in der Mehrzahl auf dem elektrodynamischen Prinzip, nach dem ein stromdurchflossener Leiter eine Kraftwirkung erfährt, wenn er in ein Magnetfeld gebracht wird (Lorentzkraft). Bei praktisch ausgeführten Motoren stellen Spulen den stromdurchflossenen Leiter dar und das erregende Magnetfeld kann durch Permanentmagnete oder Elektromagnete erzeugt werden. Abhängig von der Art der Felderzeugung und der mechanischen Ausführung ergeben sich die bekannten Motortypen vom permanentmagneterregten Gleichstrommotor bis zum Synchron- oder Schrittmotor.Electric drives for rotating and linear movements are mostly based on the electrodynamic principle, according to which a conductor carrying current experiences a force when it is placed in a magnetic field (Lorentz force). In practical motors, coils represent the conductor carrying current and the exciting magnetic field can be generated by permanent magnets or electromagnets. Depending on the type of field generation and the mechanical design, the known motor types range from permanent magnet-excited DC motors to synchronous or stepper motors.

Das elektromagnetische Prinzip, nach dem ferromagnetisches Material in einem Magnetfeld Kraftwirkungen erfährt, wird in Äktuatoren, Relais, und Hubmagneten angewendet. Zur Erzeugung kontinuierlich rotierender oder geradliniger Bewegungen mit großen Bewegungsbereichen wird das elektromagnetische Prinzip jedoch bisher kaum eingesetzt, obwohl es wegen des einfacheren mechanischen Aufbaus und des Wegfalles eines magnetischen Kreises gegenüber dem elektrodynamischen Prinzip durchaus Vorteile besitzt, die die Nachteile der notwendigen elektronischen Kommutierung und der quadratischen Strom-Kraft-Kennlinie aufwiegen. Es lassen sich damit sowohl rotierende Motoren, als auch ein- oder zweiachsige Linearantriebe realisieren. Bekannt sind die sogenannten "switched reluctance motors".The electromagnetic principle, according to which ferromagnetic material experiences force effects in a magnetic field, is used in actuators, relays and lifting magnets. However, the electromagnetic principle has hardly been used to generate continuously rotating or linear movements with large ranges of motion, although it does have advantages over the electrodynamic principle due to its simpler mechanical structure and the absence of a magnetic circuit, which outweigh the disadvantages of the necessary electronic commutation and the quadratic current-force characteristic. It can be used to create both rotating motors and one- or two-axis linear drives. The so-called "switched reluctance motors" are well known.

Beim "switched reluctance motor" besitzen Stator und Läufer Polstrukturen konstanter, gleicher Breite. Die Abstände zwischen den Polen unterscheiden sich für Stator und Läufer um den Faktor l/n. Dabei ist &eegr; die Anzahl gleichzeitig erregter Pole (Phasen). Diese Anordnung besitzt zwei Nachteile: Das Feld jeder Spule schließt sich erst über ein um 2n Pole entferntes Polpaar. Über den gesamten Abstand zwischen diesen beiden Polen muß der Weicheisenrückschluß im Stator und Läufer vom Feld der erregten Spule magnetisiert werden. Das zu magnetisierende Eisenvolumen und die damit verbundenen Verluste sind entsprechend groß. Eine weitere Vergrößerung des Eisenvolumens ist erforderlich, weil sich die Felder mehrerer erregter Pole in den StegenIn the "switched reluctance motor", the stator and rotor have pole structures of constant, equal width. The distances between the poles differ for the stator and rotor by a factor of l/n. Here, η is the number of simultaneously excited poles (phases). This arrangement has two disadvantages: The field of each coil only closes over a pole pair that is 2n poles apart. The soft iron return path in the stator and rotor must be magnetized by the field of the excited coil over the entire distance between these two poles. The volume of iron to be magnetized and the associated losses are correspondingly large. A further increase in the volume of iron is necessary because the fields of several excited poles are in the webs.

zwischen je zwei Polen überlagern. Um Sättigungserscheinungen zu vermeiden, ist dort ein entsprechend größerer Eisenquerschnitt nötig. Diese Nachteile können durch die erfindungsgemäße Ausführung des Motors vermieden werden. Die Erfindung betrifft einen Motor nach dem elektromagnetischen Prinzip, der keine Permanentmagnete benötigt, der die oben geschilderten Nachteile des "switched reluctance motors" vermeidet und der durch geeignete Kommutierung und Kennlinienlinearisierung eine sehr einfache Veränderung von Drehzahl bzw. Geschwindigkeit ermöglicht. Er kann deshalb ähnlich einem permanentmagneterregten Gleichstrommotor für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine hohe Dynamik erforderlich ist und Drehzahl bzw. Geschwindigkeit nur durch Verändern des Stromes auf einfache Weise gesteuert werden können. Dazu gehören als Beispiele Servoantriebe und Positionierantriebe, aber auch Torquemotoren als rotierende oder Linearmotoren als geradlinige Direktantriebe ohne mechanische Getriebe.between two poles. In order to avoid saturation phenomena, a correspondingly larger iron cross-section is required there. These disadvantages can be avoided by the inventive design of the motor. The invention relates to a motor based on the electromagnetic principle, which does not require permanent magnets, which avoids the disadvantages of the "switched reluctance motor" described above and which enables a very simple change in speed or velocity through suitable commutation and characteristic linearization. It can therefore be used in a similar way to a permanent magnet-excited DC motor for applications in which high dynamics are required and speed or velocity can be controlled simply by changing the current. Examples of this include servo drives and positioning drives, but also torque motors as rotating or linear motors as straight-line direct drives without mechanical gears.

Das Prinzip des Motors basiert auf einem Elektromagneten mit konstanter Luftspaltbreite, aber veränderbarem Luftspaltquerschnitt. Die Kräfte im magnetischen Feld sind stets so gerichtet, daß im felderfüllten Raum ein Zustand minimalen magnetischen Widerstandes entsteht. Dies ist bei maximaler Überdeckung von Stator- und Läuferpolen der Fall. Führen in Fig, 1 die Spulen 1 - &Ggr;, 2 - 2' und 3 - 3' Strom, so wird der Läufer nach rechts bewegt. Ein zyklisches Weiterschalten des Stromes bewirkt eine kontinuierliche Vorschubkraft. Die Laufrichtung kann durch die Schaltfolge der Wicklungen geändert werden, sie ist von der Stromrichtung unabhängig. Die Kommutierung, also das zyklische Weiterschalten des Stromes zum nächsten Spulenpaar, kann nicht in konventioneller Weise durch Schleifbürsten ausgeführt werden. Die Richtung der Vorschubkraft hängt nicht von der Polarität des Stromes in der Erregerspule ab, da die Feldkräfte unabhängig von der Stromflußrichtung stets auf eine Verringerung des magnetischen Widerstandes zielen. Durch Umpolen des Stromes kann deshalb auch keine Umkehr der Bewegungsrichtung erreicht werden. Im Beispiel nach Fig. 1 wird bei erregten Wicklungen 1 - 1', 2 - 2', 3 - 3' der Läufer nach rechts bewegt. Um eine kontinuierliche Vorschubkraft nach rechts zu erhalten, wird beim Erreichen völliger Überdeckung von Stator- und Läuferpolen 1 - 1' der Strom nach 4-4' weitergeschaltet (Fig. 1 zeigt diesen augenblicklichen Zustand), schließlich von 2-2' nach 5 - 5' usw.The principle of the motor is based on an electromagnet with a constant air gap width but a variable air gap cross-section. The forces in the magnetic field are always directed in such a way that a state of minimal magnetic resistance is created in the field-filled space. This is the case with maximum overlap of stator and rotor poles. If coils 1 - Γ, 2 - 2' and 3 - 3' in Fig. 1 carry current, the rotor is moved to the right. Cyclical switching of the current causes a continuous feed force. The direction of rotation can be changed by the switching sequence of the windings; it is independent of the direction of the current. Commutation, i.e. the cyclical switching of the current to the next pair of coils, cannot be carried out in the conventional way using brushes. The direction of the feed force does not depend on the polarity of the current in the excitation coil, since the field forces always aim to reduce the magnetic resistance regardless of the direction of current flow. Reversing the polarity of the current therefore does not reverse the direction of movement. In the example in Fig. 1, when windings 1 - 1', 2 - 2', 3 - 3' are excited, the rotor is moved to the right. In order to obtain a continuous feed force to the right, when the stator and rotor poles 1 - 1' are completely covered, the current is switched to 4-4' (Fig. 1 shows this current state), finally from 2-2' to 5 - 5', etc.

• ··

Die Spulenfelder jedes Polpaares überlagern sich und schließen sich auf kürzestmöglichem Weg, wie in Fig. 1 am Beispielrdes Polpaares 2-2' gezeigt ist. Das von Spule 2 erzeugte Feld nimmt im Stator den Weg über den Steg zwischen den Polen 2 und 2', passiert Statorpol 2', Luftspalt und Läuferpol V um über dem Steg zwischen V und 2 im Läufer, Läuferpol 2, Luftspalt und Statorpol 2 den Rückschluß zu finden. Das Feld von Spule 2' überlagert sich auf gleichem Weg.The coil fields of each pole pair overlap and close in the shortest possible path, as shown in Fig. 1 using the example of pole pair 2-2'. The field generated by coil 2 takes the path in the stator over the web between poles 2 and 2', passes stator pole 2', air gap and rotor pole V to find the return path over the web between V and 2 in the rotor, rotor pole 2, air gap and stator pole 2. The field of coil 2' overlaps in the same way.

Will man bei der in Fig. 1 dargestellten Position eine Richtungsumkehr des Läufers erreichen, so müssen anstelle der dunkel markierten, die jeweils um 3 Popaare versetzten Spulen erregt werden, also anstelle von 1-1' das Spulenpaar 4-4', anstelle von 2 - 2' 5 - 5'usw. Dann entsteht unabhängig von der Stromrichtung eine nach links gerichtete Vorschubkraft. Für die Umkehr der Vorschubkraft aus einer gegebenen Läuferposition sind das Einschalten eines anderen Spulenpaares und die Umkehr der Schaltfolge der Wicklungen erforderlich. Dies läßt sich mit Schleifbürsten nicht erreichen, da diese in jeder Position eine richtungsunabhängig eindeutige Zuordnung zwischen Stromquelle und Wicklung herstellen, während beim erfindungsgemäßen Antrieb in jeder Läuferposition ein anderes Spulenpaar Strom führen muß, je nach gewünschter Laufrichtung.If you want to reverse the direction of the rotor in the position shown in Fig. 1, you have to excite the coils that are offset by 3 pairs of poles instead of the darkly marked coils, i.e. instead of 1-1', the coil pair 4-4', instead of 2-2', 5-5', etc. This creates a feed force directed to the left, regardless of the current direction. To reverse the feed force from a given rotor position, you have to switch on another pair of coils and reverse the switching sequence of the windings. This cannot be achieved with brushes, since these create a clear assignment between the power source and the winding in every position, regardless of the direction, whereas with the drive according to the invention, a different pair of coils has to carry current in every rotor position, depending on the desired direction of rotation.

Bekannt von z. B. kollektorlosen permanenterregten Gleichstrommotoren ist die elektronische Kommutierung, bei der Positionssensoren, z. B. Hallgeneratoren, die Position von Läufer zu Stator detektieren und Halbleiterschalter, die fest mit den einzelnen Wicklungen verbunden sind, die Ströme schalten. Diese Methode, bei der die gewünschte Laufrichtung, die augenblickliche Läuferposition und die dafür erforderlichen stromführenden Wicklungen frei miteinander verknüpft werden können, ist für elektromagnetische Antriebe ebenfalls einsetzbar.Electronic commutation is known from, for example, collectorless permanent magnet DC motors, in which position sensors, e.g. Hall generators, detect the position of the rotor to the stator and semiconductor switches, which are firmly connected to the individual windings, switch the currents. This method, in which the desired direction of rotation, the current rotor position and the current-carrying windings required for this can be freely linked to one another, can also be used for electromagnetic drives.

Gegenüber der bei den sog. "switched reluctance motors" üblichen Kommutierung ergibt sich für die in Fig. 1 gezeichnete erfindungsgemäße Polanordnung jedoch eine Vereinfachung. Jeweils 2n = 6 Polpaare des Läufers bilden eine Gruppe, innerhalb der benachbarte Polpaare um l/n gegeneinander verschoben sind. 3 Positionen voneinander entfernte Polpaare sind also um exakt eine Polbreite versetzt. Wie oben gezeigt wurde, muß zur Richtungsumkehr des Läufers innerhalb einer Gruppe anstelle des augenblicklich erregten Polpaares das um 3 Positionen versetzte Polpaar eingeschaltet werden. Es wurde bereits erläutert, daß die Bewegungsrichtung des Läufers nicht von der StromrichtungCompared to the commutation usual in so-called "switched reluctance motors", however, the pole arrangement according to the invention shown in Fig. 1 is simplified. 2n = 6 pole pairs of the rotor form a group within which neighboring pole pairs are offset by l/n. Pole pairs 3 positions apart are therefore offset by exactly one pole width. As shown above, in order to reverse the direction of the rotor, the pole pair offset by 3 positions must be switched on within a group instead of the pole pair that is currently excited. It has already been explained that the direction of movement of the rotor is not dependent on the direction of the current.

abhängt. Man kann deshalb innerhalb einer Gruppe die um 3 Positionen versetzten Polpaare über Gleichrichter so mit derr Stromquelle verbinden, daß ein positiver Strom nur durch das Polpaar a - a' fließt, während ein negativer Strom nur durch (a+3) - (a+3)' fließt. Auf diese Weise ist es wie bei einem permanentmagneterregten Gleichstrommotor möglich, die Laufrichtung durch Polaritätsumkehr des Stromes zu ändern. Damit läßt sich der erfindungsgemäße Motor wie ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor steuern. Fig. 2 zeigt am Beispiel der Wicklungen 1 - &Ggr; und 4-4' eine elektronische Schaltung zur Kommutierung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip. 1 und 4 stellen die Reihenschaltungen der Wicklungen 1 - &Ggr; bzw. 4-4' dar. Die Dioden 12, 13 sorgen dafür, daß jede Wicklung nur vom Strom in einer Richtung durchflossen werden kann. Mit dem Umpolen des Stromes wird automatisch auch zwischen den Wicklungen 1 und 4 umgeschaltet, was einer Umkehr der Laufrichtung des Motors entspricht. Der Widerstand 14 dient zur Strommessung, der Verstärker 11 stellt mit seiner Beschaltung den Stromregler dar. Der Verstärker 8 ist als Inverter geschaltet, der die Steuerspannung für den Motor Ust invertiert. Je nach augenblicklicher Stellung der Statorpole 1 und 4 zu den Läuferpolen ist einer der Schalter 9, 10 geschlossen. Die Steuerspannung Ust gelangt entweder direkt oder über den Inverter 8 zum Stromregler, wodurch die positionsabhängige Auswahl der zu erregenden Wicklung erfolgt. Gesteuert werden die Schalter von Positionssensoren am Stator. Das Steuersignal Uk wechselt zwischen zwei Zuständen jeweils dann, wenn die Pole von Stator und Läufer exakt einander gegenüber oder auf Lücke stehen. In Fig. 1 entspricht die für 1 und 4 gezeichnete Stellung diesem Kommutierungszeitpunkt. Der Vorteil dieser Kommutierungsart beruht auf dem Wegfall von Hochstromschaltern und der Möglichkeit, den zeitlichen Übergang des Stromes von einer zur anderen Wicklung zu beeinflussen und damit "weich" zu gestalten. So können induktive Spannungsspitzen unterdrückt und Störungen weitgehend vermieden werden.Therefore, within a group, the pole pairs offset by 3 positions can be connected to the power source via rectifiers in such a way that a positive current only flows through the pole pair a - a', while a negative current only flows through (a+3) - (a+3)'. In this way, as with a permanent magnet DC motor, it is possible to change the direction of rotation by reversing the polarity of the current. This allows the motor according to the invention to be controlled like an electronically commutated DC motor. Fig. 2 shows an electronic circuit for commutation according to the inventive principle using the example of windings 1 - Γ and 4-4'. 1 and 4 represent the series connections of windings 1 - Γ and 4-4' respectively. The diodes 12, 13 ensure that current can only flow through each winding in one direction. When the current is reversed, the windings 1 and 4 are automatically switched over, which corresponds to a reversal of the direction of rotation of the motor. The resistor 14 is used to measure the current, and the amplifier 11 and its circuitry represent the current regulator. The amplifier 8 is connected as an inverter, which inverts the control voltage for the motor Ust. Depending on the current position of the stator poles 1 and 4 in relation to the rotor poles, one of the switches 9, 10 is closed. The control voltage Ust reaches the current regulator either directly or via the inverter 8, which selects the winding to be excited depending on the position. The switches are controlled by position sensors on the stator. The control signal Uk changes between two states whenever the poles of the stator and rotor are exactly opposite each other or there is a gap between them. In Fig. 1, the position shown for 1 and 4 corresponds to this commutation time. The advantage of this type of commutation is that high-current switches are no longer required and the ability to influence the temporal transition of the current from one winding to the other and thus make it "smooth". Inductive voltage peaks can thus be suppressed and interference largely avoided.

Eine Alternative zur Gewinnung des Positionssignales, die sich mit Vorteil bei elektromagnetischen Antrieben einsetzen läßt, ist die Verwendung der veränderlichen Induktivität eines Polpaares während der Bewegung. Der Vorteil ist der Wegfall von Positionssensoren und deren genauer Justierung: Die relative Position zwischen Stator- und Läuferpolen kann aus der Induktivitätsänderung in dem einem Wicklungspaar zugeordneten magnetischen Kreis abgeleitet werden.An alternative to obtaining the position signal, which can be used to advantage with electromagnetic drives, is the use of the changing inductance of a pole pair during movement. The advantage is the elimination of position sensors and their precise adjustment: the relative position between stator and rotor poles can be derived from the change in inductance in the magnetic circuit assigned to a winding pair.

Die Induktivität beginnt mit einem Minimalwert, wenn die Pole einer Gruppe von Läufer und Stator auf Lücke stehen. Sie steigt linear bis zu einem Maximum an, das bei Überdeckung der Pole erreicht wird, um dann wieder linear auf den Minimalwert abzufallen. Geht man davon aus, daß der magnetische Widerstand des Eisenkreises klein gegen den magnetischen Widerstand des Luftspaltes ist, so ergibt sich für die Induktivität L im magnetischen Kreis eines Polpaares folgende Näherung:The inductance begins with a minimum value when the poles of a group of rotor and stator are in a gap. It increases linearly to a maximum, which is reached when the poles overlap, and then falls linearly again to the minimum value. If one assumes that the magnetic resistance of the iron circuit is small compared to the magnetic resistance of the air gap, the following approximation results for the inductance L in the magnetic circuit of a pole pair:

LWM0 LWM 0

Dabei sind w die Windungszahl, &mgr;&ogr; die Permeabilitätskonstante, a-b die Überdeckungsfläche von Stator- und Läuferpol, entsprechend dem Luftspaltquerschnitt und 1 Luftspaltlänge gleich dem Abstand zwischen den Polen. Die Induktivität ändert sich proportional zu a, wenn a den vom Läuferpol überdeckten Anteil der Statorpolbreite darstellt. Alle übrigen die Induktivität beeinflussenden Größen der Formel können als konstant angenommen werden.Where w is the number of turns, μγ is the permeability constant, ab is the area of overlap between the stator and rotor poles, corresponding to the air gap cross section, and 1 is the air gap length equal to the distance between the poles. The inductance changes proportionally to a if a represents the portion of the stator pole width covered by the rotor pole. All other variables in the formula that influence the inductance can be assumed to be constant.

Der mit einem Wicklungspaar, z. B. 1 - &Ggr;, verknüpfte magnetische Kreis stellt eine Reihenschaltung dar aus einem Widerstand Rm, der die Verluste repräsentiert und der Induktivität L. Fließt durch die Spule ein Wechselstrom I konstanter Amplitude und konstanter Frequenz f und mißt man die Spannung, die zur Aufrechterhaltung des konstanten Stromes notwendig ist, so erhält man ein Signal, das der Überdeckung der Stator- und Läuferpole a proportional ist:The magnetic circuit linked to a pair of windings, e.g. 1 - Γ, represents a series circuit consisting of a resistance Rm, which represents the losses, and the inductance L. If an alternating current I of constant amplitude and constant frequency f flows through the coil and the voltage required to maintain the constant current is measured, a signal is obtained that is proportional to the overlap of the stator and rotor poles a:

U = I-(RL + 2-n> f- L)U = I-(R L + 2-n> f- L)

£/ = /·( RL + 2-n- /·&igr;&ugr;&zgr;·&mgr;0·~-&agr; £/ = /·( R L + 2-n- /·&igr;&ugr; ζ ·μgr; 0 ·~-α

Sorgt man durch die Wahl einer ausreichend hohen Frequenz f dafür, daß der induktive Anteil des Klammerausdruckes groß ist gegen Rl, so gilt für U:If one ensures by choosing a sufficiently high frequency f that the inductive part of the expression in brackets is large compared to Rl, then the following applies for U:

° z Zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes können die Maxima bzw. Minima des dreieckförmigen Spannungsverlaufes verwendet werden. Die Extrema können jedoch abgeflacht sein, womit die Unsicherheit groß werden kann. Eine wesentliche Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Kommutierungsposition ermöglicht das folgende Verfahren. Fig. 3 zeigt den Induktivitätsverlauf für 3 aufeinanderfolgende Polpaare, z. B. 4 - 4', 5 - 5', 6 - 6', sowie die Summe der Meßspannungen 5-5' und 6 - 6'.° z The maxima and minima of the triangular voltage curve can be used to determine the commutation time. However, the extremes can be flattened, which can lead to a large uncertainty. The following procedure enables a significant increase in the accuracy of determining the commutation position. Fig. 3 shows the inductance curve for 3 consecutive pole pairs, e.g. 4 - 4', 5 - 5', 6 - 6', as well as the sum of the measuring voltages 5-5' and 6 - 6'.

*: .·* I : · &igr; &igr; ill' *: .·* I : · &igr;&igr;ill'

Addiert man die in den Kreisen 5-5' und 6-6' nach der oben beschriebenen Methode gewonnenen Meßspannungen und subtrahiert davon eine Gleichspannung, so erhält man den Wert Null für die Kommutierungsposition der Wicklungen 1 &Ggr; / 4 - 4'. Eine einstellbare Gleichspannung ermöglicht eine kontinuierliche Verschiebung der Kommutierungsposition und damit eine Optimierung. Bei diesem Verfahren werden die für die Krafterzeugung jeweils inaktiven Wicklungspaare zur Positionsmessung verwendet.
Die Vorschubkraft eines Reluktanzmotors gehorcht der BeziehungIf the measuring voltages obtained in circuits 5-5' and 6-6' using the method described above are added together and a direct voltage is subtracted from them, the value obtained is zero for the commutation position of the windings 1 Γ / 4 - 4'. An adjustable direct voltage enables the commutation position to be continuously shifted and thus optimized. In this method, the winding pairs that are inactive for generating force are used for position measurement.
The thrust of a reluctance motor obeys the relationship

4· &Zgr;4· &Zgr;

Die Motorkraft ist proportional dem Quadrat des Stromes I, Proportionalitätsfaktor ist ein Quotient aus Konstanten, die nur durch die Motorgeometrie bestimmt werden. Für eine gute Regelbarkeit ist ein linearer Zusammenhang zwischen Strom und Kraft erforderlich. Deshalb wird in den Leistungsverstärker (Fig. 2, Verstärker U) ein Linearisierungsglied in Form eines Wurzelnetzwerks integriert.The motor force is proportional to the square of the current I, the proportionality factor is a quotient of constants that are only determined by the motor geometry. A linear relationship between current and force is required for good controllability. Therefore, a linearization element in the form of a root network is integrated into the power amplifier (Fig. 2, amplifier U).

Die Wurzelfunktion kann in bekannter Weise z. B. in Form eines Diodennetzwerkes realisiert werden, siehe dazu z. B. Tietze/Schenk "Halbleiter -The root function can be implemented in a known manner, e.g. in the form of a diode network, see e.g. Tietze/Schenk "Semiconductors -

Schaltungstechnik", Kapitel "Funktionsnetzwerke".
20Circuit technology", chapter "Functional networks".
20

Claims (6)

-&Igr;&Egr; 1ektromagnet i scher G1eichstromantrieb mit periodisch gegeneinander versetzter Doppelpolanordnung-ΛΕΕ 1electromagnetic DC drive with periodically offset double pole arrangement 1. Elektromagnetischer Antrieb für Bewegungen entlang einer Linie, in einer Ebene oder rotierend, der die Vorschubkraft nach dem Prinzip eines Elektromagneten als Anziehungskraft zwischen zwei mit Stator und Läufer bezeichneten, relativ zueinander beweglichen Weicheisenteilen erzeugt, von denen eines von Spulen erregt und das zweite elektrisch passiv ist und beide Weicheisenteile periodische Strukturen (Polteilungen) aufweisen und die Pole in einer solchen Folge erregt werden, daß sich eine kontinuierliche Kraft in der gewünschten Richtung ergibt,1. Electromagnetic drive for movements along a line, in a plane or rotating, which generates the feed force according to the principle of an electromagnet as an attractive force between two soft iron parts called stator and rotor, which are movable relative to one another, one of which is excited by coils and the second is electrically passive and both soft iron parts have periodic structures (pole pitches) and the poles are excited in such a sequence that a continuous force in the desired direction is produced, gekennzeichnet dadurch,characterized by daß einer der relativ zueinander beweglichen Teile des Antriebs, z. B.that one of the relatively movable parts of the drive, e.g. der Läufer, eine periodische Kammstruktur aus Weicheisenpolen und Zwischenräumen gleicher Breite besitzt, während der andere Teil, z. B. der Stator, in Zweiergruppen aufgeteilte Pole besitzt, deren Breite und Abstand mit dem der konstanten Läuferteilung übereinstimmt, die Zweiergruppen gegeneinander einen ebenfalls konstanten, aber um l/n größeren Abstand besitzen, so daß sich die Relativpositionen von Stator- zu Läuferpolen nach 2n Polgruppen wiederholen, mit &eegr; als der Anzahl gleichzeitig aktiver Polgruppen oder Phasen.the rotor has a periodic comb structure of soft iron poles and spaces of equal width, while the other part, e.g. the stator, has poles divided into groups of two, the width and spacing of which corresponds to that of the constant rotor pitch, the groups of two have a distance from each other that is also constant, but l/n larger, so that the relative positions of stator to rotor poles repeat after 2n pole groups, with η as the number of simultaneously active pole groups or phases. - 2 - 2 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,2. Device according to claim 1, gekennzeichnet dadurch,characterized by daß zur Kommutierung um &eegr; Polgruppen in Bewegungsrichtung auseinander liegende Wicklungen über Dioden so miteinander verschaltet sind, daß die beliebige Wicklung &khgr; nur in einer, die Wicklung (x + n) nur in der entgegengesetzten Richtung vom Strom durchflossen werden kann, wobei &eegr; die Anzahl gleichzeitig aktiven Polgruppen oder Phasen darstellt, so daß die zur Umkehr der Bewegungsrichtung erforderliche Weiterschaltung der Erregung um (x + n) Pole nur durch Umkehr der Polarität des Erregerstromes erreicht werden kann.that for commutation by η pole groups, windings that are separated in the direction of movement are connected to one another via diodes in such a way that the current can only flow through any winding χ in one direction and the winding (x + n) only in the opposite direction, where η represents the number of simultaneously active pole groups or phases, so that the switching of the excitation by (x + n) poles required to reverse the direction of movement can only be achieved by reversing the polarity of the excitation current. 3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,3. Device according to one or more of the preceding claims, gekennzeichnet dadurch,characterized by daß die bei der Relativbewegung zwischen Stator und Läufer sich periodisch ändernde Induktivität mit einzelnen Polpaaren verknüpfter magnetischer Kreise gemessen und ihr Verlauf zur Bestimmung der Zeitpunkte für die Kommutierung verwendet wird.that the inductance, which changes periodically during the relative movement between stator and rotor, is measured with individual pole pairs of linked magnetic circuits and its course is used to determine the times for commutation. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,4. Device according to one or more of the preceding claims, gekennzeichnet dadurch,characterized by daß dem zur Erzeugung der Vorschubkraft erforderlichen Spulenstrom ein Testsignal überlagert wird, z. B. eine Wechselspannung konstanter Amplitude und Frequenz, das an einem in Reihe mit der Erregerspule liegenden Meßwiderstand eine Signalkomponente proportional zur Induktivität der Erregerspule erzeugt.that a test signal is superimposed on the coil current required to generate the feed force, e.g. an alternating voltage of constant amplitude and frequency, which generates a signal component proportional to the inductance of the excitation coil at a measuring resistor connected in series with the excitation coil. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,5. Device according to one or more of claims 1 to 3, gekennzeichnet dadurch,characterized by daß die Pole mit einer zusätzlich zur Erregerwicklung angebrachten Hilfswicklung ausgestattet sind, die mit einer Wechselspannung konstanter Frequenz und Amplitude gespeist werden kann, mit deren Hilfe die Induktivität gemessen wird.that the poles are equipped with an auxiliary winding in addition to the excitation winding, which can be fed with an alternating voltage of constant frequency and amplitude, with the help of which the inductance is measured. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2,6. Device according to one or more of claims 1 and 2, gekennzeichnet dadurch,
15characterized by
15 daß mindestens &eegr; Positionssensoren vorhanden sind, z. B. Hallsensoren, Feldplatten, optische Sensoren, mit denen die relative Stellung von Stator- zu Läuferpolen und damit der Zeitpunkt für die Kommutierung der einzelnen Erregerwicklungen bestimmt werden kann, wobei &eegr; die Anzahl gleichzeitig aktiver Polgruppen oder Phasen darstellt.that at least η position sensors are present, e.g. Hall sensors, field plates, optical sensors, with which the relative position of stator to rotor poles and thus the time for the commutation of the individual excitation windings can be determined, where η represents the number of simultaneously active pole groups or phases.
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