DE69227435T2

DE69227435T2 - Linear Servomotor mit veränderlicher Reluktanz

Info

Publication number: DE69227435T2
Application number: DE69227435T
Authority: DE
Inventors: Andre F-75012 Paris Gennesseaux
Original assignee: Hutchinson SA
Current assignee: Hutchinson SA
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2012-11-24
Also published as: FR2684251B1; EP0544576B1; US5621293A; DE69227435D1; EP0544576A1; JP2749748B2; ES2122988T3; FR2684251A1; JPH05300718A

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearservomotor (bzw. Wandler) mit veränderlicher Reluktanz.
Wenn man lineare Bewegungen, insbesondere hin- und hergehende Bewegungen, erzeugen will, so besteht zur Zeit die gebräuchlichste Lösung in der Verwendung eines elektrodynamischen Motors, wie er beispielsweise in Lautsprechern benutzt wird. Diese Antriebssysteme besitzen einen sehr einfachen Aufbau und ermöglichen frequenzmäßig ein Ansprechverhalten mit hoher Grenzfrequenz (meist über 20 kHz).
Derartige Motoren sind jedoch mit gewissen Nachteilen behaftet; sie erzeugen beispielsweise wegen der Verwendung eines Permanentmagneten nur eine verhältnismäßig geringe Kraft für eine gegebene Masse und einen gegebenen Raumbedarf. Derartige Bauteile sind ferner verhältnismäßig kostspielig, wenn höhere Kräfte erzeugt werden müssen.
Wenn höhere Kräfte realisiert werden müssen, ist es zweckmäßig, einen Elektromagneten zu verwenden.
Derartige Antriebssysteme weisen jedoch den Nachteil einer Instabilität auf, indem der bewegliche Teil, der von der durch den Elektromagneten erzeugten Kraft angezogen wird, an einen Anschlag gelangt; derartige Bauteile finden infolgedessen vor allem in Systemen mit zwei stabilen Positionen Verwendung, etwa bei Relais, Klingeln usw..
Die Verwendung eines Elektromagneten mit Proportionalsteuerung kann nur unter der Voraussetzung in Betracht gezogen werden, daß ein Positionssensor Verwendung fin det und daß die Servosteuerung des Erregerstromes der Wicklung des Elektromagneten von der Position des beweglichen Teiles abhängig gemacht wird.
Ein derartiges System ist jedoch besonders im Hinblick auf die Verwendung eines Positionssensors kostspielig und besitzt einen großen Raumbedarf; die Servosteuerung des Erregerstromes der Wicklung des Elektromagneten ist schwierig zu realisieren, da die gesteuerte Variable, nämlich die Stärke des Erregerstromes der Wicklung, und die Steuerungsvariable, nämlich das vom Positionssensor gewonnene Meßsignal, nicht funktionell miteinander verknüpft sind; dies erfordert eine Eichung und eine Regulierung der Servosteuerung für jeden Vorrichtungstyp.
Eine derartige Ausführung eines Motors mit veränderlicher Reluktanz ist in der EP-A-0 440 536 (veröffentlicht am 7.8.1991) beschrieben, und zwar in einer Anwendung, die auf hydraulische Antivibrationssysteme beschränkt ist. Das Linearitätsverhalten dieser Vorrichtung ist jedoch nicht ausreichend, da die gesteuerte Variable und die Steuerungsvariable funktionell nicht verknüpft sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Mängel zu beseitigen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Linearservomotor (bzw. -wandler) mit veränderlicher Reluktanz zu schaffen, der einen geringen Raumbedarf aufweist, ein kleines Gewicht besitzt und sich preiswert herstellen läßt.
Unter einem Linearmotor wird hierbei ein Motor bzw. Wandler verstanden, dessen beweglicher Teil dem Gesetz einer Bewegung (sei es Rotation oder geradlinige Bewegung) unterworfen ist, die im wesentlichen proportional zu einem Sollwert- oder Erregersignal ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz zu schaffen, der Kräfte von großer Amplitude erzeugen kann.
Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, einen Linearservomotor so auszubilden, daß sein Frequenzverhalten dem von bekannten elektrodynamischen Motoren vergleichbar ist.
Schließlich gehört es zur Aufgabe der Erfindung, den Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz so auszubilden, daß die Linearitätseigenschaften der linearen Bewegung ausschließlich von Toleranzen der Kennwerte der in der Servosteuerkette verwendeten Komponenten abhängen.
Die Erfindung geht aus von einem Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz, enthaltend einen Elektromagneten (1, 9, 11; 1, 1', 9, 10, 11, 12), der im Betrieb eine Zugkraft ausübt und einen Kern (1; 1, 1') enthält, der einen Magnetkreis (9; 9, 10) bildet, ferner eine Wicklung (11; 11, 12), die eine lineare Bewegungsbahn umschließt, weiterhin einen Magnetteil (17), der in einer Bewegungsrichtung beweglich ist und mechanisch derart geführt ist, daß er gegenüber dem Kern (1; 1, 1') des Elektromagneten einen einzigen Freiheitsgrad besitzt, wobei die Bewegungsrichtung im wesentlichen tangential zur Richtung der vom Elektromagneten erzeugten Kraftlinien des Magnetfeldes verläuft, ferner enthaltend eine Meßeinrichtung (3; 30), die ein Signal (sd) liefert, das repräsentativ für die Bewegung des beweglichen Magnetteiles (17) ist, wobei diese Meßeinrichtung mit einem Aufnehmer verbunden ist (F7), der mit induktiven oder kapazitiven Elementen versehen ist, die auf die Größe des zwischen dem Kern (1; 1, 1') und dem beweglichen Teil (17) bestehenden Spaltes (18) ansprechen, ferner enthaltend eine Subtraktionseinrichtung (4), die an einem ersten, positiven Eingang ein Signal (e) zur Steuerung der Bewegung des beweglichen Magnetteiles (17) erhält und an einem zweiten, negativen Eingang das Signal, das repräsentativ für die Bewegung ist, so daß diese Subtraktionseinrichtung (4) ein Fehlersignal (&epsi;) entsprechend der Abweichung der Bewegung des beweglichen Teiles (17) vom Steuersignal dieser Bewegung liefert, weiterhin enthaltend einen Stromverstärkerkreis (CAC), der das Fehlersignal &epsi; erhält und einen Speisestrom für die Wicklung (11; 11, 12) liefert, enthaltend schließlich eine Rückführeinrichtung (28; 12) für den beweglichen Magnetteil (17), der auf diesen Magnetteil eine Rückführkraft ausübt, die der vom Elektromagneten erzeugten Kraft entgegenwirkt.
Dieser Linearservomotor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Elemente des Aufnehmers aus den Wicklungen (11; 11, 12) des Elektromagneten und die kapazitiven Elemente aus dem Kondensator bestehen, der vom Elektromagneten, dem Spalt 18 und dem beweglichen Magnetteil (17) gebildet wird.
Der erfindungsgemäße Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz findet Anwendung bei der Realisierung elektromechanischer Wandler, insbesondere bei Vibrati onsgeneratoren, die zur Erregung von Strukturen oder zur aktiven Steuerung von Vibrationen dienen, insbesondere auch bei frequenzmäßig gesteuerten Lautsprechern hoher Güte.
Die Erfindung wird im einzelnen anhand einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz, wobei der bewegliche Teil des Motors geradlinig beweglich ist,
- Fig. 2 eine besonders zweckmäßige Variante des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1, wobei die Bewegung des beweglichen Magnetteiles differentiell gemessen wird,
- Fig. 3a eine Aufsicht auf den Kern des Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz gemäß Fig. 1 oder 2,
- Fig. 3b eine Schnitt-Detailansicht längs der Symmetrieebene AA der Fig. 3a,
- Fig. 3c ein Detail des Ausführungsbeispieles der Fig. 3b,
- Fig. 3d eine Variante, bei der die Änderung des Luftspaltes induktiv gemessen wird,
Fig. 4 ein Detail der Ausführung eines kapazitiven Differentialsensors, der besonders zweckmäßig ist für das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 oder 3b,
- Fig. 5a ein Detail des Ausführungsbeispieles der Fig. 2,
- Fig. 5b eine Variante der Ausführung gemäß Fig. 5a, wobei eine Servosteuerung des Motorflusses in Abhängigkeit vom Eingangs-Bewegungssteuersignal erfolgt (anstelle einer Servosteuerung des Speisestromes der Wicklung des bzw. der Elektromagneten, die den Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz bilden),
- Fig. 5c eine Variante des Ausführungsbeispieles der Fig. 5a,
- Fig. 6a ein Schema eines Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz, wobei der bewegliche Teil des Motors drehbeweglich ist,
- Fig. 6b eine weitere zweckmäßige Variante des Linearmotors.
Der Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz wird zunächst anhand von Fig. 1 erläutert.
Wie aus dieser Figur hervorgeht, enthält der Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz wenigstens einen Elektromagneten, der im Betrieb eine Zugkraft ausübt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, enthält dieser Elektromagnet einen Kern 1, der einen Magnetkreis 9 bildet, sowie eine Ringwicklung 11, die eine lineare Bewegungsrichtung Δ umschließt.
Weiterhin ist ein beweglicher Magnetteil 17 vorgesehen, der im wesentlichen den gleichen Querschnitt wie der Elektromagnet aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des Linearmotors, bei dem sich der bewegliche Magnetteil 17 geradlinig bewegen kann, kann letzterer ein Führungselement 2 aufweisen, das beispielsweise von einem Finger 20 gebildet wird, der längs der Richtung Δ eine geradlinige Bewegungsführung bezogen auf den Kern 1 bewirkt. Diese Linearbewegung wird durch die vom Elektromagneten ausgeübte Druckkraft bewirkt. Das Führungselement 2 kann auch durch ein anderes, dem Finger 20 äquivalentes Element gebildet werden. Vorteilhaft ist der Finger 20 an einer Aufhängung mit zwei verformbaren Lagern aus Elastomer oder aus Metall gehaltert.
Die vorstehend erläuterte Konstruktion ermöglicht keine vollständige Blockierung des beweglichen Magnetteiles 17, um jede Drehbewegung um die Achse des Fingers 20 zu verhindern. Da die magnetischen Teile keine Drehteile sind, kann jede störende Drehbewegung zu einer mangelhaften Ausrichtung der Magnetteile führen. Diese Gefahr wird dadurch beseitigt, daß - wie aus Fig. 3c hervorgeht (Schnitt längs der Ebene BB der Fig. 3b) - Gummilager 170a, 170b, 170c, 170d vorgesehen sind. Diese Lager sind vorzugsweise im Bereich der Ecken des beweglichen Magnetteiles 17 angeordnet und verkeilen diesen Magnetteil, indem sie seinen Freiheitsgrad der Drehbewegung unterdrücken.
Wenn eine Aufhängung mit zwei Lagern Verwendung findet, so kann eines dieser Lager durch die vorstehend genannten Ecklager gebildet werden, während das andere Lager, das beispielsweise aus einer Lautsprechermembran besteht, an der Last angeordnet sein kann.
Ein Bewegungsmesser 3, der die Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 mißt, liefert ein Signal sd, das ein Maß für die Bewegung des beweglichen Magnetteiles relativ zum Kern 1 des Elektromagneten darstellt. Dieser Bewegungsmesser 3 ist ein induktiver oder kapazitiver Sensor und ermittelt den Momentanwert ef des Luftspaltes 18 zwischen dem Kern 1 und dem beweglichen Magnetteil 17.
Ein Subtraktionselement 4 erhält an einem positiven Eingang ein Steuersignal e zur Steuerung der Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17. An einem zweiten, negativen Eingang wird dem Subtraktionselement 4 das Bewegungssignal sd zugeführt. Das Subtraktionselement 4 liefert infolgedessen ein Fehlersignal &epsi; entsprechend der Abweichung der Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 vom Bewegungs-Steuersignal.
Das Fehlersignal &epsi; wird einem Stromverstärker CAC zugeführt, der an seinen Ausgangsanschlüssen F1, F2 einen Strom zur Versorgung der Wicklung 11 des Elektromagneten liefert.
Zur Rückführung des beweglichen Magnetteiles 17 ist ein Rückführelement 28 vorgesehen. Es übt auf den beweglichen Magnetteil 17 eine Rückführkraft aus, die der vom Elektromagneten erzeugten Kraft entgegenwirkt.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz ist folgendermaßen:
Wird der Wicklung 11 des Elektromagneten Strom zugeführt, so wird auf den beweglichen Magnetteil 17 eine Zugkraft ausgeübt, die den beweglichen Magnetteil 17 in Richtung auf den Kern 1 zieht. Das Rückführelement 28 ist in Fig. 1 beispielsweise durch ein mechanisches Element veranschaulicht. Durch dieses Rückführelement wird die vom beweglichen Magnetteil 17 und vom Führungsfinger 20 gebildete Einrichtung im dynamischen Gleichgewicht längs der Verschieberichtung Δ gehalten. Die Verschiebung selbst wird gesteuert; die vom Elektromagneten ausgeübte Kraft ist eine Funktion der Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17. Zu diesem Zweck mißt der Bewegungsmesser 3 die Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17, d. h. den Augenblickswert des Luftspaltes ef, und zwar entsprechend einer Proportionalitätskonstante zum Wert des Steuersignales e der Bewegung; diese Konstante hängt nur von Parametern des Servokreises ab, der im Laufe der weiteren Beschreibung noch näher erläutert wird.
Wie in Fig. 1 beispielsweise veranschaulicht ist, kann das Rückführelement 28 durch ein mechanisches Element, beispielsweise eine Schraubenfeder, gebildet werden. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist diese Feder auf dem Führungsfinger 20 des beweglichen Magnetteiles 17 angeordnet. Der Führungsfinger 20 und die das Rückführelement 28 bildende Feder sind somit gleitbeweglich in einer Ausnehmung 16 des Kernes 1 angeordnet.
Die Funktion des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 ist zufriedenstellend.
Der bisher beschriebene Linearmotor weist jedoch gewisse Mängel auf:
- Es besteht eine nichtlineare Beziehung zwischen der Größe des Luftspaltes und dem Wert der Kapazität, was Rückwirkungen auf die Spannungs-/Bewegungs-Kenngröße des Sensors hat;
- es fehlt eine Referenz für eine absolute Position;
- aus den vorstehend genannten Beschränkungen resultiert die Gefahr einer beträchtlichen Abtrift.
Anhand von Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz erläutert, bei dem die vorstehend aufgezeigten Mängel vermieden sind.
Gemäß Fig. 2 wird das Rückführelement durch einen Gegenelektromagneten, ähnlich dem bereits erläuterten Elektromagneten, gebildet. Der Elektromagnet der Fig. 2 enthält ein Gehäuse 1, das einen Magnetkreis 9 bildet, ferner eine Wicklung 11; die Bewegungsrichtung Δ ist durch den Führungsfinger 20 realisiert. Der Gegenelektromagnet enthält einen zweiten Kern 1', der symmetrisch zum ersten Kern 1 ausgebildet ist. Weiterhin ist eine entsprechende zweite Wicklung 12 vorgesehen. Der Elektromagnet und der Gegenelektromagnet sind einander gegenüberliegend auf unterschiedlichen Seiten des beweglichen Magnetteiles 17 angeordnet, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Der Führungsfinger 20 des beweglichen Magnetteiles 17 verläuft symmetrisch zum beweglichen Magnetteil 17. Die Führung des beweglichen Magnetteiles 17 im Betrieb wird gleichzeitig durch den Kern 1 des Elektromagneten und durch den Kern 1' des Gegenelektromagneten bewirkt.
Ein symmetrischer Steuerkreis MCS des Elektromagneten bzw. Gegenelektromagneten liefert an die Wicklungen 11, 12 von Elektromagnet bzw. Gegenelektromagnet einen symmetrischen Speisestrom, wie noch im einzelnen erläutert wird.
Anhand der Fig. 3a und 3b wird im folgenden der mechanische Teil des Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz näher erläutert.
Fig. 3a zeigt diesen mechanischen Teil des Linearservomotors von oben.
Man erkennt in Fig. 3a den Kern 1 des Elektromagneten. Dieser Kern 1 kann ebenso wie der entsprechende Kern 1' des Gegenelektromagneten vorteilhaft durch einen Magnetkreis 9, 10 gebildet werden, der im einzelnen aus Fig. 3b ersichtlich ist (Fig. 3b ist ein Schnitt längs der Symmetrieebene AA der Fig. 3a).
Diese Magnetkreise bestehen vorzugsweise aus lamelliertem oder gesintertem ferromagnetischen Material, um die magnetischen Verluste klein zu halten. Zum Elektromagnet bzw. zum Gegenelektromagnet gehört weiterhin eine Wicklung 11 bzw. 12, deren Anschlüsse mit F1, F2 bzw. F3, F4 bezeichnet sind. Der Elektromagnet und der Gegenelektromagnet werden durch mechanische Verbindungsteile 13, 14 in einem festen Abstand voneinander gehalten. Der in den Fig. 3a und 3b dargestellte Teil 15 dient beispielsweise zur Befestigung des Kernes. Das bewegliche System wird durch den Führungsfinger 20 ge bildet, der als Stange aus beispielsweise selbstschmierendem Kunststoff ausgebildet ist. Dieser Führungsfinger 20 ist in den beweglichen Magnetteil 17 eingesetzt, der durch eine Platte aus gesintertem oder lamelliertem ferromagnetischen Material besteht, um die magnetischen Verluste klein zu halten. Das bewegliche System, bestehend aus dem Führungsfinger 20 und dem beweglichen Magnetteil 17, wird bei seiner Bewegung durch den Führungsfinger 20 geführt; dieser durchsetzt den Kern 1 bzw. 1' des Elektromagneten bzw. Gegenelektromagneten. Die Durchführungen in diesen Kernen sind vorzugsweise so ausgebildet, daß nur eine minimale Reibung zwischen dem Finger 20 und der Bohrungswand in den beiden Kernen auftritt. Der bewegliche Magnetteil 17 ist auf diese Weise während seiner Bewegungen im Betrieb des Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz durch die genannten Führungsbohrungen in den Kernen parallel zur Achse des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten geführt. Im Betrieb sind damit zwei variable Luftspalte efa bzw. efb vorhanden, wobei efa + efb - konstant (vgl. Fig. 3b).
Die Wirkungsweise des in den Fig. 2, 3a und 3b dargestellten Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz ist folgendermaßen:
Wird die eine oder die andere der Wicklungen 11 bzw. 12 durch einen über die Anschlüsse F1, F2 bzw. F3, F4 zugeführten Strom gespeist, so wird hierdurch auf den beweglichen Magnetteil 17 vom Elektromagneten bzw. vom Gegenelektromagneten eine Zugkraft ausgeübt. Dadurch wird der bewegliche Magnetteil in dem einen oder anderen Sinn verschoben. Um eine gesteuerte Bewegung zu erreichen, wird die vom Elektromagneten bzw. vom Gegen elektromagneten ausgeübte Kraft von der Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 abhängig gemacht.
Die genannte Servosteuerung erfolgt mittels eines die Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 erfassenden Bewegungssensors, der anhand der Fig. 4, 5a und 5b näher erläutert wird.
Der symmetrische Steuerkreis MCS enthält zweckmäßig einen Bewegungsmesser 30 zur Erfassung der differentiellen Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17. Dieser Bewegungsmesser 30 liefert an den negativen Anschluß des Subtraktionselementes 4 ein Signal sd, das der differentiellen Bewegung des beweglichen Magnetteiles gegenüber dem Kern 1, 1' des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten bezogen auf eine Gleichgewichts-Ursprungsposition entspricht.
Weiterhin ist ein Stromverstärker CAC mit symmetrischer Erregung vorgesehen. Er enthält einerseits ein symmetrisches Steuermodul MOCS, das vom Subtraktionselement 4 das Fehlersignal &epsi; enthält und das ein erstes und ein zweites symmetrisches Erregersteuersignal sa, sb liefert. Der Stromverstärker CAC enthält andererseits zwei Stromverstärkerelemente 7, 8, die das erste bzw. zweite symmetrische Erregersteuersignal verstärken und an die Wicklung 11 des Elektromagneten bzw. an die Wicklung 12 des Gegenelektromagneten einen symmetrischen Erregerstrom liefern.
Das Prinzip zur Messung der Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 besteht darin, eine Größe zu bestimmen, die sich mit den oben erwähnten Luftspalten 18, 19 än dert, insbesondere die Werte efa, efb oder besser ihre Differenz.
Gemäß einem ersten besonders zweckmäßigen Merkmal des erfindungsgemäßen Linearservomotors mit veränderlicher Reluktanz kann die vorstehend genannte Messung auf induktive oder kapazitive Weise erfolgen.
Die induktive Methode besteht darin, die Induktivität der beiden Wicklungen 11 und 12 in Abhängigkeit vom Wert des zugehörigen Luftspaltes zu bestimmen.
Die genannte Induktivität besitzt den Wert
Hierbei bedeuten
u&sub0; die Permeabilität des Luftspaltes,
S die Eisen-Oberfläche des Elektromagneten,
N die Zahl der Windungen der Wicklung,
ef die Länge des Luftspaltes, d. h. der Momentanwert efa bzw. efb für den jeweils betrachteten Luftspalt.
Der Wert der vorstehend genannten Induktivitäten kann somit leicht bestimmt werden, indem einerseits die Spannung an den Anschlüssen jeder Wicklung und die Ableitung des Speisestromes der Wicklungen gemessen wird, wobei der Wert der Ableitung des Stromes ausgehend von einer Hilfswicklung von bekanntem, geringen Wert bestimmt wird und wobei der Augenblickswert der Spannung an den Anschlüssen dieser Hilfswicklung den Wert der Ableitung des Speisestromes der betrachteten Wicklung darstellt.
In Fig. 3b sind die den Wicklungen 11 bzw. 12 zugeordneten Hilfswicklungen 31, 32 dargestellt. Jede von ihnen liefert eine Spannung
Eine Messung der Spannung U11 bzw. U12, die an die Wicklung 11 bzw. 12 des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten gelegt wird, sowie eine Messung der Spannungen u11, u12 an den Anschlüssen der Hilfswicklungen 31 bzw. 32 ermöglicht somit die Bestimmung der Induktivität L des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten und damit eine Bestimmung der entsprechenden Luftspalte efa bzw. efb. Die vorstehend genannten Spannungswerte können durch eine Probenahme mittels analog-numerischer Wandlung bestimmt werden, wobei die Berechnung dann beispielsweise numerisch erfolgen kann.
Eine vorteilhaftere Lösung kann darin bestehen, einen Isoliertransformator zu verwenden, dessen Primärwicklung durch den Strom I gespeist wird; dies gestattet es außerdem, das Niveau des Meßsignales anzupassen. Wie in Fig. 3d veranschaulicht, ist dadurch in bekannter Weise die von der Sekundärwicklung des Isoliertransformators gelieferte Spannung proportional dI/dt und ef.
Mit Hilfe des Isoliertransformators kann man auch den in den Elektromagneten fließenden Strom I messen. Die Kenntnis dieses Stromwertes ist notwendig, wenn die Stromverstärkerelemente 7 und 8 zu einer Strom-Servosteuerung gehören. Zu diesem Zweck wird ein Hallsensor CH in den Magnetkreis des Isoliertransformators eingefügt; er liefert eine Spannung U, die proportional I ist. Die Realisierung eines derartigen Sensors ist einfach.
Eine kapazitive Messung des Luftspaltes oder eine differentielle Messung des Luftspaltes ist jedoch in technologischer Hinsicht noch einfacher. Zu diesem Zweck wird die Kapazität gemessen, die zwischen dem Elektromagneten und dem beweglichen Magnetteil 17 besteht, d. h. zwischen zwei leitenden Oberflächen, die durch einen kleinen Luftspalt voneinander getrennt sind und die damit einen Kondensator bilden, dessen Kapazität C sehr stark vom Wert des Luftspaltes abhängt. Es besteht insoweit folgende bekannte Beziehung:
Hierbei ist
&epsi;&sub0; die Dielektrizitätskonstante des Luftspaltes,
S die leitende Oberfläche des Elektromagneten,
ef die Größe des Luftspaltes, d. h. der Wert efa oder efb des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten.
Der Wert der genannten Kapazität kann selbstverständlich nach jeder bekannten Methode gemessen werden. Wenn es sich jedoch um einen symmetrischen Motor handelt, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3b der Fall ist, so ist eine differentielle Methode am geeignetsten.
In einem derartigen Fall wird der Bewegungsmesser 3 zweckmäßig in Form eines Differentialbewegungsmessers 30 ausgebildet, wie er in den Fig. 2 und 4 veranschaulicht ist.
Der Elektromagnet und der Gegenelektromagnet, der bewegliche Magnetteil 17 sowie die beiden Luftspalte 18 und 19 bilden einen Doppelkondensator, der mit den Anschlüssen F5, F6 und F7 einer Meßbrücke verbunden ist, die gleiche Widerstände 20 und 21 enthält (vgl. Fig. 4). Diese Widerstände können als Präzisionswiderstände ausgebildet sein.
Die Meßbrücke gemäß Fig. 4 enthält zweckmäßig zwei benachbarte erste Zweige, die von den Kapazitäten der genannten Luftspalte 18, 19 gebildet werden, d. h. vom Kern 1 des Elektromagneten und der gegenüberliegenden ersten Seite des beweglichen Magnetteiles 17 bzw. vom Kern 1' des Gegenelektromagneten und der gegenüberliegenden zweiten Seite des beweglichen Magnetteiles 17. Weiterhin enthält die Meßbrücke zwei benachbarte zweite Zweige, die von den Widerständen 20 und 21 gebildet werden.
Eine erste Diagonale der Meßbrücke enthält einen Generator 220, der ein periodisches Signal liefert, dessen Grundfrequenz wesentlich höher als die Schaltfrequenz des Linearservomotors ist. Wenn beispielsweise der Linearservomotor eine Schaltfrequenz von 2 kHz aufweist, so kann die Grundfrequenz des vom Generator 22 gelieferten Signales gleich 50 kHz gewählt werden.
Die zweite Diagonale der Meßbrücke liefert ein Differentialmeßsignal vm zwischen dem beweglichen Magnetteil 17 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 20 und 21.
Ein Demodulator 22 erhält einerseits das Differentialmeßsignal vm und andererseits das vom Generator 220 gelieferte periodische Erregersignal, so daß eine Demodulation des Differenzmeßsignales erfolgt. Der Demodulator liefert damit in bekannter Weise die Amplitudenumhüllende des Differentialmeßsignales vm. Dieses Signal (Amplitudenumhüllende) ist in Fig. 4 mit se bezeichnet.
Ein Tiefpaßfilter 23 erhält das Signal se und liefert ein Signal sd, das der Differentialbewegung des beweglichen Magnetteiles 17 entspricht.
Das Tiefpaßfilter unterdrückt die Demodulationsprodukte hoher Frequenz.
Die Wirkungsweise der in Fig. 4 dargestellten Schaltung ist folgendermaßen:
Das vom Ausgang der Meßbrücke gelieferte Meßsignal vm ist ein Wechselstromsignal gleicher Frequenz wie die der vom Generator 220 gelieferten Erregerspannung. Das Meßsignal entspricht der Beziehung
Hierbei bedeuten
vexc Wert der Erregerwechselspannung,
d Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 gegenüber der Mitte des Systems, wobei d den Wert 0 annimmt, wenn efa = efb,
e0 Wert der Luftspalte, wenn sich der bewegliche Magnetteil 17 in seiner Mittelstellung befindet, d. h. efa = efb = e0.
Die Vorteile der differentiellen Meßmethode sind offensichtlich:
- Für das Meßsignal vm ergibt sich eine lineare Beziehung; es ist also proportional zur Auslenkung d, was bei den zuvor erläuterten Methoden nicht der Fall war;
- es handelt sich bei diesem Wert des Meßsignales um einen Absolutwert, da die gemessene Spannung gleich 0 ist, wenn sich der bewegliche Magnetteil 17 in der Mittelstellung befindet; auch dies ist bei den zuvor erläuterten Verfahren nicht der Fall;
- Abtrifterscheinungen sind auf ein Minimum verringert, da die Symmetrie gewahrt wird und Störungen sich demgemäß selbsttätig kompensieren.
Im Vergleich zu bekannten Ausführungen ist das anhand der Fig. 3b und 4 erläuterte Detektorsystem beispielsweise nicht mehr ein gesondertes, kostspieliges und großes Bauteil.
Es genügt nämlich, die in den Fig. 3b und 4 dargestellten Anschlüsse F5, F6 und F7 mit den entsprechen den vorhandenen Teilen zu verbinden. Die einzige kleine Voraussetzung, die bei der kapazitiven Meßmethode zu beachten ist, besteht darin, die einzelnen Teile elektrisch voneinander zu isolieren. Die Stange, die den Führungsfinger 20 bildet, muß daher aus einem Isoliermaterial bestehen, beispielsweise aus einem selbstschmierenden Kunststoffmaterial, ebenso wie die oben erwähnten Verbindungsteile.
Die Isolierteile können auch aus Keramik bestehen, was eine größere Steifigkeit ergibt.
Um eine höhere kapazitive Meßgenauigkeit zu erzielen, können die Teile der Kerne 1, 1', die der ersten bzw. zweiten Seite des beweglichen Magnetteiles 17 gegenüberliegen, vorteilhaft mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 110, 120 versehen sein, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist. Diese Beschichtung kann zweckmäßig durch einen metallisierten Kunststoffilm gebildet werden, dessen Metallisierung an das Potential des zugehörigen Kernes 1, 1' angeschlossen oder nicht angeschlossen ist. Eine derartige Beschichtung 110, 120 verbessert die Angleichung der Eigenschaften des von den Luftspalten efa, efb gebildeten Kondensators an die eines Plankondensators und erhöht damit die Meßgenauigkeit.
Die von den Beschichtungen 110, 120 gebildeten Elektroden sind jedoch durch kapazitive Kopplung mit den im Potential variablen Wicklungen 11, 12 gestört. Das so erzeugte Störniveau des Sensors kann dadurch unterdrückt oder stark verringert werden, daß jede Wicklung mit einer Abschirmplatte bedeckt wird, die an das Bezugspotential angeschlossen wird. Die die Wicklung um schließende Abschirmplatte besitzt einen solchen Einschnitt, daß diese Platte keine Windung bildet, die vollständig eine Zone umschließt, die einem veränderlichen magnetischen Fluß ausgesetzt ist.
Um ferner das Auftreten wesentlicher Focault-Ströme in den Elektrodenbeschichtungen 110, 120 zu vermeiden, können diese zweckmäßig eine unterteilte Struktur aufweisen (keine Schleife), beispielsweise eine Kammstruktur. Die Abschirmungsplatte und die unterteilte Elektrodenbeschichtung können in Form einer doppelseitigen biegsamen gedruckten Schaltung ausgebildet werden, wobei die Seite, die die Abschirmungsplatte enthält, auf der entsprechenden Wicklung angebracht wird.
Die vom Demodulator 22 bewirkte Demodulation liefert dank der mit der Frequenz des vom Generator 220 gelieferten Erregersignales bewirkten Demodulation eine Ausgangsgleichspannung, die dann im Filter 23 einer Tiefpaßfilterung unterworfen wird. Das so am Ausgang des Tiefpaßfilters 23 und am Ausgang des Bewegungsmessers 3 bzw. 30 auftretende Signal sd ist damit proportional der Bewegung d des beweglichen Magnetteiles 17.
Das Subtraktionselement 4 ermittelt sodann die Differenz zwischen dem Signal sd, das der Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 entspricht, und dem Bewegungssteuersignal e, das die Bewegungsinstruktion für das vom beweglichen Magnetteil 17 und vom Führungsfinger 20 gebildete System darstellt. Das vom Subtraktionselement 4 gelieferte Fehlersignal &epsi; entspricht der Fehlerabweichung zwischen der tatsächlichen Position und der geforderten Position des vorstehend genannten beweglichen Systems. Das Subtraktionselement 4 kann vorzugsweise durch einen Operationsverstärker gebildet werden, der als Differentialverstärker ausgebildet ist.
Anhand der Fig. 2, 5a und 5b sei ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des linearen symmetrischen Steuermoduls MOCS erläutert.
Dieses lineare symmetrische Steuermodul MOOS enthält zweckmäßig ein Servokorrekturglied 5, das die Stabilität der Servosteuerung in Abhängigkeit der mechanischen Impedanz bzw. Belastung gewährleistet, an die der erfindungsgemäße Motor angeschlossen ist. Das Servokorrekturglied 5 erhält das vom Subtraktionselement 4 abgegebene Fehlersignal &epsi; und liefert ein korrigiertes Fehlersignal . Das Servokorrekturglied 5 wird im folgenden nicht beschrieben, da es bei Servomotoren einer bekannten Bauweise entspricht; es dient dazu, die Funktion der Servosteuerung hinsichtlich der Ansprechzeit und der Dämpfung zu verbessern.
Das lineare symmetrische Steuermodul MOCS enthält weiterhin ein Linearisierglied 6, das eine Servosteuerung der Wicklungen 11, 12 des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten in Abhängigkeit vom Strom bzw. Magnetfluß durch diese Elektromagneten derart bewirkt, daß die Bewegung des beweglichen Magnetteiles 17 und des Führungsfingers 2 längs der Bewegungsrichtung Δ linear bezogen auf das Eingangssteuersignal e erfolgt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Linearisiergliedes 6 wird im folgenden anhand der Fig. 5a näher erläutert.
Wenn eine Stromservosteuerung erfolgen soll, wenn also der die Wicklung 11 des Elektromagneten bzw. die Wick lung 12 des Gegenelektromagneten durchsetzende Strom in Abhängigkeit vom Eingangssteuersignal e servogesteuert werden soll, so enthält das Linearisierglied 6 vorteilhaft einen Trenngleichrichter 24, dem das vom Korrekturglied 5 gelieferte korrigierte Fehlersignal zugeführt wird und der an seinem Ausgang gleichgerichtete positive bzw. negative Halbwellen des korrigierten Fehlersignales liefert.
Es wird angenommen, daß das korrigierte Fehlersignal einem Wechselspannungs-Eingangssignal e entspricht, wofuer das Fehlersignal &epsi; und das korrigierte Fehlersignal ihrerseits durch ein Signal mit positiver und negativer Halbwelle gebildet werden.
Der Trenngleichrichter 24 kann beispielsweise durch zwei bekannte Halbwellengleichrichterkreise gebildet werden, wobei ein erster Kreis die positiven Halbwellen ausgehend vom Wert 0 gleichrichtet und ein zweiter Kreis, entsprechend dem ersten, die negativen Halbwellen vom Wert 0 aus gleichrichtet. Diese Gleichrichterschaltung ist allgemein bekannt und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden.
Wie weiterhin aus Fig. 5a hervorgeht, kann das Linearisierglied 6 zweckmäßig ein erstes und ein zweites Rechenglied 25a, 25b enthalten, das die Quadratwurzel der Amplitude der gleichgerichteten positiven bzw. negativen Halbwelle des korrigierten Fehlersignales ermittelt. Die Rechenglieder 25a, 25b können in Form von Analogschaltungen realisiert sein; sie liefern Signale, die proportional a bzw. b sind.
Das Linearisierglied 6 enthält ferner ein erstes und ein zweites Korrekturmultiplizierglied 27a, 27b, dem die von den Rechengliedern 25a, 25b gelieferten Signale a bzw. b zugeführt werden. Ein Subtraktionsglied 26a und ein Summationsglied 26b erhalten einerseits das differentielle Signal sd (proportional der Bewegung d des beweglichen Magnetteiles 17) und andererseits ein Signal, das dem Wert e0 der Luftspalte entspricht, wenn sich der bewegliche Magnetteil 17 in der Mittelstellung befindet. Das Subtraktionsglied 26a und das Summationsglied 26b liefern an das erste bzw. zweite Korrekturmultiplizierglied 27a bzw. 27b Signale entsprechend dem Wert e0 - d bzw. e0 + d.
Die Korrekturmultiplizierglieder 27a, 27b liefern an das erste bzw. zweite Stromverstärkerelement 7 bzw. 8 ein erstes bzw. zweites symmetrisches Steuersignal sa bzw. sb.
Das Linearisierglied 6, wie es in Fig. 5a dargestellt ist, ermöglicht eine Linearisierung der nichtlinearen Charakteristik der Elektromagneten, was die von diesen Elektromagneten erzeugte Kraft in Abhängigkeit der durch die entsprechenden Wicklungen fließenden Ströme anbelangt.
Die vom Elektromagneten bzw. vom Gegenelektromagneten erzeugte Kraft entspricht der Beziehung
Hierbei bedeuten
u&sub0; die Permeabilität des Luftspaltes,
S die Eisenfläche des betrachteten Elektromagneten,
n die Zahl der Windungen der Wicklung des Elektromagneten,
i der durch die Wicklung des Elektromagneten fliessende Strom,
ef der Wert des Luftspaltes, d. h. efa bzw. efb.
Die Magnetkraft ändert sich daher mit dem Quadrat des Stromes und umgekehrt proportional zum Quadrat des Luftspaltes.
Das Steuersignal des Linearisiergliedes 6 entspricht dem Sollwert der Kraft. Letzterer wird zunächst durch den Trenngleichrichter 24 in den positiven und negativen Anteil zerlegt, da ein Elektromagnet nur Zugkräfte ausüben kann. Entsprechend dem Vorzeichen der zu erzeugenden Kraft ist es erforderlich, die Wicklung des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten zu speisen. Das Rechenglied 25a bzw. 25b ermittelt die Quadratwurzel des Signales. Das Korrekturmultiplizierglied 27a bzw. 27b multipliziert das Resultat mit einer Spannung, die dem Augenblickswert des Luftspaltes entspricht, die also proportional e0 + d bzw. e0 - d ist, je nach dem Wert efa bzw. efb des betrachteten Luftspaltes 18 bzw. 19.
Wenn also der Eingangssollwert der Kraft gleich ist (positiv), so ist das Ausgangssignal des Rechengliedes 25a gleich und das Ausgangssignal des Korrekturmultipliziergliedes 27a gleich efa · . Das Stromverstärkerelement 7 setzt diesen Sollwert in einen Strom I proportional efa · um. Da die von der Wicklung 11 erzeugte Kraft proportional
(I/efa)²
ist und da der Strom I proportional efa · ist, ist die resultierende Kraft proportional
d. h. proportional .
Man erhält auf diese Weise somit eine Kraft, die dem Sollwert proportional ist.
Man kann allerdings die Servosteuerung noch wirksamer machen, indem man nicht den Strom, sondern den Magnetfluß im Elektromagneten bzw. im Gegenelektromagneten vom Sollwert des Bewegungs-Steuersignales abhängig macht.
Zu diesem Zweck erhalten der Kern 1 des Elektromagneten sowie der Kern 1' des Gegenelektromagneten zweckmäßig auf der Höhe des Luftspaltes 18, 19 eine Halleffektsonde 27, 29, wie dies beispielsweise in Fig. 3b veranschaulicht ist. Die Halleffektsonde 27, 29 liefert über die Anschlüsse F8, F9 ein Signal, das dem im Luftspalt 18, 19 erzeugten Magnetfluß entspricht. Dieses Signal wird dem Stromverstärkerelement 7 bzw. 8 zugeführt (vgl. Fig. 2). Auf diese Weise ist der Magnetfluß im Luftspalt proportional dem Eingangssollsignal der Stromverstärkerelemente 7 und 8.
Die vom Elektromagneten bzw. vom Gegenelektromagneten erzeugte Kraft wird durch die Beziehung gegeben
Hierbei bedeuten
B den Magnetfluß im Luftspalt,
S die Eisenfläche des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten,
u0 die Permeabilität des Luftspaltes.
In einem solchen Fall ist die Linearisierung vereinfacht, da die vom Elektromagneten bzw. vom Gegenelektromagneten erzeugte Kraft sich nicht mit der Größe des Luftspaltes ändert.
Wie Fig. 5b zeigt, ergibt sich in diesem Falle ein vereinfachtes Linearisierglied. Es enthält einen Trenngleichrichter 24, dem das vom Servokorrekturglied 5 gelieferte korrigierte Fehlersignal zugeführt wird und der gleichgerichtete positive bzw. negative Halbwellen des korrigierten Fehlersignales liefert, wie dies zuvor bereits anhand von Fig. 5a erläutert wurde. Auf diesen Trenngleichrichter 24 folgt ein erstes und ein zweites Rechenglied 25a, 25b, das die Quadratwurzel der gleichgerichteten positiven bzw. negativen Halbwellen des korrigierten Fehlersignales E erzeugt. Die Rechenglieder 25a, 25b geben somit Signale proportional a bzw. b ab, die jeweils die differentiellen Steuersignale sa bzw. sb bilden. Das Linearisierglied 6 gemäß Fig. 5b enthält somit lediglich die beiden ersten Stufen des Linearisiergliedes gemäß Fig. 5a.
Bei einer Ausführungsvariante wird die Korrektur der Nichtlinearität, die auf der Abhängigkeit der vom Elektromagneten bzw. Gegenelektromagneten erzeugten Kraft vom Quadrat des durch die zugehörige Wicklung fließenden Stromes oder vom hierdurch erzeugten Magnetfluß beruht, dadurch erzielt, daß in die Rückführschleife der Servosteuerung, d. h. auf dem Niveau der Anschlüsse F8, F9, Hallsonden in die Stromverstärkerelemente 7 bzw. 8 einer Operationsschaltung mit Quadrierungsfunktion eingefügt werden, so daß an die Wicklung 11 bzw. 12 des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten ein Signal abgegeben wird, das proportional dem Quadrat des in jedem Luftspalt 18 bzw. 19 erzeugten Magnetflusses ist (das Linearisierglied 6 der Fig. 5b enthält dann nur den oben im Zusammenhang mit Fig. 5a erläuterten Trenngleichrichter 24). Diese Ausführungsvariante wird nicht im einzelnen erläutert, da sie äquivalent zur Ausführungsform der Fig. 5b ist.
Die praktische Ausführung des Servokorrekturgliedes 5 und des Linearisiergliedes kann analog oder numerisch sein.
Bei einer numerischen Version können diese Schaltungen vorteilhaft in Form eines schnellen Signalprozessors ausgebildet sein, beispielsweise in Form des Prozessors TMS 320 C 25 (TEXAS INSTRUMENTS).
Bei einer analogen Realisation besteht das Servokorrekturglied 5 aus Operationsverstärkern und das Linearisierglied 6 aus analogen Multiplikatoren, beispielsweise der Schaltung AD 534 (ANALOG DEVICES), wobei diese Schaltungen die Funktionen der Quadratwurzel und der Multiplikation ermöglichen.
Was den Einbau von Hallsonden anbelangt, so können hierfür beispielsweise Sonden UGN 3503 U (SPRAGUE) Verwendung finden.
Die Halleffektsonden können entweder im Luftspalt oder zweckmäßiger im Magnetkreis bzw. in einem Abzweig des Magnetkreises angeordnet werden, so daß sie ein Signal liefern, das dem im Luftspalt erzeugten Fluß entspricht. Anhand von Fig. 5c wird im folgenden eine Variante des vorstehend anhand der Fig. 2 und 5b erläuterten Linearisiergliedes beschrieben, wobei eine numerische Steuerung Verwendung findet, die im Prinzip genauer als eine analoge Steuerung ist.
Das zuvor erläuterte Linearisierglied versorgt zu einem bestimmten Zeitpunkt nur entweder die Wicklung 11 oder die Wicklung 12. Es ist daher möglich, daß im Augenblick des Durchganges der Kraft durch den Wert 0 eine Verwindung erzeugt wird. Die verwendeten Wicklungen weisen prinzipiell eine hohe Impedanz gegenüber Stromänderungen auf, so daß der Strom in der neu erregten Wicklung sich noch nicht einstellen konnte, wenn der Strom in der abgeschalteten Wicklung bereits 0 geworden ist. Hieraus resultiert eine entsprechende Störung der erzeugten Kraft. Bei dem entsprechenden Ausführungsbeispiel ermöglicht die numerische Steuerung die Benutzung von wesentlich feineren Linearisierungsgesetzen bzw. -vorgängen, als die einfache Berechnung der Quadratwurzel, wie oben beschrieben.
Gemäß einem besonders zweckmäßigen Aspekt kann der Linearisierungsvorgang darin bestehen, daß jede Wicklung 11, 12 mit einem Strom gleicher Intensität I&sub0; gespeist wird, wenn die geforderte Kraft gleich Null ist. Auf diese Weise kompensieren sich die Kräfte, die von den Wicklungen 11, 12 auf den beweglichen Magnetteil 17 ausgeübt werden.
Bei kleinen Werten der geforderten Kraft wird das Linearisierglied 6 im Differentialbetrieb gesteuert, wobei der Strom in der einen Wicklung auf einen Wert I&sub0; + i vergrößert wird, während der Strom in der anderen Wicklung auf den symmetrischen Wert I&sub0; - i verkleinert wird.
Bei hohen Werten der geforderten Kraft, d. h. wenn der Differentialwert i den Wert I&sub0; erreicht, wird der Strom in der einen Wicklung gleich Null und der Strom in der anderen Wicklung erreicht und übersteigt dann 2 I&sub0; und kann dann entsprechend dem Gesetz der Quadratwurzel bestimmt werden, weil man zu dem oben beschriebenen Fall zurückkehrt, indem nur eine der beiden Wicklungen 11, 12 gespeist wird.
Die Kompensationen des Luftspaltes werden in gleicher Weise wie oben beschrieben realisiert.
Im Falle einer Fluß-Servosteuerung anstelle einer Strom-Servosteuerung bleiben die obigen Überlegungen gültig, wobei jedoch die Korrektur des Luftspaltes in Fortfall kommt. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer solchen Servosteuerung wird nachfolgend anhand der Fig. 5c erläutert. Man versteht beispielsweise, daß das Korrekturglied 5 und das Linearisierglied 6, gegebenenfalls auch das Luftspalt-Korrekturglied 60, in Form eines numerischen Prozessors realisiert werden können, der so programmiert ist, daß die Sollwerte des magnetischen Flusses Fa und Fb (wie in Fig. 5c dargestellt) abgegeben werden bei einem Kraftsollwert F, nach Behandlung im Korrekturmodul, unter den Bedingungen einer differentiellen Speisung oder einer exklusiven Speisung einer der beiden Wicklungen 11, 12.
Anhand der Fig. 6a und 6b wird im folgenden eine Variante des Linearmotors erläutert, bei der der bewegliche Magnetteil 17 einer Drehbewegung um ein Rotationszentrum C ausgesetzt ist. In den Fig. 6a und 6b bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie in den zuvor erläuterten Figuren.
Wie Fig. 6a zeigt, ist die Wicklung 11 um die lineare Bewegungsbahn Δ herum angeordnet; letztere entspricht einer Drehbewegung längs eines Kreisbogens mit dem Öffnungswinkel αf.
Der bewegliche Magnetteil 17 ist in der Bewegungsrichtung Δ drehbeweglich. Er ist mechanisch so geführt, daß er gegenüber dem Kern 1 des Elektromagneten nur einen einzigen Freiheitsgrad besitzt. Die Bewegungsrichtung Δ ist daher etwa tangential zur Richtung der vom Elektromagneten 11 im Luftspalt erzeugten magnetischen Feldlinien. Der bewegliche Magnetteil 17 unterliegt einer Drehbewegung relativ zum Drehzentrum C. Er ist drehbeweglich gegenüber einer Drehachse 21, die mechanisch fest mit dem Kern 1 verbunden ist und senkrecht auf der Bewegungsbahn Δ steht.
In Fig. 6b ist eine Ausführungsvariante dargestellt, die entsprechend Fig. 2 einen Elektromagneten mit einer Wicklung 11 und einen Gegenelektromagneten mit einer Wicklung 12 enthält. Für die Ausführungsbeispiele der Fig. 6a und 6b ist klar, daß sich der lineare Bewegungscharakter aus dem momentanen Drehwinkel des beweglichen Magnetteiles 17 ergibt, sofern dieser hinreichend klein ist. Die Luftspaltwerte ef, efa und efb können dann ersetzt werden durch die entsprechenden momentanen Winkelwerte αf, αa und αb, d. h. ef = R · αf, efa = R · αa und efb = R · αb. Eine derartige Bedingung gilt, wenn für einen gegebenen Winkel αf gesetzt werden kann sin α = αf. Die geometrischen Parameter des erf indungsgemäßen Motors definieren dann ein Verwindungsverhältnis des Luftspaltes der Form:
wobei 1 ≤ R und weiterhin bedeuten
efmax den Wert des Luftspaltes am entfernten Ende des beweglichen Magnetteiles,
efmin den Wert des Luftspaltes am nahegelegenen Ende des beweglichen Magnetteiles (d. h. an dem dem Rotationszentrum C benachbarten Ende),
R den Krümmungsradius der Bewegungsbahn des Schwerpunktes des beweglichen Magnetteiles,
l die Dimension der Halböffnung des Elektromagneten bzw. Gegenelektromagneten bzw. die halbe Länge des beweglichen Magnetteiles 17.
Bei einer praktischen Ausführungsform wählt man einen Auslenkwinkel αfM bzw. αaM bzw. αbM des beweglichen Magnetteiles, der kleiner oder gleich 10 Grad ist.
Der in den Fig. 6a und 6b dargestellte Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz in der drehbeweglichen Version kann in all den Fällen Verwendung finden, in denen oszillierende Drehbewegungen sehr kleiner Amplitude und hoher Frequenz genau gesteuert werden müssen, beispielsweise bei der aktiven Steuerung von Druckpulsationen in Strömungen mit Hilfe einer Klappe, die in einem Rohr schwenkbeweglich angeordnet ist.
Der beschriebene Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz ist dann besonders wirksam, wenn bei kleinem Volumen, kleinen baulichen Abmessungen und geringem Gewicht einerseits hohe Kräfte ausgeübt werden müssen und eine Verringerung oder Unterdrückung von Maschinen- oder Motorvibrationen erfolgen soll, wie dies in der europäischen Patentanmeldung 0 040 536 A1 der Anmelderin (Priorität 30.1.1990) beschrieben ist.
Der erfindungsgemäße Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz ist andererseits besonders vorteilhaft, wenn eine lineare Bewegung eines beweglichen Systemes, abhängig nur von der Funktion elektronischer Komponenten, die die Servosteuerkette bilden, erreicht werden soll, wobei der Fehler der Linearität kleiner als etwa 0,1% gehalten werden soll.
Diese Besonderheit, verbunden mit der Möglichkeit, die Bewegungsmessung relativ zu einem Ursprungs-Bezugswert durchzuführen, wobei der Nullwert überhaupt keiner Abtrift unterliegt, ermöglicht die unterschiedlichsten Anwendungen zur Korrektur der Position oder der Lage großer mechanischer Strukturen.
Das Merkmal der Linearität des Ansprechverhaltens des erfindungsgemäßen Linearservomotors, zusammen mit dem Wert der Größe des Bandes oder der Schalt- bzw. Grenzfrequenz des Motors, ermöglicht schließlich entsprechende Anwendungen auf dem Gebiet der Schallwiedergabe, wobei der erfindungsgemäße Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz die Rolle eines Wandlers erfüllt, der vergleichbar und in jedem Falle überlegen ist einem üblichen elektrodynamischen Motor; die relative Beschränkung hinsichtlich der mechanischen Impedanz der Membran, die bei einer solchen Anwendung mit dem beweglichen System verbunden ist, insbesondere mit dem Führungsfinger 20 des Linearmotors, um beispielsweise einen Lautsprecher zu realisieren, kann hierbei weitgehend verringert werden bzw. kann in jedem Falle vollständig durch das Servokorrekturglied 5 und durch das Linearisierglied kompensiert werden, so daß sich eine getreue Wiedergabe des Steuersignales und eine entsprechende Umsetzung dieses Steuersignales in Schallvibrationen ergibt.

Claims

1. Linearservomotor mit veränderlicher Reluktanz, enthaltend einen Elektromagneten (1, 9, 11; 1, 1', 9, 10, 11, 12), der im Betrieb eine Zugkraft ausübt und einen Kern (1; 1, 1') enthält, der einen Magnetkreis (9; 9, 10) bildet, ferner eine Wicklung (11; 11, 12), die eine lineare Bewegungsbahn umschließt, weiterhin einen Magnetteil (17), der in einer Bewegungsrichtung beweglich ist und mechanisch derart geführt ist, daß er gegenüber dem Kern (1; 1, 1') des Elektromagneten einen einzigen Freiheitsgrad besitzt, wobei die Bewegungsrichtung im wesentlichen tangential zur Richtung der vom Elektromagneten erzeugten Kraftlinien des Magnetfeldes verläuft, ferner enthaltend eine Meßeinrichtung (3; 30), die ein Signal (sd) liefert, das repräsentativ für die Bewegung des beweglichen Magnetteiles (17) ist, wobei diese Meßeinrichtung mit einem Aufnehmer verbunden ist (F7), der mit induktiven oder kapazitiven Elementen versehen ist, die auf die Größe des zwischen dem Kern (1; 1, 1') und dem beweglichen Teil (17) bestehenden Spaltes (18) ansprechen, ferner enthaltend eine Subtraktionseinrichtung (4), die an einem ersten, positiven Eingang ein Signal (e) zur Steuerung der Bewegung des beweglichen Magnetteiles (17) erhält und an einem zweiten, negativen Eingang das Signal, das repräsentativ für die Bewegung ist, so daß diese Subtraktionseinrichtung (4) ein Fehlersignal (&epsi;) entsprechend der Abweichung der Bewegung des beweglichen Teiles (17) vom Steuersignal dieser Bewegung liefert, weiterhin enthaltend einen Stromverstärkerkreis (CAC), der das Fehlersignal (&epsi;) er hält und einen Speisestrom für die Wicklung (11; 11, 12) liefert, enthaltend schließlich eine Rückführeinrichtung (28; 12) für den beweglichen Magnetteil (17), der auf diesen Magnetteil eine Rückführkraft ausübt, die der vom Elektromagneten erzeugten Kraft entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Elemente des Aufnehmers aus den Wicklungen (11; 11, 12) des Elektromagneten und die kapazitiven Elemente aus dem Kondensator bestehen, der vom Elektromagneten, dem Spalt (18) und dem beweglichen Magnetteil (17) gebildet wird.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen im wesentlichen symmetrischen Aufbau besitzt und daß die Rückführeinrichtung (12) gebildet wird durch

- einen gleichartig wie der Elektromagnet ausgebildeten Gegenelektromagneten, wobei der Gegenelektromagnet und der Elektromagnet einander gegenüber angeordnet und Kerne (1', 1) auf beiden Seiten des beweglichen Magnetteiles (17) vorgesehen sind, einen zur Führung des beweglichen Magnetteiles dienender Finger (20) symmetrisch gegenüber dem beweglichen Magnetteil (17) angeordnet ist und die Führung dieses Fingers gleichzeitig durch den Kern (1) des Elektromagneten und den Kern (1') des Gegenelektromagneten bewirkt wird;

- sowie Steuerelemente (MCS) zur symmetrischen Steuerung des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten, wobei diese Steuerelemente einen Speisestrom zur symmetrischen Erregung an die jeweilige Spule (11, 12) von Elektromagnet bzw. Gegenelektromagnet liefern.

3. Linearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente zur symmetrischen Steuerung wenigstens eine Detektoreinrichtung (30) zur Feststellung einer Differential-Bewegung des beweglichen Magnetteiles (17) enthalten, wobei diese Detektoreinrichtung (30) an den negativen Anschluß der Subtraktionseinrichtung (4) ein Signal (sd) liefert, das repräsentativ ist für die differentielle Bewegung des beweglichen Magnetteiles (17) gegenüber dem Kern (1, 1') des Elektromagneten und des Gegenelektromagneten bezogen auf eine ursprüngliche Gleichgewichtsstellung.

4. Linearmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente (MCS) zur symmetrischen Steuerung außerdem eine Stromverstärkerschaltung (CAC) für symmetrische Erregung enthalten, die einerseits ein Modul (MOCS) für symmetrische Steuerung aufweist, das das von der Subtraktionseinrichtung (4) gelieferte Fehlersignal aufnimmt und ein erstes sowie zweites Steuersignal symmetrischer Erregung (sa, sb) liefert, und die andererseits zwei Stromverstärker (7, 8) enthält, die das erste bzw. zweite Steuersignal symmetrischer Erregung erhalten und die an die Wicklung des Elektromagneten (11) bzw. des Gegenelektromagneten (12) einen Speisestrom zur symmetrischen Erregung liefern.

5. Linearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (30) zur Feststellung einer differentiellen Bewegung eine induktive Bau Weise aufweist und eine Messung der Induktivität der beiden Wicklungen (11, 12) des Elektromagneten und des Gegenelektromagneten ermöglicht, wobei diese Detektoreinrichtung folgende Elemente enthält

- Elemente zur Messung der Spannung (U&sub1;&sub1; bzw. U&sub1;&sub2;) an der Wicklung (11 bzw. 12) des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten,

- Elemente zur Messung der Ableitung (u&sub1;&sub1;, u&sub1;&sub2;) des Speisestromes der Wicklung (11 bzw. 12) des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten,

- Rechenelemente zur Bestimmung der Induktivität L des Elektromagneten (11) bzw. des Gegenelektromagneten (12) und der entsprechenden Spaltwerte (efa, efb), wobei die Induktivität L durch die Beziehung gegeben ist:

L = u&sub0;S · N²/2ef, wobei ef = efa oder ef = efb.

6. Linearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (30) zur Bestimmung der differentiellen Bewegung eine kapazitive Bauweise aufweist und durch folgende Elemente gebildet wird:

- eine Brückenschaltung, enthaltend

· zwei aneinanderstoßende erste Zweige, die von den Kapazitäten der Spalte (18, 19) gebildet werden, die zwischen dem Kern (1) des Elektromagneten und der gegenüberliegenden ersten Seite des beweglichen Magnetteiles (17) bzw. zwischen dem Kern (1') des Gegenelektromagneten und der gegenüberliegenden zweiten Seite des beweglichen Magnetteiles (17) vorhanden sind,

· zwei benachbarte zweite Zweige, die von gleichen Widerständen (20, 21) gebildet werden,

· eine erste Diagonale, die von einem Generator (220) zur Erzeugung periodischer Signale gebildet wird, deren Grundfrequenz wesentlich höher als die Abschaltfrequenz des Linearservomotors ist,

· eine zweite Diagonale, die ein differentielles Meßsignal (vm) liefert und zwischen dem beweglichen Magnetteil (17) und dem gemeinsamen Punkt der beiden zweiten benachbarten Brückenzweige angeordnet ist,

- eine Demodulatorschaltung (22) für die Frequenz der periodischen Signale, wobei diese Demodulatorschaltung das differentielle Meßsignal erhält und ein Signal liefert, das der Umhüllenden der Amplitude des differentiellen Signales entspricht,

- einen als Tiefpaß ausgebildeten Filterkreis (23), der das genannte Signal der Umhüllenden erhält und ein Signal (sd) liefert, das repräsentativ für die differentielle Bewegung des beweglichen Magnetteiles ist.

7. Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (MOCS) zur symmetrischen Linearsteuerung folgende Schaltungen enthält

- eine Servokorrekturschaltung (5), die die Stabilität der Servosteuerung in Abhängigkeit von der · mechanischen Impedanz bzw. Belastung gewährleistet, mit der der Motor verbunden ist, wobei diese Schaltung das Fehlersignal (&epsi;) erhält und ein korrigiertes Fehlersignal ( ) liefert,

- eine Linearisierungsschaltung (6), die eine Steuerung der Wicklungen (11, 12) des Elektromagneten bzw. des Gegenelektromagneten in Servoabhängigkeit vom Strom oder vom Magnetfluß bewirkt, so daß die Bewegung des beweglichen Magnetteiles (17) linear in Bewegungsrichtung (Δ) bezogen auf das Eingangssteuersignal (e) gemacht wird.

8. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall einer. Strom-Servosteuerung die Gleichrichtungs-Linearisierungsschaltung (6) folgende Teile enthält:

- eine Gleichrichter-Trennschaltung (24), die ausgehend von dem korrigierten Fehlersignal ( ), das von der Servokorrekturschaltung (5) geliefert wird, gleichgerichtete positive bzw. negative Halbwellen des korrigierten Fehlersignales ( ) liefert,

- eine erste und eine zweite Rechenschaltung (25a, 25b) zur Bestimmung der Quadratwurzel der Amplitude der gleichgerichteten positiven bzw. negativen Halbwellen des korrigierten Fehlersignales (&epsi;) und zur Lieferung von zwei Signalen proportional a bzw. b,

- eine erste und eine zweite Korrektur-Multiplizierschaltung (27a, 27b), die die Signale ( a bzw. b) erhalten, die von den Rechenschaltungen (25a, 25b) geliefert werden, ferner die augenblicklichen Spaltwerte eo - d bzw. eo + d, und die ein erstes bzw. ein zweites symmetrisches Steuersignal (sa bzw. 5b) an den ersten bzw. zweiten Stromverstärker (7 bzw. 8) liefern.

9. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Servosteuerung entsprechend dem Magnetfluß des Elektromagneten und des Gegenelektromagneten der Kern (1) des Elektromagneten auf dem Niveau des Spaltes (18, 19) eine zur Messung des Hall-Effektes dienende Sonde (27) aufweist, die an den Stromverstärker (7 bzw. 8) ein Signal liefert, das repräsentativ für den in diesem Spalt erzeugten Magnetfluß ist.

10. Linearmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearisierungsschaltung (6) folgende Teile enthält:

- eine Gleichrichter-Trennschaltung (24), die ausgehend von dem korrigierten Fehlersignal ( ), das von der Servokorrekturschaltung (5) geliefert wird, die gleichgerichteten positiven bzw. negativen Halbwellen des korrigierten Fehlersignales ( ) liefert,

- eine erste und eine zweite Rechenschaltung (25a, 25b) zur Bestimmung der Quadratwurzel der Amplitude der gleichgerichteten positiven bzw. negativen Halbwellen des korrigierten Fehlersignales ( ) , wobei diese Rechenschaltungen zwei Signale proportional ( a bzw. b) liefern, die jeweils die symmetrischen Steuersignale (sa, sb) bilden.

11. Linearmotor nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Servokorrekturschaltung (5) und die Linearisierungsschaltung (6) durch einen programmierten numerischen Prozessor gebildet werden, der ausgehend von magnetischen Flußsignalen (Fa, Fb) Stromsignale erzeugt, wobei die Linearisierungsschaltung in jeder Wicklung (11, 12) einen Strom vorgegebener gleicher Größe erzeugt, wenn die gewünschte Kraft gleich null ist, dagegen einen Strom, der um einen differentiellen Wert in der einen bzw. anderen Wicklung gegenüber dem Strom vorgegebener Stärke vergrößert oder verkleinert ist, solange die gewünschte Kraft einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, und die dann, wenn die gewünschte Kraft hohe Werte erreicht, die über dem vorbestimmten Wert der gewünschten Kraft liegen, einen Strom null bzw. einen Strom, der mehr als zweimal so groß wie der Strom vorgegebener Stärke ist, erzeugt.

12. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Motors, dessen beweglicher Teil (17) eine Drehbewegung gegenüber einem Rotationszentrum (C) ausführt, der bewegliche Magnetteil (17) eine Rotationsachse (21) aufweist, die mechanisch fest mit dem Kern (1) verbunden ist und senkrecht zur Bewegungsbahn verläuft, wobei der bewegliche Magnetteil drehbeweglich um diese Drehachse (21) angeordnet ist.