NL9001126A - Elektromagnetisch aandrijfsysteem. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Elektromagnetisch aandrijfsysteem.

De uitvinding heeft betrekking op een elektromagnetisch aandrijfsysteem omvattende een elektromotor waarvan een eerste motordeel beweegbaar is opgesteld ten opzichte van een tweede motordeel, waarbij het eerste motordeel een eerste spoel omvat en een waarbij het tweede motordeel een magneetcircuit omvat voor het opwekken van een magneetveld in de eerste spoel, waarbij een van de motordelen is voorzien is van een kortsluitwinding met een elektromagnetische koppeling met ten minste twee spoelen van het andere motordeel, waarbij de elektromagnetische koppeling tussen de kortsluitwinding en ten minste een van de laatstgenoemde spoelen afhankelijk is van een positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel.

Een dergelijk aandrijfsysteem is bekend uit US 4.616.153. Bij het bekende aandrijfsysteem worden de motordelen gevormd door twee coaxiale cilindervormige lichamen die verschuifbaar ten opzichte van elkaar zijn opgesteld. Het binnenste cilindervormige lichaam vormt het eerste motordeel dat bestaat uit een buis waarom heen een bekrachtigingsspoel en de kortsluitingwinding is aangebracht. Het buitenste cilindervormige lichaam omvat het magneetcircuit, dat een radiaal gericht magneetveld opwekt in de bekrachtigingsspoel. Verder omvat het tweede motordeel twee coaxiaal ten opzichte van de kortsluitwinding gelegen detectiespoelen met een positie afhankelijjke elektromagnetisch koppeling met de kortsluitwinding.

Bij injectie van hoogfrequent detectiesignaal in de detectiespoelen vanuit de signalen over de detectiespoelen de positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel worden afgeleid. Aldus wordt een motor gerealiseerd met ingebouwde positiedetector. Een nadeel van het bekende aandrijfsysteem is echter dat de voor de positiedetectie noodzakelijke componenten relatief veel plaats innemen, waardoor het aandrijfsysteem minder geschikt is voor toepassingen waarvoor motoren met zeer kleine afmetingen gewenst zijn, zoals bijvoorbeeld in geminiaturiseerde draagbare optekensystemen zoals bijvoorbeeld gebruikt worden bij elektronische fotografie (Eng.: electronic still picture).

De uitvinding stelt zich onder meer ten doel een aandrijfsysteem volgens de aanhef te verschaffen dat beter geschikt is voor miniaturisering. Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat een aandrijfsysteem gekenmerkt wordt doordat de kortsluitwinding wordt omvat door het eerste motordeel en waarbij magneetcircuit is ingericht voor het opwekken van een magneetveld in de spoelen welke elektromagnetisch gekoppeld zijn met de kortsluitwinding.

Hierdoor wordt bereikt dat de spoelen zowel voor de bekrachtiging van de motor alsook voor positiedetectie gebruikt kunnen worden. Door dit tweeledig gebruik van de spoelen wordt een effecienter gebruik van de spoelen verkregen, hetgeen betekent dat het voor de spoelen benodigde ruimte kleiner is. Een uitvoeringsvorm van het aandrijfsysteem wordt gekenmerkt doordat het eerste motordeel drie bekrachtigingspoelen omvat die elektromagnetisch gekoppeld zijn met de kortsluitwinding, waarbij een eerste en een tweede van de drie bekrachtigingsspoelen symmetrisch zijn gelegen ten opzichte van de derde spoel van de drie bekrachtigingsspoelen, en waarbij een magneetcircuit is ingericht om in de drie bekrachtigingsspoelen het magneetveld op te wekken.

Deze uitvoeringsvorm maakt het mogelijk om de positie nauwkeurig te detecteren met behulp van differentiële detectie. Een uitvoeringsvorm van het aandrijfsysteem waarin een dergelijke differentiële detector is gerealiseerd wordt gekenmerkt doordat een bekrachtigingsschakeling voor het opwekken van bekrachtigingstromen in de bekrachtigingsspoelen, van een schakeling voor het superponeren van een hoogfrequent detectiesignaal op de bekrachtigingsstroom van de derde bekrachtigingsspoel en een detectieschakeling voor het afleiden van een positiesignaal, dat indicatief is voor de positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel, op basis van het verschil tussen de signalen die in de eerste en tweede bekrachtigingsspoel worden veroorzaakt door het detectiesignaal.

Een vanwege zijn eenvoud bijzonder aantrekkelijke uitvoeringsvorm met differentiële positiedetectie wordt gekenmerkt doordat de bekrachtigingsspoelen parallel zijn geschakeld, waarbij het aandrijfsysteem is voorzien van een stroombron voor het voeden van de parallelschakeling van bekrachtigingsspoelen met een bekrachtigingsstroom waarop het hoogfrequent detectiesignaal is gesuperponeerd, van een detectieschakeling voor het detecteren van de stromen in de eerste en tweede bekrachtigingsspoel en van een schakeling voor het uit het verschil tussen deze stromen, afleiden van het positiesignaal.

Bij deze uitvoeringsvorm wordt voordelig gebruik gemaakt van het feit dat bij differentiële detectie de hoogfrequente detectiesignaal dat door de stroombron rechtstreeks in de eerste en tweede spoel wordt geïnjecteerd geen invloed hebben op het resultaat van de detectie. Hierdoor wordt het mogelijk om alle drie de bekrachtigingsspoelen uit een gemeenschappelijke stroombron te voeden.

De uitvinding is toepasbaar voor zowel rotatiemotoren alsook voor lineaire motoren. Een vanwege zijn eenvoudige constructie aantrekkelijke uitvoeringsvorm van een aandrijfsysteem met lineiare motor wordt gekenmerkt doordat de bekrachtigingsspoelen achter elkaar geplaatst zijn, en in hoofdzaak cilindrische vormen hebben met een gemeenschappelijke as, en waarbij het tweede motordeel cilindervormige is en verschuifbaar is opgesteld binnen de bekrachtigingsspoelen in een richting evenwijdig aan de gemeenschappelijke as van de bekrachtigingsspoelen, en waarbij het magneetcircuit is ingericht voor het opwekken van radieel gerichte magneetvelden in de bekrachtigingsspoelen.

Een verdere uitvoeringsvorm van het aandrijfsysteem wordt gekenmerkt doordat de kortsluitwinding wordt gevormd door een bus van, niet magnetische geleidend,elektronisch geleidend materiaal welke bus door het tweede motordeel wordt omvat en welke bus het magneetcircuit opsluit.

Door toepassing van de bus wordt een tweeledig doel bereikt namelijk de vorming van de kortsluitingwinding als ook de opsluiting van het magneetcircuit.

Een bijzonder eenvoudige constructie van het magneetcircuit wordt verkregen bij een uitvoeringsvorm doordat het magneetcircuit achter elkaar geplaatste cilindervormige permanent magneten met een gemeenschappelijke as die evenwijdig is aan de as van het tweede motordeel omvat van welke magneten de polen aan de cilinderuiteinden zijn gelegen en waarbij twee tegenover elkaar liggende cilinderuiteinden van de magneten dezelfde polariteit hebben.

Indien de afstand tussen de polen van de cilindermagneten voldoende klein wordt gekozen, is magnetisch geleidend sluitweg in het eerste motordeel niet noodzakelijk om een voldoend hoog magneetveld op te wekken. Het weglaten van de magnetische geleidende sluitweg in het eerste motordeel heeft het bijkomende voordeel dat de kleefkrachten tussen eerste en tweede motor ontbreken, waardoor met een eenvoudige lagering van de motordelen kan worden volstaan. Alhoewel de positiedetector van de motor gebruikt kan worden voor de bepaling van de commutatietijdstip van een elektronisch gecommuteerde borstelbare gelijkstroommotoren, is de uitvinding echter bij uitstek geschikt om toegepast te worden in positieservosystemen. Een uitvoeringsvorm waarbij dit is gerealiseerd wordt gekenmerkt doordat het systeem een regelschakeling omvat voor het regelen van de bekrachtigingstromen op basis van het positiesignaal en een referentiesignaal dat de gewenste positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel aangeeft.

De uitvinding zal nader worden toegelicht onder verwijzing naar de figuren 1 tot en met 4 welke een viertal uitvoeringsvormen van het aandrijfsysteem volgens de uitvinding tonen.

Figuur 1 toont een eerste uitvoeringsvorm van het aandrijfsysteem volgens de uitvinding waarbij figuur 1a het aandrijfsysteem in doorsnede toont en waarbij figuur 1b het aandrijfsysteem, gedeeltelijk opengewerkt, in perspectief toont. De getoonde uitvoeringsvorm betreft een lineaire motor welke een eerste 1 en een tweede motordeel 2 omvat, welke de vorm hebben van twee in elkaar geschoven cilindervormige lichamen welke langs een bewegingsas 3 ten opzichte van elkaar beweegbaar zijn opgesteld. In de hier weergegven uitvoeringsvormen hebben de motordelen een cirkelcilindrische vorm. Echter ook cilindervormen met een niet cirkelvormige doorsnede, maar bijvoorbeeld een rechthoekige doorsnede, zijn geschikt zijn. Het tweede motordeel 2 omvat een drietal achter elkaar geplaatste cilindervormige bekrachtigingspoelen die coaxiaal ten opzichte van het eerste motordeel 1 zijn gelegen. Het eerste motordeel 1 omvat een magneetcircuit voor het opwekken van een radieel gericht magneetveld in de spoelen 4, 5 en 6.

Een dergelijk magneetcircuit kan bestaan uit een tweetal achter elkaar geplaatste cilindervormige permanentmagneten 7 en 8 waarvan de as samenvalt met de bewegingsas 3. Aan de cilinderuiteinde zijn magnetisch geleidende plaatjes 9, 10 en 11 aangebracht. De magneetpolen van de magneten 7 en 8 zijn aan de cilinderuiteinden gelegen. De tegenover elkaar gelegen polen van de magneten 7 en 8 hebben dezelfde polariteit, waardoor in de gedeelten van de spoelen 4, 5 en 6 welke tegenover de plaatjes 9, 10 een 11 zijn gelegen een radieel gerichte magneetveld wordt opgewekt. Ter illustratie zijn de veldlijnen van het opgewekte magneetveld in figuur 1a aangegeven door stippellijnen. Het magneetcircuit is opgesloten in een cilindrische bus 12 van een elektronisch geleidend, magnetisch niet geleidend materiaal, bijvoorbeeld aluminium, koper of messing. Bij een bekrachtiging van de bekrachtigingsspoelen waarbij de stroomrichting in de spoelen 4 en 6 tegenstelde is van de stroomrichting in de spoel 5 zullen Lorenzkrachten worden uitgeoefend tussen het eerste en tweede motordeel waardoor deze ten opzichte van elkaar zullen verschuiven. Indien bovendien op de bekrachtigingsstroom van de spoel 5 een hoogfrequent detectiestroom wordt gesuperponeerd, dan zal in de bus 12 een wisselstroom worden opgewekt daar deze bus fungeert als een kortsluitwinding die electro-magnetisch gekoppeld is met de spoel 5. Deze wisselstroom verdeeld zich gelijkmatig over het busoppervlak. Daar de spoelen 4 en 6 eveneens elektromagnetisch gekoppeld zijn met de bus 12 zal, als gevolg van de wisselstroom in de bus 12, in de spoelen 4 en 6 een wisselspanning worden opgewekt. De sterkte van de wisselspanning is nagenoeg recht evenredig met de grootte van busoppervlak dat tegenover de betreffende spoel is gelegen. Dit betekent dat sterkte van de opgewekte wisselspanning indicatief is voor de positie van het eerste motordeel 1 ten opzichte van het tweede motordeel 2. Oit de in de spoelen opgewekte wisselspanningen kan dan ook bijzonder eenvoudig een positiesignaal dat indicatief is voor de positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel worden afgeleid.

Een uitvoeringsvorm van het aandrijfsysteem waarbij de afleiding van het positiesignaal op bijzonder eenvoudige wijze is gerealiseerd is weergegeven in figuur 2. Hierin zijn de bekrachtigingsspoelen 4, 5 en 6 parallel geschakeld en worden vanuit één spanningsstroomomzetter 23 bekrachtigd met een bekrachtigingsstroom waarop het hoogfrequente detectiesignaal is gesuperponeerd. Ten behoeve van de superpositie van het detectiesignaal is een optelschakeling 21 toegepast waarmee een van een oscillator 22 afkomstig hoogfrequent spanning wordt opgeteld bij een stuurspanning Vs die indicatief is voor de gewenste bekrachtigingsstroom. Het spanningssignaal van de optelschakeling 21 wordt toegevoerd aan een ingang van de aangeboden spanningssignaalomzetter 23 die het spanningssignaal omzet in de bekrachtigingsstroom in en deze stroom aan de parallel schakeling van bekrachtigingsspoelen 4, 5 en 6 toevoert. De stromen door de spoelen 4 en 6 worden gedetecteerd met behulp van respectievelijk stroomdetectoren 24 en 25. Met behulp van een verschilversterker 25 wordt het verschil tussen de beide gedetecteerde stromen bepaald. Gezien de symmetrische ligging van de spoelen 4 en 6 ten opzichte van de spoel 5 bevat het verschil tussen de beide gedetecteerde stromen slechts een wiselstroomcomponent die indicatief is voor de positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel 2. Daarbij geeft de amplitude van de verschilstroomcomponent de motorpositieafwijking aan ten opzichte van een centrale positie, die overeenkomt met de positie waarbij het busoppervlak dat tegenover spoel 4 is gelegen gelijk is aan het busoppervlak dat tegenover spoel 6 is gelegen. De fase van het verschilstroomcomponent geeft de richting van de afwijking aan. Een positiesignaal dat zowel de richting en grootte van de positie aangeeft kan dan ook eenvoudig worden verkregen door middel van een synchrone detector 26, waaraan een door de verschilversterker 25 geleverde verschilsignaal en, een via een faseverschuiver 27 door de oscillator 22 geleverde hoogfrequent signaal wordt toegevoerd. Aan de uitgang van de synchrone detector 26 kan het positiesignaal Vp worden afgenomen. De relatie tussen de sterkte van het positiesignaal Vp en de positie van de motordelen ten opzichte van elkaar is nagenoeg lineair, zodat het positiesignaal zonder meer geschikt als positiedetectorsignaal in een positieservosysteem voor regelen van de onderlinge positie van de motordelen. Daarbij kan het positiesignaal Vp in een verschilsterker 27 worden vergeleken met een signaal Vg dat de gewenste positie aangeeft. Een uitgangssignaal van de verschilversterker 27, dat indicatief is voor het bepaalde verschil, wordt toegevoerd aan een regelschakeling 28 die in afhankelijkheid van dit verschil het signaal Vs afleidt zodanig dat het verschil tussen de gewenste positie en de daardwerkelijke positie nagenoeg gelijk aan nul wordt gehouden.

In de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm vormt de bus 12 een kortsluitwinding. Een dergelijke kortsluitwinding kan echter ook worden gevormd door een cilindrische spoel die om het eerste motordeel is gewikkeld. Vanwege de stevigheid verdient een kortsluitwinding in de vorm van een bus de voorkeur.

Verder zij het opgemerkt dat de uitvinding niet beperkt is tot aandrijfsystemen met drie bekrachtrigingsspoelen. De uitvinding is eveneens toepasbaar bij uitvoeringsvormen waarbij twee bekrachtigingsspoelen of meer dan drie bekrachtigingsspoelen elektromagnetisch gekoppeld zijn met de kortsluitwinding.

Een motor met twee spoelen in het tweede motordeel welke elektromagnetisch gekoppeld zijn met een kortsluitwikkeling in het eerste motordeel kan bijvoorbeeld worden gevormd door de in figuur 1 getoonde uitvoering, maar waarbij bijvoorbeeld spoel 4 en magneet 7 ontbreken. Een dergelijke uitvoeringsvorm kan dan worden voorzien van een bekrachtigingsschakeling voor het bekrachtigen van de spoelen 5 en 6 en voor het afleiden van het positiesignaal zoals aangegeven in figuur 3. In deze uitvoeringsvorm wordt spoel 6 bekrachtigde via door een spanning-stroomomzetter 30. De spoel 5 wordt via een laagdoorlaatfilter 31 bekrachtigd door een spanning-stroomomzetter 32. Een hoogfrequente detectiestroom wordt via een hoogdoorlaatfilter 33 in de spoel 5 geinjecterd door een oscillatorschakeling 34. De stroom in de spoel 6 wordt gedetecteerd door een stroomdetector 35. De stroomdetector 35 is er een van gebruikelijke soort een signaalspanning afgeeft die evenredig is met de gedetecteerde stroom. Deze signaalspanning wordt in een hoogdoorlaatfilter 36 toegevoerd aan een gelijkrichter 37.

Aan de uitgang van het laagdoorlaatfilter 36 wordt een wisselspanning afgegeven met een amplitude die wordt bepaald door de mate van elektromagnetische koppeling van spoel 6 met de bus 12. Daar deze koppeling afhankelijk is van de positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel, zal de amplitude van de wisselspanning aan de uitgang van filter 36 indicatief zijn voor deze positie. Na gelijkrichting van deze wisselspaning door gelijkrichter 37 is aan de uitgang van de gelijkrichter 37 een signaal afneembaar waarvan het gelijkspanningsniveau de motorpositie aangeeft. Dit signaal kan dienst doen als het positiesignaal Vp. Bij toepassing in een positie servosysteem kan dit signaal Vp samen met het signaal Vg worden toegevoerd aan een schakeling 38 die de uit het verschil tussen de signalen Vg en Vp de stuurspanning voor de spanning-stroomomzetters 30 en 32 afleidt.

De hiervoor beschreven uitvoeringsvormen van het aandrijfsysteem zijn lineaire motoren. De uitvinding is echter eveneens toepasbaar bij rotatie motoren. Een uitvoeringsvorm van een aandrijfsysteem in de vorm van een rotatiemotor 62 is weergegeven in figuur 4. De rotatiemotor 62 omvat een cilindervormige rotor 41 van permanent magnetisch materiaal die draaibaar om een ferromagnetische stator 42 is opgesteld. De hoek tussen de rotor 41 en de stator 42 is aangeduid met Θ. De stator 62 is voorzien van een zestal, zestig graden ten opzichte van elkaar verschoven, van schoenvormige uiteinden voorziene, statortanden 50, ..., 55. Recht tegenover de schoenvormige uiteinden van de statortanden 50, ..., 55 bevinden zich regelmatig over de rotoromtrek verdeeld een viertal magnetische noordpolen 45, 47, 49, 51 en een viertal magnetische zuidpolen 44, 46, 48, 63. Statortanden 50, ... 55 vormen de kern van respectievelijk statorspoelen 56, ... 61. De spoelen van tegenover elkaar liggende statortanden zijn in serie geschakeld. In de stator 42 is tegenover de schoenvormige uiteinde van de statortanden 50, 51 en 55 een kortsluitwikkeling 64 aangebracht die elektromagnetische gekoppeld is met een spoelen 56, 57 en 61 en waarbij binnen een bepaald bereik van Θ de elektromagnetische koppeling tussen de korts luitwikkeling 64 en de spoel 56 onafhankelijk is van Θ en de elektromagnetische koppeling tussen de kortsluitwinding 61 en de spoelen 56 en 61 nagenoeg recht evenredig is met Θ.

De drie stellen in serie geschakelde spoelen van de motor 62 kunnen bekrachtigd worden met de in figuur 2 getoonde schakeling. Een positiesignaal dat indicatief is voor deze hoek kan eveneens door schakeling getoond in figuur 2 worden afgeleid.

Claims (9)

1. Elektromagnetisch aandrijfsysteem omvattende een elektromotor waarvan een eerste motordeel beweegbaar is opgesteld ten opzichte van een tweede motordeel, waarbij het eerste motordeel een eerste spoel omvat en een waarbij het tweede motordeel een magneetcircuit omvat voor het opwekken van een magneetveld in de eerste spoel, waarbij een van de motordelen is voorzien is van een kortsluitwinding met een elektromagnetische koppeling met ten minste twee spoelen van het andere motordeel, waarbij de elektromagnetische koppeling tussen de kortsluitwinding en ten minste een van de laatstgenoemde spoelen afhankelijk is van een positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel, met het kenmerk, dat de kortsluitwinding wordt omvat door het eerste motordeel en waarbij magneetcircuit is ingericht voor het opwekken van een magneetveld in de spoelen welke elektromagnetisch gekoppeld zijn met de kortsluitwinding.

2. Aandrijfsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het eerste motordeel drie bekrachtigingspoelen omvat die elektromagnetisch gekoppeld zijn met de kortsluitwinding, waarbij een eerste en een tweede van de drie bekrachtigingsspoelen symmetrisch zijn gelegen ten opzichte van de derde spoel van de drie bekrachtigingsspoelen, en waarbij een magneetcircuit is ingericht om in de drie bekrachtigingsspoelen het magneetveld op te wekken.

3. Aandrijfsysteem volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de bekrachtigingsspoelen achter elkaar geplaatst zijn, en in hoofdzaak cilindrische vormen hebben met een gemeenschappelijke as, en waarbij het tweede motordeel cilindervormige is en verschuifbaar is opgesteld binnen de bekrachtigingsspoelen in een richting evenwijdig aan de gemeenschappelijke as van de bekrachtigingsspoelen, en waarbij het magneetcircuit is ingericht voor het opwekken van radieel gerichte magneetvelden in de bekrachtigingsspoelen.

4. Aandrijfsysteem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de kortsluitwinding wordt gevormd door een bus van, niet magnetische geleidend,elektronisch geleidend materiaal welke bus door het tweede raotordeel wordt omvat en welke bus het magneetcircuit opsluit.

5. Aandrijfsysteem volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat het magneetcircuit achter elkaar geplaatste cilindervormige permanent magneten met een gemeenschappelijke as die evenwijdig is aan de as van het tweede motordeel omvat van welke magneten de polen aan de cilinderuiteinden zijn gelegen en waarbij twee tegenover elkaar liggende cilinderuiteinden van de magneten dezelfde polariteit hebben.

6. Aandrijfsysteem volgens conclusie 3, 4, of 5, met het kenmerk, dat in het eerste motordeel een magnetisch geleidende sluitweg voor het geleiden van het magneetveld dat door twee tegenovergestelde polen van het magneetcircuit wordt opgewekt, ontbreekt.

7. Aandrijfsysteem volgens conclusie 2, 3, 4 of 5, gekenmerkt door een bekrachtigingsschakeling voor het opwekken van bekrachtigingstromen in de bekrachtigingsspoelen, van een schakeling voor het superponeren van een hoogfrequent detectiesignaal op de bekrachtigingsstroom van de derde bekrachtigingsspoel en een detectieschakeling voor het afleiden van een positiesignaal, dat indicatief is voor de positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel, op basis van het verschil tussen de signalen die in de eerste en tweede bekrachtigingsspoel worden veroorzaakt door het detectiesignaal.

8. Aandrijfsysteem volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de bekrachtigingsspoelen parallel zijn geschakeld, waarbij het aandrijfsysteem is voorzien van een stroombron voor het voeden van de parallelschakeling van bekrachtigingsspoelen met een bekrachtigingsstroom waarop het hoogfrequent detectiesignaal is gesuperponeerd, van een detectieschakeling voor het detecteren van de stromen in de eerste en tweede bekrachtigingsspoel en van een schakeling voor het uit het verschil tussen deze stromen, afleiden van het positiesignaal.

9. Aandrijfsysteem volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het systeem een regelschakeling omvat voor het regelen van de bekrachtigingstromen op basis van het positiesignaal en een referentiesignaal dat de gewenste positie van het eerste motordeel ten opzichte van het tweede motordeel aangeeft.