WO2008019988A1 - Elektromotor mit messsystem für position oder bewegung - Google Patents

Elektromotor mit messsystem für position oder bewegung Download PDF

Info

Publication number
WO2008019988A1
WO2008019988A1 PCT/EP2007/058272 EP2007058272W WO2008019988A1 WO 2008019988 A1 WO2008019988 A1 WO 2008019988A1 EP 2007058272 W EP2007058272 W EP 2007058272W WO 2008019988 A1 WO2008019988 A1 WO 2008019988A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic field
yoke
field sensor
electric motor
pole teeth
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/058272
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hoppe
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to US12/377,741 priority Critical patent/US7928611B2/en
Priority to JP2009524175A priority patent/JP2010500862A/ja
Publication of WO2008019988A1 publication Critical patent/WO2008019988A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/147—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the movement of a third element, the position of Hall device and the source of magnetic field being fixed in respect to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Definitions

  • the invention relates to an electric motor with a measuring system for determining the position or movement of a first motor part, which is movable with respect to a second motor part, wherein the second motor part comprises a number of Mag ⁇ netfeldsensor soliciten, the direction of movement from each other spaced apart are.
  • the electric motors may be linear or rotary motors.
  • Known measuring systems have in common that discrete position indicators in the direction of movement, in which the position is to be determined, are evenly spaced and are read by a single reading head. By suitable evaluation of the read-out signal, for example by an incremental logic, the position can be determined during a movement. The accuracy of the position determination is determined by the mutual distance of Positionsindikato ⁇ ren.
  • the secondary part is permanent magnet ⁇ free.
  • the primary part carries both electromagnets and permanent magnets. This can be saved especially for long Ver ⁇ driving for numerous permanent magnets, which are usually attached to the secondary part.
  • the encoder device has a U-shaped yoke or a corresponding yoke portion and a sensor which is arranged for detecting a magnetic quantity in / on the yoke portion.
  • Two oppositely directed or directional magnets are arranged at one free end of the yoke section in order to generate magnetic fluxes in the yoke section that are opposite to the pole teeth of the machine component and detectable by the sensor, depending on the position of the magnets. Since ⁇ with is meant by the term "yoke" and an entire yoke including pole teeth.
  • This document also describes a donor device having a U-shaped yoke portion, magnets for generating a magnetic flux in the yoke portion disposed in or on the yoke portion, and a sensor for detecting a magnetic quantity in / on the yoke portion is, has.
  • the sensor at a free end of the yoke section has two sensor elements which emit differently directed voltages at the same magnetic flux through the yoke section, so that depending on the position of the sensor elements with respect to one of the pole teeth of the machine component, correspondingly high and directional voltages can be tapped on the sensor elements are.
  • the ratio of the magnetic fluxes in the two magnetic coils changes at one of the free ends of the yoke. Because of the different directional tions in the sensor elements, a correspondingly precise position signal can optionally be obtained with zero crossing.
  • this document shows a donor device with an E-shaped, symmetrical to the direction of movement divided into two yoke yoke, arranged between the two yoke parts sensor and arranged at the ends of both yoke parts, directed or directional magnet.
  • this design only a single magnet tolerance is included in the measurement.
  • the invention has for its object to provide an electric motor having a magnet-free main drive component such as stator or secondary part, with a measuring system for Positionsbe ⁇ mood, in which at the same distance of the position indicators, the measurement accuracy is increased, or at gege ⁇ given accuracy greater distances between the positi ⁇ onsindikatoren can be admitted.
  • the receptor following it in the direction of motion detects the next position indicator following it after a movement by the distance D, so that overall the resolution is increased to D.
  • the distances between the receptors greater than the distances between the indicators, wherein the resolution D is given by the difference of the distances. It also follows that the ratio of the distance of the indicators to the distance of the receptors should not be an integer, since in this case only the original resolution ⁇ is achieved. For this reason, the ratio of the distance of the magnetic field sensor devices to the distance of the pole teeth should not be an integer.
  • the pole teeth have the same distances from each other and also the magnetic field sensor devices have the same distances from each other.
  • the distances can also be different in individual procedural sections. As a result, a high resolution can be obtained in desired process sections and less high resolution in other process sections, the distances in the individual sections being equal to one another.
  • the magnetic field sensor device has a U-shaped yoke portion, and the sensor is arranged in / on the yoke portion, wherein two oppositely directed or directional magnets are arranged at a free end of the yoke portion to de ⁇ dependent on the position of the magnets opposite to one of the pole teeth of the first motor part oppositely directed, detectable by the sensor, to produce magnetic fluxes in the yoke portion.
  • the ratio of the magnetic fluxes in the two magnet coils changes at one of the free ends of the yoke. Because of the differently directed stresses in the sensor elements, according to a precise position signal may, as mentioned, optionally be obtained with zero ⁇ gear.
  • two oppositely directed or directional magnets are arranged at both free ends of the U-shaped yoke portion.
  • the magnetic flux is amplified in the yoke accordingly.
  • a further preferred embodiment of the electric motor according to the invention is that the Magnetfeldsensorein ⁇ direction has a U-shaped yoke portion, the magnet is arranged in or on the yoke portion and the sensor is also mounted in / on the yoke portion, wherein the sensor at a free end of the yoke portion has two sensor elements, the ben ⁇ the same magnetic flux through the yoke portion differently directed to ⁇ ben, so that depending on the position of the sensor elements relative to one of the pole teeth of the first motor part correspondingly high and directed voltages on the sensor elements can be tapped.
  • This has the already mentioned before ⁇ part that changes the ratio of the magnetic fluxes in the two magnetic coils at one of the free ends of the yoke.
  • the magnetic field sensor device may comprise an E-shaped yoke symmetrically divided transversely to the direction of movement into two yoke parts, the sensor being arranged between the two yoke parts and the magnet being located at the ends of both yoke parts.
  • the electric motor is also keptbil ⁇ det as a linear motor, wherein the first motor part of the secondary part and the two ⁇ te engine part is the primary part.
  • a Synchronline- armotor with permanent magnet-free secondary part can be equipped with the measurement system of the invention high resolution.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a magnetic field sensor device or encoder device according to a first embodiment
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through a magnetic field sensor device according to a second embodiment with an E-shaped yoke
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through a magnetic field sensor device according to a third embodiment with a single permanent magnet; 8 shows a longitudinal section through a magnetic field sensor device according to a fourth embodiment;
  • FIG. 9 shows a longitudinal section through a fifth embodiment ⁇ form of a magnetic field sensor device ; 10 shows a 3D view of a sixth embodiment and FIG. 11 shows a front view of the embodiment of FIG. 7.
  • embodiments provide preferred embodiments of the present invention.
  • the embodiments relate to linear motors, but can, mutatis mutandis, to rotational Mo ⁇ motors, in particular torque motors are transmitted.
  • FIG. 4 shows symbolically a linear arrangement 300 of individual magnetic pole teeth 301, 302 ..., which each have a distance ⁇ from one another, here for example 10 units (for example mm).
  • the arrangement 300 may extend over any length in which a position determination is to be made (vertically in FIG. 4).
  • An arrangement 200 of magnetic field sensor devices 201, 202,..., 210 is arranged in parallel with the arrangement 300 of magnetic pole teeth.
  • the magnetic field sensor devices are spaced apart by ⁇ , which in the illustrated example is 9 units (e.g., mm).
  • the magnetic field sensor device 201 directly adjoins the pole tooth 301, so that the magnetic field sensor device 201 detects the pole tooth 301.
  • a suitable evaluation of the signals of the magnetic field sensor devices eg incremental evaluation, a total of 10 signals are obtained between the position shown in FIG. 4 and the position in which the magnetic field sensor device 201 faces the pole tooth 302.
  • the resolution of the measuring system is improved by a factor ⁇ / ( ⁇ - ⁇ ).
  • the assemblies 300 and 200 can also be positioned ⁇ to that the pole teeth P and the magnetic field sensor devices M are located on concentric circles. In this way, rotational positions can be determined in rotary motors.
  • the electric linear motor shown in Figures 1 to 3 has in a conventional manner a secondary part with a support plate 110 and pole teeth 120 applied thereon, which are permanently magnetlose and linear strung together. Via an air gap, the secondary part cooperates with a primary part, which has a body 140 and windings 150 accommodated therein, as well as permanent magnets (not shown).
  • the Polandersggi a of the windings 150 of the primary part is different from the mutual distances b of the magnetless pole teeth 120 of the secondary part.
  • the primary part is provided with a plurality of magnetic field sensor devices 160.
  • Each magnetic field sensor device has at least one magnet and at least one magnetic field sensor (cf., FIGS. 5 to 11).
  • the magnetic field sensor devices 160 are disposed in the coils 150 and are directed to the pole teeth 120, as shown by the arrow in FIG.
  • the individual magnetic field sensor devices 160 detect magnetic fields of their respective permanent magnets locally in different phases. By suitable evaluation of these signals, the position can be determined, or the accuracy can be significantly increased ("vernier principle"). Although two magnetic field sensor devices 160 per coil are provided in the figures, in principle one magnetic field sensor device per coil is sufficient. It is also possible to place the magnet of a magnetic field sensor device on one side of the primary part and its magnetic field sensor on the other side.
  • This magnetic track 130 can play of magnetizable rubber or plastic best ⁇ hen at ⁇ and is fixed to the carrier 110th
  • Information in the magnetic track is coded, for example, with regard to the position as an absolute value or increment value and / or for commutation, and this information is read out of the magnetic track by a single read head (not shown).
  • the reproduced in Figure 5 longitudinal section of a portion of a linear motor shows a scanning head 1 and a portion of a primary part and a secondary part 2.
  • the scanning head 1 serves as a magnetic field sensor device.
  • Several such magnetic field sensor devices are on the primary part of the motor, as indicated in Figures 1 and 2, in the direction of movement arranged.
  • the primary part 1 has a yoke 3, which is designed substantially U-shaped.
  • permanent magnets 6, 7, 8 and 9 are arranged as pole teeth. All the permanent magnets 6 to 9 are magnetized in the direction from the head 1 to the secondary part 2, or vice versa ⁇ .
  • At each of the free ends 4, 5 are each two permanent magnets 6, 7 and 8, 9, the paral ⁇ lel, but oppositely magnetized.
  • the Hall sensor 10 divides the yoke 3 into two halves.
  • the secondary part 2 here consists of a rack with the teeth 11, 12 and 13.
  • the teeth of the secondary part 2 have the same distance as the teeth 6 and 8 or 7 and 9 of the spacer head first
  • the yoke 3 and the secondary part 2 consist of a ferromagnetic material. Preferably, they are laminated being formed ⁇ .
  • the Hall sensor 10 In the position shown in FIG. 5, in which the permanent magnets 6 and 8 of the primary part stand over the teeth 11 and 12 of the secondary part 2, the Hall sensor 10 is penetrated by a magnetic field or magnetic flux 101 from "left to right" now, the scanning head 1, ie the Mag ⁇ netfeldsensor worn, further to the left in the direction of movement 18, so decreases the magnetic field through the Hall sensor 10 im- mer, until it becomes zero. changes in the further movement the direction of the magnetic field and it takes closing ⁇ Lich a maximum value. This will be the case if the scanning head so is that the permanent magnets 7 and 9 are 11 and 12 of the secondary part over the teeth.
  • FIG 6 shows a modified embodiment of the magnetic field sensor device compared to the embodiment of FIG 5.
  • a plurality of modification steps are taken ⁇ taken, which can also be carried out individually or in two combinations.
  • the first Abwandlungs Colour is that are angeord ⁇ net at only one free end of the yoke permanent magnets 6. 7 Since the permanent magnet 6 is a in FIG 6 upward magnetic field is generated and disposed over a pole tooth of the secondary part 2, there is the drawn by the HaIl- sensor 10 flow 102. If, however, the Perma ⁇ nentmagnet 7 whose magnetization after is directed below, over a pole tooth of the secondary part 2, the magnetic flux is directed by the Hall sensor 10 opposite.
  • a second modification step consists in that the Hall sensor is not arranged in the connecting leg between the two free-ending legs of the U-shaped yoke, but in one of the free-ending legs.
  • a third modification step is that to the
  • Yoke a third freely ending leg is attached. In the case of ⁇ game of FIG 6, this results in a one-piece, E-shaped yoke 14.
  • the decisive for the movement or position determination flow passes through but essentially only a U-shaped yoke section, unless the position sensor is located in one symmetrical position to the pole teeth of the secondary part. 2
  • FIG 7 shows a further embodiment of the magnetic field sensor device with an E-shaped yoke.
  • the yoke is symmetrically divided into two yoke halves 15 and 16. Between them is an air gap in which the Hall sensor 10 is arranged.
  • the middle leg 17 is thus made two parallel leg halves, which are separated by the air gap in which the Hall sensor 10 is located.
  • a single permanent magnet 19 At the free end of both leg halves is a single permanent magnet 19. In the example of FIG 7 this permanent magnet 19 is magnetized upward, so that the drawn ⁇ flow 103 results. Since the left half of the leg 17 befin over the pole tooth 11 of the secondary part 2 ⁇ det, the magnetic flux extends in the left thigh ⁇ half to top and from left to right through the HaIl- sensor 10.
  • the measuring principle can also be transferred to an inductive measuring head according to the reluctance resolver principle by replacing the permanent magnets and the Hall sensor with corresponding coils.
  • the transmitter device 20 provided at the free ends of its yoke 21 having excitation coils 22, 23, 24, 25, the alternative Mag ⁇ netfeldsensor noticed. Since the electromagnets thus formed at the free ends of its yoke 21 having excitation coils 22, 23, 24, 25, the alternative Mag ⁇ netfeldsensor announced. Since the electromagnets thus formed at the free
  • the excitation coils 22 to 25 are connected in series. In order to achieve the opposite directions of magnetization, the coils 22 to 25 of these coils are connected in series in the same sense of winding, that the lower terminal of the coil 22 with the un ⁇ nic connection of the coil 23, the upper terminal of the coil 23 with the lower terminal of the coil 24 and the upper end of the coil 24 is connected to the upper terminal of the coil 25.
  • An excitation signal is applied to the (still free) upper terminal of the coil 22 and the (thus still free) lower terminal of the coil 25.
  • a measuring coil 26 ge ⁇ wrapped. At it can be tapped a voltage which is generated by the magnetic flux flowing in the yoke 21.
  • the secondary part 27 of the linear drive has the same shape as that of the secondary part 2 of FIG. 5.
  • the geometry of the primary part or the encoder device 20 is the same as that of the part 1 of FIG. 5.
  • the operation of the encoder device of FIG 8 corresponds in principle to that of the device of FIG 5.
  • the permanent magnets are replaced here only by excitation coils and the Hall sensor by a measuring coil. Since the electromagnets 22 to 25 are operated with alternating current, the equivalence with the above-described exemplary embodiment according to FIG. 5 applies only in correspondingly small time windows. This means that in this small time window, the direction of the magnetic flux in the yoke depends directly on the position of the magnetic coils with respect to the pole teeth of the machine component.
  • the coils used in the embodiment of FIG 6 can also be operated with the reverse function.
  • the coil 26 can be used as the exciting coil and the coils 22 to 25 at the free ends of the yoke 21 as measuring coils.
  • the measurement signals of the individual coils add up to a resulting measurement signal. Also this reaches its maximum value when the teeth are higher than those of the secondary part 27th In between, zero crossings result as in the exemplary embodiment of FIG. 5.
  • FIG. 9 A further embodiment of an inventive Mag ⁇ netfeldsensor listening is shown in FIG. 9
  • an exciter coil 31 is wound around the middle leg of an E-shaped yoke 30.
  • located at the end of the right leg of the yoke 30 for generating a sine wave signal two sensing coils 34 and 35.
  • the measuring coils 32 and 33 are switched ⁇ at the same winding direction in such a manner in series ge that the lower terminals of the two coils are connected. The same applies to the measuring coils 34 and 35.
  • the center distance of the outer legs of the yoke 30 is 2.25 PPL.
  • a sine and cosine signal per ⁇ wells with zero-crossing can be obtained for position determination with a single head.
  • FIGS. 5 to 9 are suitable for secondary parts of so-called longitudinal flow machines, ie for machines in which the flow generated by the motor in the secondary part closes in the direction of movement.
  • the secondary part of such longitudinal flow machines is characterized in that the individual teeth of the secondary part are magnetically connected to each other.
  • the teeth 40 In cross-flow machines, however, in which the flux generated by the motor closes transversely to the direction of movement and thus within each tooth, the teeth 40 must therefore not be magnetically connected to each other.
  • 10 shows a plan view of an arrangement for such a secondary part of mutually magnetically isolated teeth 40.
  • FIG 8 shows a corresponding front view.
  • the yoke 41 or the yoke section is designed here also substantially U-shaped.
  • each two permanent magnets 42, 43 and 44, 45 At the free ends of the yoke 41 are each two permanent magnets 42, 43 and 44, 45.
  • the Magneti ⁇ tion directions of the magnets 42 and 43 are also entge as magnetized directions of the magnets 44 and 45.
  • a Hall sensor 46 in the middle of the yoke 41 registers the magnetic flux. Moves the yoke 41 with its magnet in the direction of travel 15 over the pole teeth 40 of the secondary part, then changes the direction of flux ⁇ tion through the Hall sensor 46th
  • the sine wave of the sensor signal can be optimized. Not only the shape of the pole teeth, but also their distance plays a role.
  • the permanent magnets 21 or Spu ⁇ len are disposed only on egg nem free end of a yoke 3, the permanent magnets 21 or Spu ⁇ len.
  • the other free end of the yoke 3, 21 does not necessarily have to be filled with magnets. In this embodiment, however, the quality of the sensor signal decreases.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Linear Motors (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Es soll ein Elektromotor mit magnetfreier Hauptantriebskomponente, wie Stator oder Sekundärteil, mit einem Messsystem zur Positions- bzw. Bewegungsbestimmung mit erhöhter Auflösung angegeben werden. Ein entsprechender Elektromotor besitzt einen ersten Motorteil (140), der in Bezug auf einen zweiten Motorteil (110) bewegbar ist. An dem ersten Motorteil (140) ist eine Anzahl von Magnetfeldsensoreinrichtungen (160) des Messsystems befestigt, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind. Der zweite Motorteil (110) weist magnetfreie Polzähne (120) auf, die ebenfalls entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind. Jede der Magnetfeldsensoreinrichtungen (160) besitzt mindestens einen Magneten, dessen Magnetfeld durch einen der Polzähne (120) zur Detektion mittels eines Sensors der Magnetfeldsensoreinrichtungen geleitet wird. Der Abstand zwischen jeweils zwei der Magnetfeldsensoreinrichtungen (160) ist unterschiedlich zum Abstand zwischen jeweils zwei der Polzähne (120). Auf diese Weise lässt sich beispielsweise bei einem Synchronlinearmotor mit permanentmagnetlosem Sekundärteil die Positionsbestimmung verfeinern.

Description

Beschreibung
Elektromotor mit Messsystem für Position oder Bewegung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einem Messsystem zur Ermittlung der Position oder Bewegung eines ersten Motorteils, der in Bezug auf einen zweiten Motorteil bewegbar ist, wobei der zweite Motorteil eine Anzahl von Mag¬ netfeldsensoreinrichtungen aufweist, die entlang der Bewe- gungsrichtung voneinander beabstandet sind.
Bei den Elektromotoren kann es sich um lineare oder rotatorische Motoren handeln.
Bekannten Messsystemen ist gemeinsam, dass diskrete Positionsindikatoren in der Bewegungsrichtung, in der die Position zu bestimmen ist, gleichmäßig beabstandet angeordnet sind und durch einen einzelnen Lesekopf abgelesen werden. Durch geeignete Auswertung des Ablesesignals, beispielsweise durch eine inkrementelle Logik, kann bei einer Bewegung die Position bestimmt werden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist dabei durch den gegenseitigen Abstand der Positionsindikato¬ ren bestimmt.
Wegen der räumlichen Ausdehnung der Positionsindikatoren in
Bewegungsrichtung können diese Abstände jedoch nicht beliebig vermindert werden, und ferner erhöht sich der Fertigungsauf¬ wand für Messsysteme mit miniaturisierten Abständen.
In der Druckschrift DE 10 2005 017 497.3 ist ein Synchronli¬ nearmotor vorgestellt, dessen Sekundärteil permanentmagnet¬ frei ist. Der Primärteil trägt sowohl Elektromagnete als auch Permanentmagnete. Dadurch können insbesondere bei langen Ver¬ fahrwegen zahlreiche Permanentmagnete eingespart werden, die üblicherweise am Sekundärteil befestigt sind.
Weiterhin ist in der Druckschrift DE 10 2006 016 503.0 eine Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen versehende Maschinenkomponente aufweist, um eine Position oder eine Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente zu erfassen, beschrieben. Die Gebervorrichtung weist ein U-förmiges Joch bzw. einen entsprechenden Jochabschnitt und einen Sensor auf, der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Jochabschnitt angeordnet ist. An einem freien Ende des Jochabschnitts sind zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete angeordnet, um abhängig von der Position der Magnete gegenüber einem der Polzähne der Maschinenkompo- nente entgegengesetzt gerichtete, von dem Sensor detektierba- re, magnetische Flüsse in dem Jochabschnitt zu erzeugen. Da¬ bei wird unter dem Begriff "Jochabschnitt" auch ein gesamtes Joch einschließlich Polzähnen verstanden.
Es wird somit erreicht, dass sich innerhalb des Jochs bzw.
Jochabschnitts beim Verfahren der Gebervorrichtung gegenüber der Maschinenkomponente die Richtung des magnetischen Flusses im Joch ändert. Daher kann ein Signal mit Nulldurchgang gewonnen werden, woraus sich die Position präziser bestimmen lässt. Ein gegebenenfalls gewonnenes Sinus-Kosinus-Signalpaar eignet sich außerdem für eine übliche Sinus/Kosinus-Geberaus¬ wertung.
In diesem Dokument ist auch eine Gebervorrichtung beschrie- ben, die einen U-förmigen Jochabschnitt, einen in oder an dem Jochabschnitt angeordneten Magneten zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Jochabschnitt und einen Sensor, der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Jochabschnitt angeordnet ist, aufweist. Der Sensor an einem freien Ende des Jochabschnitts besitzt zwei Sensorelemente, die beim gleichen magnetischen Fluss durch den Jochabschnitt unterschiedlich gerichtete Spannungen abgeben, so dass abhängig von der Position der Sensorelemente gegenüber einem der Polzähne der Maschinenkomponente entsprechend hohe und gerichte- te Spannungen an den Sensorelementen abgreifbar sind. Bei dieser Ausführungsform ändert sich das Verhältnis der magnetischen Flüsse in den beiden Magnetspulen an einem der freien Enden des Jochs. Wegen der unterschiedlich gerichteten Span- nungen in den Sensorelementen kann ein entsprechend präzises Positionssignal gegebenenfalls mit Nulldurchgang gewonnen werden .
Außerdem zeigt diese Druckschrift eine Gebervorrichtung mit einem E-förmigen, symmetrisch zur Bewegungsrichtung in zwei Jochteile geteilten Joch, einem zwischen den beiden Jochteilen angeordneten Sensor und einem an den Enden beider Jochteile angeordneten, gerichteten oder richtbaren Magneten. Bei dieser Ausführung geht in die Messung nur eine einzige Magnettoleranz ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor, der eine magnetfreie Hauptantriebskomponente wie Stator oder Sekundärteil besitzt, mit einem Messsystem zur Positionsbe¬ stimmung anzugeben, bei dem bei gleichem Abstand der Positionsindikatoren die Messgenauigkeit erhöht ist, bzw. bei gege¬ bener Messgenauigkeit größere Abstände zwischen den Positi¬ onsindikatoren zugelassen werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Elektromotor mit einem Messsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterent¬ wicklungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen ein Elektromotor mit einem Messsystem zur Ermittlung der Position oder Bewegung eines ersten Motorteils, der in Bezug auf einen zweiten Mo¬ torteil bewegbar ist, wobei an dem ersten Motorteil eine An- zahl von Magnetfeldsensoreinrichtungen des Messsystems befestigt ist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei der zweite Motorteil magnetfreie Pol¬ zähne aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, jede der Magnetfeldsensoreinrichtungen min- destens einen Magneten aufweist, dessen Magnetfeld durch ei¬ nen der Polzähne zur Detektion mittels eines Sensors der Mag¬ netfeldsensoreinrichtungen geleitet wird, und der Abstand zwischen jeweils zwei der Magnetfeldsensoreinrichtungen un- terschiedlich zum Abstand zwischen jeweils zwei der Polzähne ist .
Entsprechend der Erfindung wird damit das Noniusprinzip ein- gesetzt. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen zwei Indi¬ katoren (hier: Polzähne) Δ beträgt, ist dadurch die Auflö¬ sung eines konventionellen Messsystems gegeben. Um erfindungsgemäß eine Auflösung von D = Δ/N (N ganze Zahl) zu erzielen, werden N Rezeptoren (hier: Sensoren) mit einem gegen- seitigen Abstand δ eingesetzt, wobei δ gegeben ist durch δ = Δ - D.
Wenn somit in einer bestimmten Position einer der Rezeptoren einen Positionsindikator erkennt, erfasst der in Bewegungs- richtung darauf folgende Rezeptor nach einer Bewegung um die Strecke D den darauf folgenden nächsten Positionsindikator, so dass insgesamt die Auflösung auf D erhöht ist.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Abstände zwischen den Rezeptoren größer als die Abstände zwischen den Indikatoren zu wählen, wobei die Auflösung D gegeben ist durch die Differenz der Abstände. Hieraus folgt auch, dass das Verhältnis des Abstandes der Indikatoren zum Abstand der Rezeptoren keine ganze Zahl sein soll, da in diesem Fall nur die ursprüng- liehe Auflösung Δ erzielt wird. Aus diesem Grund sollte auch das Verhältnis des Abstands der Magnetfeldsensoreinrichtungen zum Abstand der Polzähne keine ganze Zahl sein.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Polzähne gleiche Abstände zueinander aufweisen und ebenso die Magnetfeldsensoreinrichtungen gleiche Abstände zueinander besitzen. Die Abstände können aber auch in einzelnen Verfahrabschnitten unterschiedlich sein. Dadurch kann in gewünschten Verfahrabschnitten eine hohe Auflösung und in anderen Verfahrabschnitten eine we- niger hohe Auflösung gewonnen werden, wobei die Abstände in den einzelnen Abschnitten untereinander gleich sind. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist die Magnetfeldsensoreinrichtung einen U-förmigen Jochabschnitt auf, und der Sensor ist in/an dem Jochabschnitt angeordnet, wobei an einem freien Ende des Jochabschnitts zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete angeordnet sind, um abhän¬ gig von der Position der Magnete gegenüber einem der Polzähne des ersten Motorteils entgegengesetzt gerichtete, von dem Sensor detektierbare, magnetische Flüsse in dem Jochabschnitt zu erzeugen. Hierdurch ändert sich das Verhältnis der magne- tischen Flüsse in den beiden Magnetspulen an einem der freien Enden des Jochs. Wegen der unterschiedlich gerichteten Spannungen in den Sensorelementen kann, wie erwähnt, ein entsprechend präzises Positionssignal gegebenenfalls mit Nulldurch¬ gang gewonnen werden.
Vorzugsweise sind an beiden freien Enden des U-förmigen Jochabschnitts jeweils zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete angeordnet. Damit ist der magnetische Fluss im Joch entsprechend verstärkt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektromotors besteht darin, dass die Magnetfeldsensorein¬ richtung einen U-förmigen Jochabschnitt aufweist, der Magnet in oder an dem Jochabschnitt angeordnet ist und der Sensor ebenfalls in/an dem Jochabschnitt befestigt ist, wobei der Sensor an einem freien Ende des Jochabschnitts zwei Sensorelemente aufweist, die beim gleichen magnetischen Fluss durch den Jochabschnitt unterschiedlich gerichtete Spannungen abge¬ ben, so dass abhängig von der Position der Sensorelemente ge- genüber einem der Polzähne des ersten Motorteils entsprechend hohe und gerichtete Spannungen an den Sensorelementen abgreifbar sind. Dies hat den ebenfalls bereits erwähnten Vor¬ teil, dass sich das Verhältnis der magnetischen Flüsse in den beiden Magnetspulen an einem der freien Enden des Jochs än- dert . Wegen der unterschiedlich gerichteten Spannungen in den Sensorelementen kann ein entsprechend präzises Positionssig¬ nal gegebenenfalls mit Nulldurchgang gewonnen werden. Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Magnetfeldsensoreinrichtung ein E-förmiges, symmetrisch quer zur Bewegungsrichtung in zwei Jochteile geteiltes Joch aufweisen, der Sensor zwischen den beiden Jochteilen angeordnet sein und der Magnet sich an den Enden beider Jochteile befinden. Durch diese Konstruktion lässt sich auch mit einem einzigen Magneten erreichen, dass sich innerhalb des Jochs bzw. Jochab¬ schnitts beim Verfahren der Gebervorrichtung die Richtung des magnetischen Flusses im Joch ändert. In die Messung geht hier dann nur eine einzige Magnettoleranz ein.
Vorzugsweise ist der Elektromotor als Linearmotor ausgebil¬ det, wobei der erste Motorteil der Sekundärteil und der zwei¬ te Motorteil der Primärteil ist. Somit kann ein Synchronline- armotor mit permanentmagnetfreiem Sekundärteil mit dem erfindungsgemäßen Messsystem hoher Auflösung ausgestattet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 bis 3 verschiedene schematische Ansichten eines erfin¬ dungsgemäßen Linearmotors mit permanentmagnetlo¬ sem Sekundärteil;
FIG 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Messprinzips;
FIG 5 einen Längsschnitt durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung bzw. Gebervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
FIG 6 einen Längsschnitt durch eine Magnetfeldsensor- einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform mit E-förmigem Joch;
FIG 7 einen Längsschnitt durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform mit einem einzigen Permanentmagneten; FIG 8 einen Längsschnitt durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
FIG 9 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungs¬ form einer Magnetfeldsensoreinrichtung; FIG 10 eine 3D-Ansicht einer sechsten Ausführungsform und FIG 11 eine Vorderansicht der Ausführungsform von FIG 7.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Linearmotoren, sie können aber sinngemäß auch auf rotatorische Mo¬ toren, insbesondere Torquemotoren übertragen werden.
FIG 4 zeigt symbolisch eine lineare Anordnung 300 einzelner magnetischer Polzähne 301, 302 ..., die jeweils einen Abstand Δ voneinander haben, hier beispielsweise 10 Einheiten (z.B. mm) . Die Anordnung 300 kann sich über beliebige Längen, in denen eine Positionsbestimmung vorzunehmen ist, erstrecken (vertikal in FIG 4) .
Parallel zu der Anordnung 300 von magnetischen Polzähnen ist eine Anordnung 200 von Magnetfeldsensoreinrichtungen 201, 202, ..., 210 angeordnet. Die Magnetfeldsensoreinrichtungen haben einen Abstand von δ, der in dem dargestellten Beispiel 9 Einheiten (z.B. mm) beträgt.
In der dargestellten Position liegt die Magnetfeldsensorein- richtung 201 direkt dem Polzahn 301 gegenüber, so dass die Magnetfeldsensoreinrichtung 201 den Polzahn 301 erfasst.
Wird die Abtastanordnung 200 um eine Strecke D = Δ - δ in Be¬ wegungsrichtung (vertikal in FIG 4 nach unten) bewegt, so steht die Magnetfeldsensoreinrichtung 202 dem Polzahn 302 gegenüber und erfasst ihn. Dies setzt sich bei einer weiteren Verschiebung um jeweils D fort, bis die Magnetfeldsensoreinrichtung 210 einen Polzahn erfasst. Anschließend steht die Magnetfeldsensoreinrichtung 201 dem Polzahn 302 gegenüber und der Prozess beginnt von vorn. Durch eine geeignete Auswertung der Signale der Magnetfeldsensoreinrichtungen, z.B. inkremen- telle Auswertung, erhält man insgesamt 10 Signale zwischen der in FIG 4 dargestellten Position und der Position, in der die Magnetfeldsensoreinrichtung 201 dem Polzahn 302 gegenübersteht. Somit ist die Auflösung des Messsystems um einen Faktor Δ/ (Δ - δ) verbessert.
Die Anordnungen 300 und 200 können auch so positioniert wer¬ den, dass die Polzähne P und die Magnetfeldsensoreinrichtungen M auf konzentrischen Kreisen liegen. Auf diese Weise können Drehpositionen bei Rotationsmotoren ermittelt werden.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Messsystem anhand ei¬ nes elektrischen Linearmotors erläutert.
Der in den FIG 1 bis 3 dargestellte elektrische Linearmotor hat in an sich bekannter Weise einen Sekundärteil mit einer Trägerplatte 110 und darauf aufgebrachten Polzähnen 120, die permanentmagnetlos und linear aneinander gereiht sind. Über einen Luftspalt wirkt der Sekundärteil mit einem Primärteil zusammen, der einen Körper 140 und darin aufgenommene Wicklungen 150 sowie nicht dargestellte Permanentmagnete auf- weist. Dabei ist das Polteilungsmaß a der Wicklungen 150 des Primärteils unterschiedlich zu den gegenseitigen Abständen b der magnetlosen Polzähne 120 des Sekundärteils.
Erfindungsgemäß ist der Primärteil mit mehreren Magnetfeld- sensoreinrichtungen 160 versehen. Jede Magnetfeldsensoreinrichtung besitzt mindestens einen Magneten und mindestens ei¬ nen Magnetfeldsensor (vgl. FIG 5 bis 11). Die Magnetfeldsensoreinrichtungen 160 sind in den Spulen 150 angeordnet und sind auf die Polzähne 120 gerichtet, wie durch den Pfeil in FIG 3 dargestellt ist.
Da sich das Polteilungsmaß a der Wicklungen von den Abständen b der magnetlosen Polzähne des Sekundärteils unterscheidet, erfassen die einzelnen Magnetfeldsensoreinrichtungen 160 Mag- netfelder ihrer jeweiligen Permanentmagnete lokal in unterschiedlichen Phasen. Durch geeignete Auswertung dieser Signale kann die Position festgestellt werden, bzw. kann die Genauigkeit erheblich erhöht werden ( "Nonius-Prinzip" ) . Zwar sind in den Figuren jeweils zwei Magnetfeldsensoreinrichtungen 160 pro Spule vorgesehen, grundsätzlich ist jedoch eine Magnetfeldsensoreinrichtung pro Spule ausreichend. Es ist auch möglich, den Magneten einer Magnetfeldsensoreinrich- tung auf einer Seite des Primärteils und ihren Magnetfeldsensor auf der anderen Seite zu platzieren.
FIG 2 zeigt des Weiteren eine Magnetspur 130, die seitlich neben der Reihe der Polzähne 120 auf dem Träger 110 des Se- kundärteils aufgebracht ist. Diese Magnetspur 130 kann bei¬ spielsweise aus magnetisierbarem Gummi oder Kunststoff beste¬ hen und ist am Träger 110 fixiert.
In der Magnetspur sind Informationen beispielsweise hinsicht- lieh der Position als Absolutwert oder Inkrementwert und/oder zur Kommutierung kodiert, und diese Information wird von einem einzelnen Lesekopf (nicht dargestellt) aus der Magnetspur ausgelesen .
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich die Auflösung des Messsystems aus dem Abstand der Polzähne b (= Δ) , die die Positionsindikatoren darstellen, und dem Polteilungsmaß a (= δ) der Magnetfeldsensoreinrichtungen, die die Rezeptoren darstellen, zu:
D = a - b.
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen von Magnetfeld¬ sensoreinrichtungen, die in dem erfindungsgemäßen Elektromo- tor eingesetzt werden können, im Zusammenhang mit den FIG 5 bis 11 näher geschildert.
Der in FIG 5 wiedergegebene Längsschnitt eines Teils eines Linearmotors zeigt einen Abtastkopf 1 bzw. einen Abschnitt eines Primärteils und einen Sekundärteil 2. Der Abtastkopf 1 dient hier als Magnetfeldsensoreinrichtung. Mehrere derartige Magnetfeldsensoreinrichtungen sind an dem Primärteil des Motors, wie in den FIG 1 und 2 angedeutet, in Bewegungsrichtung angeordnet. Der Primärteil 1 verfügt über ein Joch 3, das im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet ist. An den freien Enden 4 und 5 des Jochs 3 sind Permanentmagnete 6, 7, 8 und 9 als Polzähne angeordnet. Sämtliche Permanentmagnete 6 bis 9 sind in Richtung vom Abtastkopf 1 zum Sekundärteil 2 oder umge¬ kehrt magnetisiert . An jedem der freien Enden 4, 5 befinden sich jeweils zwei Permanentmagnete 6, 7 bzw. 8, 9, die paral¬ lel, aber entgegengesetzt magnetisiert sind.
Zwischen den beiden freien Enden 4 und 5 befindet sich in dem Joch 3 ein Hall-Sensor 10. Gegebenenfalls teilt der Hall- Sensor 10 das Joch 3 in zwei Hälften.
Der Sekundärteil 2 besteht hier aus einer Zahnstange mit den Zähnen 11, 12 und 13. Die Zähne des Sekundärteils 2 besitzen den gleichen Abstand wie die Zähne 6 und 8 bzw. 7 und 9 des Abstandkopfs 1.
Das Joch 3 und der Sekundärteil 2 bestehen aus einem ferro- magnetischen Material. Vorzugsweise sind sie geblecht ausge¬ bildet.
In der in FIG 5 dargestellten Position, in der die Permanentmagnete 6 und 8 des Primärteils über den Zähnen 11 und 12 des Sekundärteils 2 stehen, wird der Hall-Sensor 10 von einem Magnetfeld bzw. Magnetfluss 101 von „links nach rechts" durchsetzt. Bewegt sich nun der Abtastkopf 1, d.h. die Mag¬ netfeldsensoreinrichtung, weiter nach links in Bewegungsrichtung 18, so nimmt das Magnetfeld durch den Hall-Sensor 10 im- mer weiter ab, bis es zu Null wird. Bei der weiteren Bewegung wechselt die Richtung des Magnetfelds und es nimmt schlie߬ lich einen Maximalwert an. Dies ist dann der Fall, wenn der Abtastkopf so steht, dass die Permanentmagnete 7 und 9 über den Zähnen 11 und 12 des Sekundärteils stehen. Bei weiterer Bewegung nach links sinkt das Magnetfeld wieder, wechselt die Richtung und nimmt schließlich wieder einen Maximalwert an, wenn die Permanentmagnete 6 und 8 über den Zähnen 13 und 11 stehen. Bei dieser Bewegung um eine Zahnteilung wird somit genau einer Gebersignalperiode mit Nulldurchgängen durchlau¬ fen .
FIG 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Magnetfeld- sensoreinrichtung gegenüber dem Ausführungsbeispiel von FIG 5. Bei der Abwandlung sind mehrere Abwandlungsschritte vorge¬ nommen, die auch einzeln oder in Zweierkombinationen durchgeführt werden können.
Der erste Abwandlungsschritt besteht darin, dass nur an einem einzigen freien Ende des Jochs Permanentmagnete 6, 7 angeord¬ net sind. Da der Permanentmagnet 6 ein in der FIG 6 nach oben gerichtetes Magnetfeld erzeugt und über einem Polzahn des Se¬ kundärteils 2 angeordnet ist, ergibt sich der durch den HaIl- Sensor 10 eingezeichnete Fluss 102. Steht hingegen der Perma¬ nentmagnet 7, dessen Magnetisierung nach unten gerichtet ist, über einem Polzahn des Sekundärteils 2, so ist der Magnet- fluss durch den Hall-Sensor 10 entgegengesetzt gerichtet.
Ein zweiter Abwandlungsschritt besteht darin, dass der Hall- Sensor nicht im Verbindungsschenkel zwischen den beiden frei endenden Schenkeln des U-förmigen Jochs, sondern in einem der frei endenden Schenkel angeordnet ist.
Ein dritter Abwandlungsschritt besteht darin, dass an das
Joch ein dritter frei endender Schenkel angefügt ist. Im Bei¬ spiel der FIG 6 ergibt sich damit ein einteiliges, E-förmiges Joch 14. Der für die Bewegungs- bzw. Positionsbestimmung maßgebliche Fluss durchläuft im Wesentlichen aber nur einen U-förmigen Jochabschnitt, es sei denn, der Positionssensor befindet sich in einer symmetrischen Position zu den Polzähnen des Sekundärteils 2.
FIG 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Magnetfeldsen- soreinrichtung mit einem E-förmigen Joch. Das Joch ist symmetrisch in zwei Jochhälften 15 und 16 geteilt. Zwischen ihnen befindet sich ein Luftspalt, in dem der Hall-Sensor 10 angeordnet ist. Der mittlere Schenkel 17 besteht somit aus zwei parallelen Schenkelhälften, die durch den Luftspalt, in welchem sich der Hall-Sensor 10 befindet, getrennt sind. Am freien Ende beider Schenkelhälften befindet sich ein einziger Permanentmagnet 19. In dem Beispiel von FIG 7 ist dieser Per- manentmagnet 19 nach oben magnetisiert , so dass sich der ein¬ gezeichnete Fluss 103 ergibt. Da sich die linke Hälfte des Schenkels 17 über dem Polzahn 11 des Sekundärteils 2 befin¬ det, verläuft der magnetische Fluss in der linken Schenkel¬ hälfte nach oben und von links nach rechts durch den HaIl- Sensor 10. Wenn sich die rechte Hälfte des mittleren Schenkels 17 über dem Polzahn 11 oder einem anderen Polzahn befindet, verläuft der magnetisch Fluss im Wesentlichen in der rechten Hälfte und durchläuft den Hall-Sensor 10 von rechts nach links. In diesem Fall ergibt sich eine Messspannung um- gekehrten Vorzeichens. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass lediglich ein Permanentmagnet für die Mag¬ netfeldsensoreinrichtung vorzusehen ist.
Das Messprinzip lässt sich auch auf einen Induktivmesskopf nach dem Reluktanzresolverprinzip übertragen, indem die Permanentmagnete und der Hall-Sensor durch entsprechende Spulen ersetzt werden. Demnach ist gemäß FIG 8 die alternative Mag¬ netfeldsensoreinrichtung, d.h. die Gebervorrichtung 20 an den freien Enden ihres Jochs 21 mit Erregerspulen 22, 23, 24, 25 versehen. Da die so gebildeten Elektromagnete an den freien
Enden des Jochs 21 unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweisen müssen, sind sie entsprechend elektrisch verschal¬ tet. Im vorliegenden Beispiel sind die Erregerspulen 22 bis 25 in Serie geschaltet. Um die entgegengesetzten Magnetisie- rungsrichtungen zu erzielen, sind bei gleichen Wicklungssinnen der Spulen 22 bis 25 dieser Spulen derart in Reihe geschaltet, dass der untere Anschluss der Spule 22 mit dem un¬ teren Anschluss der Spule 23, der obere Anschluss der Spule 23 mit dem unteren Anschluss der Spule 24 und der obere An- Schluss der Spule 24 mit dem oberen Anschluss der Spule 25 verbunden ist. Ein Erregersignal wird an den (von daher noch freien) oberen Anschluss der Spule 22 und den (von daher noch freien) unteren Anschluss der Spule 25 gelegt. Um den Verbindungsschenkel, der die beiden Schenkel mit den feien Enden des Jochs 21 verbindet, ist eine Messspule 26 ge¬ wickelt. An ihr lässt sich eine Spannung abgreifen, die durch den im Joch 21 fließenden magnetischen Fluss erzeugt wird.
Der Sekundärteil 27 des Linearantriebs besitzt die gleiche Form, wie die des Sekundärteils 2 von FIG 5. Ebenso ist die Geometrie des Primärteils bzw. der Gebervorrichtung 20 die gleiche, wie die des Teils 1 von FIG 5.
Die Funktionsweise der Gebervorrichtung von FIG 8 entspricht im Prinzip der der Vorrichtung von FIG 5. Die Permanentmagnete sind hier lediglich durch Erregerspulen und der Hall- Sensor durch eine Messspule ersetzt. Da die Elektromagnete 22 bis 25 mit Wechselstrom betrieben werden, gilt die Äquivalenz mit dem oben geschilderten Ausführungsbeispiel gemäß FIG 5 nur in entsprechend kleinen Zeitfenstern. Dies bedeutet, dass in diesem kleinen Zeitfenster die Richtung des magnetischen Flusses im Joch unmittelbar von der Position der Magnetspulen gegenüber den Polzähnen der Maschinenkomponente abhängt.
Die in dem Ausführungsbeispiel von FIG 6 eingesetzten Spulen lassen sich auch mit umgekehrter Funktion betreiben. So können die Spule 26 als Erregerspule und die Spulen 22 bis 25 an den freien Enden des Jochs 21 als Messspulen verwendet werden. In diesem Fall addieren sich die Messsignale der Einzelspulen zu einem resultierenden Messsignal. Auch dieses erreicht seine Maximalwerte, wenn die Zähne über denen des Se¬ kundärteils 27 liegen. Dazwischen ergeben sich Nulldurchgänge wie in dem Ausführungsbeispiel von FIG 5.
Wie oben angedeutet ist, kann man eine Anordnung mit Hall- Sensoren und Permanentmagneten in eine Anordnung nach dem Re- luktanzresolverprinzip überführen. Ebenso können Mess- und Erregerspulen untereinander vertauscht werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mag¬ netfeldsensoreinrichtung ist in FIG 9 dargestellt. Mit dieser Magnetfeldsensoreinrichtung bzw. Gebervorrichtung ist es möglich, nicht nur eines sondern zwei um 90° phasenverschobene Signale jeweils mit Nulldurchgang zu generieren. Hierzu ist um den mittleren Schenkel eines E-förmigen Jochs 30 eine Er- regerspule 31 gewickelt. An dem freien Ende des linken Schen¬ kels des Jochs 30 befinden sich zur Erzeugung eines Kosinus- Signals zwei Messspulen 32 und 33. Gleichermaßen befinden sich am Ende des rechten Schenkels des Jochs 30 zur Erzeugung eines Sinus-Signals zwei Messspulen 34 und 35. Die Messspulen 32 und 33 sind bei gleichem Wicklungssinn derart in Reihe ge¬ schaltet, dass die unteren Anschlüsse beider Spulen verbunden sind. Das Gleiche gilt für die Messspulen 34 und 35.
Zur Optimierung der Messsignale ist die Dimension des Jochs 30 auf die Polpaarlänge PPL bzw. elektrische Periode des Se¬ kundärteils 2 abgestimmt. Demnach beträgt der Mittenabstand der äußeren Schenkel des Jochs 30 2,25 PPL. Somit lassen sich mit einem einzigen Kopf ein Sinus- und ein Kosinus-Signal je¬ weils mit Nulldurchgang zur Positionsbestimmung gewinnen.
Die im Zusammenhang mit den FIG 5 bis 9 geschilderten Anordnungen eignen sich für Sekundärteile von so genannten Längs- flussmaschinen, d. h. für Maschinen, bei denen sich der vom Motor erzeugte Fluss im Sekundärteil in Bewegungsrichtung schließt. Der Sekundärteil solcher Längsflussmaschinen zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Zähne des Sekundärteils magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Bei Querflussmaschinen hingegen, bei denen sich der vom Motor erzeugte Fluss quer zur Bewegungsrichtung und damit innerhalb jeweils eines Zahns schließt, müssen die Zähne 40 demzufolge nicht magnetisch leitend miteinander verbunden sein. FIG 10 zeigt in der Draufsicht eine Anordnung für einen solchen Sekundärteil aus voneinander magnetisch isolierten Zähnen 40. FIG 8 zeigt eine entsprechende Vorderansicht. Das Joch 41 bzw. der Jochabschnitt ist auch hier im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet. An den freien Enden des Jochs 41 befinden sich jeweils zwei Permanentmagnete 42, 43 und 44, 45. Die Magneti¬ sierungsrichtungen der Magnete 42 und 43 sind ebenso entge- gengesetzt gerichtet, wie die Magnetisierungsrichtungen der Magnete 44 und 45. Ein Hall-Sensor 46 in der Mitte des Jochs 41 registriert den magnetischen Fluss. Verfährt das Joch 41 mit seinen Magneten in Verfahrrichtung 15 über den Polzähnen 40 des Sekundärteils, so ändert sich auch hier die Flussrich¬ tung durch den Hall-Sensor 46.
Durch eine entsprechende Gestaltung des Abtastkopfs bzw. der Gebervorrichtung 1, 20 und eventuell des Sekundärteils 2, 27 lässt sich die Sinusförmigkeit des Sensorsignals optimieren. Dabei spielt nicht nur die Gestalt der Polzähne, sondern auch deren Abstand eine Rolle.
Zur Realisierung des Messprinzips genügt es, wenn nur an ei- nem freien Ende eines Jochs 3, 21 Permanentmagnete oder Spu¬ len angeordnet sind. Das andere freie Ende des Jochs 3, 21 muss nicht zwangsläufig auch mit Magneten besetzt sein. Bei dieser Ausführungsform sinkt jedoch die Qualität des Sensorsignals .
In vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Ges¬ taltung des Messsystems mit mehreren Magnetfeldsensoreinrichtungen eine höhere Auflösung gegenüber dem Stand der Technik erreicht .

Claims

Patentansprüche
1 . Elektromotor mit
- einem Messsystem zur Ermittlung der Position oder Bewegung eines ersten Motorteils (140,150), der in Bezug auf einen zweiten Motorteil (2,110) bewegbar ist, wobei an dem ersten Motorteil (140,150) eine Anzahl von Magnet¬ feldsensoreinrichtungen (1,20,160) des Messsystems befes¬ tigt ist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der zweite Motorteil (140,150) magnetfreie Polzähne (11, 12,13,120) aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, - jede der Magnetfeldsensoreinrichtungen (1,20,160) mindestens einen Magneten aufweist, dessen Magnetfeld durch ei¬ nen der Polzähne (11,12,13,120) zur Detektion mittels ei¬ nes Sensors (10) der Magnetfeldsensoreinrichtungen geleitet wird, und - der Abstand (a) zwischen jeweils zwei der Magnetfeldsensoreinrichtungen (1,20,160) unterschiedlich zum Abstand (b) zwischen jeweils zwei der Polzähne (11,12,13,120) ist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des Ab- Standes (a) der Magnetfeldsensoreinrichtungen (1,20,160) zum
Abstand (b) der Polzähne (11,12,13,120) keine ganze Zahl ist.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Polzähne (11,12,13,120) gleiche Abstände (b) zueinander aufweisen und die Magnetfeldsensoreinrichtungen (1,20,160) gleiche Abstände (a) zueinander aufweisen.
4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Magnetfeldsensoreinrichtungen (1,20,160) einen U-förmigen Jochabschnitt (3,21,30,41) aufweist und der Sensor (10) in/an dem Jochabschnitt angeordnet ist, und wobei an ei¬ nem freien Ende des Jochabschnitts (3,21,30,41) zwei entge¬ gengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete (6,7,19) ange- ordnet sind, um abhängig von der Position der Magnete (6,7, 19) gegenüber einem der Polzähne (11,12,13,120) des ersten Motorteils (140,150) entgegengesetzt gerichtete, von dem Sen¬ sor (10) detektierbare, magnetische Flüsse in dem Jochab- schnitt zu erzeugen.
5. Elektromotor nach Anspruch 4, wobei an beiden Enden des Jochabschnitts (3,21,30,41) jeweils zwei entgegengesetzt ge¬ richtete oder richtbare Magnete (6,7,19) angeordnet sind.
6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtung (1,20,160) einen U-förmigen Jochabschnitt (3,21,30,41) aufweist, der Magnet (6,7,19) in oder an dem Jochabschnitt angeordnet ist und der Sensor (10) in/an dem Jochabschnitt angeordnet ist, wobei der Sensor an einem freien Ende des Jochabschnitts zwei Sensorelemente aufweist, die beim gleichen magnetischen Fluss durch den Jochabschnitt unterschiedlich gerichtete Spannungen abgeben, so dass abhängig von der Position der Sensorelemente gegenüber einem der Polzähne (11,12,13,120) des ersten Motorteils entsprechend hohe und gerichtete Spannungen an den Sensorelementen abgreifbar sind.
7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtung (1,20,160) ein E-förmiges, symmetrisch quer zur Bewegungsrichtung in zwei Jochteile (15, 16) geteiltes Joch aufweist, der Sensor (10) zwischen den beiden Jochteilen angeordnet ist und der Magnet (6,7,19) sich an den Enden beider Jochteile befindet.
8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Linearmotor ausgebildet ist, wobei der erste Motorteil (140,150) der Sekundärteil und der zweite Motorteil (2,110) der Primärteil ist.
PCT/EP2007/058272 2006-08-16 2007-08-09 Elektromotor mit messsystem für position oder bewegung WO2008019988A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/377,741 US7928611B2 (en) 2006-08-16 2007-08-09 Electric motor with a measurement system for position or movement
JP2009524175A JP2010500862A (ja) 2006-08-16 2007-08-09 位置又は移動用測定系を有するモータ

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006038162.9 2006-08-16
DE102006038162A DE102006038162A1 (de) 2006-08-16 2006-08-16 Elektromotor mit Messsystem für Position oder Bewegung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008019988A1 true WO2008019988A1 (de) 2008-02-21

Family

ID=38691986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/058272 WO2008019988A1 (de) 2006-08-16 2007-08-09 Elektromotor mit messsystem für position oder bewegung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7928611B2 (de)
JP (1) JP2010500862A (de)
DE (1) DE102006038162A1 (de)
WO (1) WO2008019988A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009284583A (ja) * 2008-05-20 2009-12-03 Yokogawa Electric Corp 位置決め装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011002254A1 (de) * 2011-04-22 2012-10-25 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Positionsgeber insbesondere zur Bestimmung der Position eines Läufers eines planaren Direktantriebs
US8922068B2 (en) * 2011-07-11 2014-12-30 Baldor Electric Company Linear drive motor with improved bearing system
JP5870973B2 (ja) * 2013-07-29 2016-03-01 株式会社安川電機 リニアモータ
US9956969B2 (en) 2015-04-30 2018-05-01 The Boeing Company Brake device
DE102015010128B4 (de) 2015-08-10 2023-11-23 Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg Anordnung zur Bestimmung der Position, insbesondere Drehstellung eines bewegbar gelagerten Teils
KR102281715B1 (ko) * 2015-12-10 2021-07-26 본스인코오포레이티드 장범위 자기 근접 센서
US10620017B2 (en) 2017-01-31 2020-04-14 Rockwell Automation Technologies, Inc. Curvilinear encoder system for position determination
CN110186365B (zh) * 2019-04-18 2021-10-12 安徽拓信电气科技有限公司 一种初级永磁式直线位置测量系统

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4024458A (en) * 1976-06-15 1977-05-17 General Motors Corporation Electrical signal generating system
DE2739877A1 (de) * 1977-09-05 1978-11-02 Nestler Gmbh A Geberanordnung fuer ein inkrementales, digitales weg-, lage- oder winkelmesssystem
DE2949260A1 (de) * 1979-12-07 1981-06-11 Volkswagenwerk Ag, 3180 Wolfsburg Vorrichtung zur gewinnung von signalen fuer den betrieb einer maschine, insbesondere fuer die zuendung einer fremdgezuendeten brennkraftmaschine
DE3147819A1 (de) * 1981-12-03 1983-06-16 Herbert Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Weh Erfassung der fahrzeugposition durch abzaehlen von nuten
US4733177A (en) * 1985-01-28 1988-03-22 International Business Machines Corporation High resolution high output magneto resistive transducer for determining static and dynamic position
EP0467202A2 (de) * 1990-07-17 1992-01-22 GAO Gesellschaft für Automation und Organisation mbH Vorrichtung zur Prüfung von mit magnetischen Eigenschaften ausgestatteten Messobjekten
US5880541A (en) * 1997-06-19 1999-03-09 Northern Magnetics, Inc. Sensing and controlling the location of elements of a linear motor
DE10103478A1 (de) * 2000-01-27 2001-08-02 Vladimir Vladimirovich Sharski Positionssensor für den Anker eines elektromagnetischen Schrittmotors
DE10007011A1 (de) * 2000-02-16 2001-08-23 Bosch Gmbh Robert Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und/oder der Position von Teilen, insbesondere der Relativgeschwindigkeit und/oder der relativen Position von zumindest zwei Teilen
DE10024850A1 (de) * 2000-05-19 2001-11-22 Dlr Ev Messanordnung, Messkopf und Verfahren zur Herstellung eines Messkopfes

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1236543A (en) * 1985-01-28 1988-05-10 Joseph P. Pawletko High resolution high output transducer
JP2628087B2 (ja) * 1989-02-20 1997-07-09 松下電工株式会社 リニアステップモータの位置検出装置
JPH0726857B2 (ja) * 1989-04-03 1995-03-29 サンケン・エアパクス株式会社 移動物体の移動状態検出器
JPH0487551A (ja) * 1990-07-26 1992-03-19 Nippon Seiko Kk リニアモータ装置
US5994798A (en) * 1998-02-26 1999-11-30 Anorad Corporation Closed-path linear motor
US5801462A (en) * 1995-03-31 1998-09-01 Minolta Co., Ltd. Linear motor and image reading apparatus
JP3501559B2 (ja) * 1995-06-27 2004-03-02 キヤノン株式会社 リニア・モータ装置
JP3852117B2 (ja) * 1998-02-13 2006-11-29 株式会社安川電機 リニアモータ
US7262523B1 (en) * 1998-02-26 2007-08-28 Anorad Corporation Wireless encoder
DE10135541B4 (de) * 2001-07-20 2004-04-01 Siemens Ag Elektromotor mit Positions-Meßsystem
US20030048011A1 (en) * 2001-08-21 2003-03-13 Alexander Kashkarov Magneto-electric machine of linear type
JP2006020415A (ja) * 2004-07-01 2006-01-19 Yamazaki Mazak Corp リニアモータ用位置検出装置
DE102004046824B4 (de) * 2004-09-27 2016-06-16 Siemens Aktiengesellschaft Geschwindigkeitsmessung bei einer elektrischen permanenterregten Synchronmaschine
DE102005007489A1 (de) * 2005-02-17 2006-08-24 Siemens Ag Holzbearbeitungsmaschine mit linearem Direktantrieb

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4024458A (en) * 1976-06-15 1977-05-17 General Motors Corporation Electrical signal generating system
DE2739877A1 (de) * 1977-09-05 1978-11-02 Nestler Gmbh A Geberanordnung fuer ein inkrementales, digitales weg-, lage- oder winkelmesssystem
DE2949260A1 (de) * 1979-12-07 1981-06-11 Volkswagenwerk Ag, 3180 Wolfsburg Vorrichtung zur gewinnung von signalen fuer den betrieb einer maschine, insbesondere fuer die zuendung einer fremdgezuendeten brennkraftmaschine
DE3147819A1 (de) * 1981-12-03 1983-06-16 Herbert Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Weh Erfassung der fahrzeugposition durch abzaehlen von nuten
US4733177A (en) * 1985-01-28 1988-03-22 International Business Machines Corporation High resolution high output magneto resistive transducer for determining static and dynamic position
EP0467202A2 (de) * 1990-07-17 1992-01-22 GAO Gesellschaft für Automation und Organisation mbH Vorrichtung zur Prüfung von mit magnetischen Eigenschaften ausgestatteten Messobjekten
US5880541A (en) * 1997-06-19 1999-03-09 Northern Magnetics, Inc. Sensing and controlling the location of elements of a linear motor
DE10103478A1 (de) * 2000-01-27 2001-08-02 Vladimir Vladimirovich Sharski Positionssensor für den Anker eines elektromagnetischen Schrittmotors
DE10007011A1 (de) * 2000-02-16 2001-08-23 Bosch Gmbh Robert Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und/oder der Position von Teilen, insbesondere der Relativgeschwindigkeit und/oder der relativen Position von zumindest zwei Teilen
DE10024850A1 (de) * 2000-05-19 2001-11-22 Dlr Ev Messanordnung, Messkopf und Verfahren zur Herstellung eines Messkopfes

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009284583A (ja) * 2008-05-20 2009-12-03 Yokogawa Electric Corp 位置決め装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006038162A1 (de) 2008-02-21
US20100231058A1 (en) 2010-09-16
US7928611B2 (en) 2011-04-19
JP2010500862A (ja) 2010-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008019988A1 (de) Elektromotor mit messsystem für position oder bewegung
WO2007115857A2 (de) Gebervorrichtung für eine elektrische maschine
DE102013018680B4 (de) Magnetischer Sensor zur absoluten Zählung von Umdrehungen oder linearen Wegstrecken
EP2860496B1 (de) Linearmotor
EP2564164B1 (de) Magnetisches längenmesssystem, längenmessverfahren sowie herstellungsverfahren eines magnetischen längenmesssystems
DE102009061032A1 (de) Magnetoelektronischer Winkelsensor, insbesondere Reluktanzresolver
WO2017042273A1 (de) Magnetanordnung für einen elektrischen motor
WO2006040235A1 (de) Sensoreinrichtung
EP2037286A1 (de) Messvorrichtung zur Messung eines magnetischen Felds
DE102008055680A1 (de) Positons-/Wegmesssystem mit kodiertem Maßkörper
WO2006094866A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur berührungslosen drehwinkelerfassung eines drehbaren elements
DE102005045374A1 (de) Messvorrichtung mit einem Messkopf zur Positionsbestimmung eines Primärteils auf einem Sekundärteil und Verfahren zur Positionsbestimmung eines Primärteils auf einem Sekundärteil mit einem Messkopf
EP3936828B1 (de) Gebersystem für einen antrieb
DE10329150A1 (de) Elektrische Maschine
EP3803278B1 (de) Absolutwertgeber
DE102005017498B4 (de) Synchronlinearmotor mit berührungsloser Abtastung der Zahnstruktur des Sekundärteils
DE102013200698A1 (de) Spulenanordnung mit zwei Spulen
EP2834601B1 (de) Verfahren und anordnung zur positionsbestimmung eines bauteils
WO2007135006A1 (de) Planarer direktantrieb und dazugehöriger sensoreinheit
EP2149784A1 (de) Magnetisches Wegsensorsystem
DE102006032989A1 (de) Elektrischer Linearantrieb
EP2474090B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer rotorlage einer synchronmaschine
DE19605413A1 (de) Gleichstromlinearmotor mit integriertem Wegmeßsystem
EP1321743B1 (de) Absolutlängenmesssystem, bei dem ein Massstab relativ zur Position von beabstandeten Längesensoren bewegt wird
DE102012221327A1 (de) Sensorvorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements

Legal Events

Date Code Title Description
DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07788335

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009524175

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12377741

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07788335

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1