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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Kugelmotor und im Besonderen
einen Kugelmotor, der eine Vielzahl von zweiachsigen Magnetelementen
umfasst, die auf einer Feldkugel oder einer Ankerkugel angeordnet
sind, sowie eine Vielzahl von dreiachsigen Magnetelementen, die
auf der jeweils anderen von Feldkugel oder Ankerkugel angeordnet
sind, wobei die zweiachsigen Magnetelemente oszillierende Magnetfelder
erzeugen und die dreiachsigen Magnetelemente die oszillierenden
Magnetfelder detektieren bzw. erkennen und dann ein magnetisches
Betätigungsdrehmoment
zum Positionieren der Ankerkugel bereitstellen.
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2. Diskussion
des verwandten Standes der Technik
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Es
besteht ein Bedarf, verschiedene Geräte, wie beispielsweise Antennen,
Sensoren, Detektoren usw. in eine bestimmte Richtung innerhalb eines
gewünschten
Sichtfeldes auszurichten. Zur Zeit werden diese Vorrichtungen typischerweise
an einer zwei- oder
dreiachsigen Kardananordnung aufgehängt, wobei jede Achse einen
getrennten Kardanrahmen umfasst, welcher durch einen getrennten
Motor gesteuert wird, um das Gerät
in die gewünschte
Richtung zu richten. Solche Kardananordnungen verwenden typischerweise
komplexe Dreh-/Winkel-Gelenke, welche ein vergleichsweise großes und
komplexes System ergeben, das manchmal für bestimmte Anwendungen ungeeignet
ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind Kugelmotoren bekannt, die weniger Platz
brauchen und ein Gerät
in drei Freiheitsgraden drehen und ausrichten können. Jedoch verwenden heutige
Kugelmotorausgestaltungen typischerweise extrem komplexe Algorithmen
und Modellierungstechniken, die ihre Umsetzung schwierig, unpraktisch
und zu teuer machen.
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US 5,410,232 , erteilt an
Smith, veranschaulicht dieses Problem. Das '232-Patent offenbart einen Kugelmotor
10 einschließlich eines
sphärischen
bzw. kugelförmigen
Stators bzw. Ständers
12,
der einen kugelförmigen
Rotor bzw. Läufer
18 umgibt.
Geeignete Lager sind vorgesehen, so dass der Läufer
18 sich innerhalb
des Ständers
12 drehen
kann. Eine Motorwelle
24 ist am kugelförmigen Läufer
18 befestigt
und erstreckt sich durch eine Öffnung
26 im
Ständer.
Der Motor
10 stellt eine dreiachsige Positionierung der
Welle
24 innerhalb der Öffnung
26 bereit. Der
kugelförmige
Läufer
18 umfasst
eine Vielzahl von Läufermagneten
oder-polen
22, die auf seiner äußeren Oberfläche angeordnet
sind, und der sphärische Ständer
12 umfasst
eine Vielzahl von Ständerpolen
14,
die an seiner inneren Oberfläche
angeordnet sind. Die Ständerpole
14 sind
steuerbare elektrische Wicklungen zw. Spulen und die Läuferpole
22 sind Permanentmagnete,
die durch einen magnetischen Kern definiert sind. Die Magnetfelder
der Pole
14 und
22 wirken zusammen, um ein Drehmoment
auf den Läufer
18 auszuüben, um
die Welle
24 zu positionieren.
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Der
Motor 10 umfasst ein Orientierungsmesssystem 40 mit
einem kugelförmigen
Raster 42, das auf der äußeren Oberfläche des
Läufers 18 vorgesehen
ist. Das Raster umfasst einen Satz symmetrisch beabstandeter radialer
Linien, die kontinuierlich auf einen Punkt P konvergieren, wo sich
die Motorwelle 24 befindet, und einen Satz paralleler Linien, die
zu den radialen Linien orthogonal sind. Das System 40 verwendet
einen mathematischen Algorithmus, um die Position des Läufers 18 relativ
zum Raster 42 zu bestimmen und die Magnetfelder zu steuern,
um die Welle 24 zu positionieren. Insbesondere verwendet
das System 40 das Raster 42, um die Position des
Läufers 18 zu
bestimmen, und verwendet das den Läuferpolen 22 zugeführte magnetische Feld,
um das gewünschte
Drehmoment auszuüben.
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Die
durch die festen Magnetpole 22 erzeugten magnetischen Felder
sind extrem kompliziert. Weiterhin ist das magnetische Feld, das
der Läufer 18 sieht,
jedes Mal unterschiedlich, wenn sich der Läufer 18 bewegt. Es
ist daher notwendig, die Position des Läufers 18 relativ zu
den festen Polen 22 genau zu kennen. Das Messsystem 40 berechnet
das magnetische Feld, so wie es vom Läufer 18 gesehen wird,
jedes Mal dann, wenn sich der Läufer 18 bewegt.
Die Läuferpole 22 werden
an- und ausgeschaltet, um den Läufer 18 in
die gewünschte
Richtung zu bewegen. Dieser Ablauf benötigt ein sehr ausgefeiltes
Positionskenntnisschema für
den Läufer 18,
welches komplexe Algorithmen verwendet. Es wäre wünschenswert, einen Kugelmotor
bereitzustellen, der weit weniger komplex zu steuern ist.
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Weitere
Dokumente des Standes der Technik:
"An Approach to Basic Design of the PM-type
Spherical Motor" (Ebihara
et al, Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on
Robotics & Automation,
Seoul, Korea, 21.–26.
Mai 2001) offenbart einen Kugelbetätiger bzw. sphärischen
Aktuator, der Permanentmagneten auf der inneren Ankerkugel aufweist,
die in einem Dreiecksgitter verteilt sind, um Arretierungskräfte zu beseitigen.
Die Betätigungs magnetelemente
auf der äußeren Feldkugel
sind Polstücke,
die jeweils eine einzige Wicklung aufweisen.
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WO
02 31945 A (CLARITY LLC; ERTEN GAMZE (US)) vom 18. April 2002 zeigt
einen einzelnen Permanentmagneten, der an der Ankerkugel eines Kugelaktuators
befestigt ist. Der Permanentmagnet kann innerhalb eines Feldes bewegt
werden, das durch mehrfache Erregerspulen erzeugt wird, die alle an
einer äußeren Kugeloberfläche befestigt
sind. Jede Erregerspule kann auch dazu verwendet werden, die Position
des Permanentmagneten zu messen.
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GB-A-2
330 457 (UNIV. SHEFFIELD) vom 21. April 1999 offenbart einen Kugelmotor,
welcher eine vollständig
aus einem Verbundmagneten hergestellte Ankerkugel umfasst und vier
magnetische Pole aufweist. Jeder Pol ist eine Viertelkugel des Läufers. Die äußere Feldkugel
umfasst vier Sätze von
Wicklungen bzw. Spulen. Getrennte Hallsensoren werden verwendet,
um die Läuferposition
zu erkennen.
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US-A-3
854 341 (QUERMANN T) vom 17. Dezember 1974 betrifft ein Gyroskop.
Zweiachsige Feldmagnetelemente werden als Sektormotoren verwendet,
um einen Hilfsantrieb bereitzustellen, welcher die Inertialelemente
langsam dreht. Zusätzliche Aufnahmedrehmomentspulen
werden verwendet, um die Verschiebung des Drehmoments der Inertialelemente
zu erfassen und können
auch ein Drehmoment erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der Lehren
der vorliegenden Erfindung wird ein Kugelmotor offenbart, der ein
Bewegungsdrehmoment in drei Freiheitsgraden gleichzeitig bereitstellt.
Der Kugelmotor umfasst eine Außenkugel
und eine darin angebrachte innere Kugel, wobei eine der Kugeln eine
stationäre
Feldkugel und die andere Kugel eine drehbare Ankerkugel ist. Ein
erster Satz magnetischer Elemente wird auf der Außenkugel
ausgebildet, und ein zweiter Satz magnetischer Elemente wird an
der Innenkugel ausgebildet. Ein Satz der magnetischen Elemente sind
Feldmagnetelemente, die mindestens zwei Wicklungen bzw. Spulen umfassen,
die Magnetfelder in zwei Achsen bereitstellen. Der andere Satz der
Magnetelemente sind Sensor/Aktuator-Magnetelemente, die drei Wicklungen
bzw. Spulen umfassen, die Magnetfelder in drei Achsen bzw. Achsenrichtungen
bereitstellen.
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Die
Feldmagnetelemente erzeugen ein sich regelmäßig änderndes Magnetfeld. Jedes
Sensor-Magnetelement misst seine lokalisierten Magnetfeldänderungen,
die durch die Feld-Magnetelemente erzeugt werden und erzeugt ein
Drehmoment relativ dazu, um die Ankerkugel zu drehen. Über eine
vollständige
Feldänderung
bzw. -variation der Feldmagnetelemente kann jedes Sensor-Magnetelement
ein Drehmoment um alle drei Achsen erzeugen, Weil jedes Sensor-Magnetelement
den benötigten
Drehmomentvektor erzeugt, ist keine Koordination zwischen den zwei
Sätzen
von magnetischen Elementen notwendig.
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Zusätzliche
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen klar, wenn
sie zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen aufgenommen werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Kugelmotors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Hälfte einer Außen- bzw. äußeren Feldkugel,
die aus dem in 1 gezeigten Kugelmotor entfernt
wurde und eine Vielzahl von Feldmagnetelementen umfasst;
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3(a)–3(c) sind perspektivische Ansichten eines
der in 2 gezeigten Feldmagnetelemente;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer Hälfte einer Ankerkugel, die
aus dem in 1 gezeigten Kugelmotor entfernt
wurde und eine Vielzahl von Sensor/Aktuator-Magnetelementen umfasst; und
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5 ist
eine perspektivische Ansicht eines der in 4 gezeigten
Sensor/Aktuator-Magnetelemente.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Diskussion der Ausführungsformen
der auf einen Kugelmotor gerichteten Erfindung sind lediglich exemplarischer
Natur und keineswegs dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder
Verwendungen zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst einen Kugelmotor, der eine Drehung
in drei Freiheitsgraden bereitstellt, aber nicht unter den Komplexitäten der aus
dem Stand der Technik bekannten Kugelmotoren leidet. Wie weiter
unten genauer diskutiert wird, verwendet der erfindungsgemäße Kugelmotor
eine Vielzahl von Feldmagneten, die oszillierende Magnetfelder erzeugen,
die eine Spannung erzeugen, die proportional zu der Ableitung der
Magnetfelder ist. Sensor/Aktuator-Magnete messen diese oszillierenden Magnetfelder über einen
vollständigen
Magnetfeldoszilliationszyklus. Die Sensor/Aktuator-Magnete erzeugen
dann betätigende
Magnetfelder, die ein Drehmoment auf die sich bewegende Kugel des
Motors ausüben,
um ihn auf die gewünschte
Stellung zu positionieren. Daher braucht der Motor kein komplexes
Sichtsystem zu verwenden, welches die Position der sich bewegenden
Kugel des Motors bestimmt.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Kugelmotors 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Kugelmotor 10 umfasst eine äußere bzw. äußere Feldkugel 12 und
eine innere Ankerkugel 14. Wie es aus der Diskussion weiter unten
klar werden wird, umfasst der Ausdruck "Kugel" auch einen Teil einer vollständigen Kugel
und möglicherweise
weniger als eine Halbkugel. Zwischen den Kugeln bzw. Sphären 12 und 14 ist
eine Lücke
definiert, so dass die Ankerkugel 14 sich innerhalb der
Feldkugel 12 mittels jedes geeigneten Mechanismus frei
drehen kann, wie beispielsweise mittels eines Gebläse-Luftlochs
bzw. eines Gebläse-Luftkissens, Kugellagern,
elektrostatischer Abstoßung,
Flüssigkeitslagern
usw. Die Feldkugel 12 umfasst eine Vielzahl symmetrisch
angeordneter magnetischer Bereiche 20, die auf einer äußeren Schale 22 der
Kugel bzw. Sphäre 12 ausgebildet
sind, und die Ankerkugel 14 umfasst eine Vielzahl von symmetrisch
angeordneten magnetischen Bereichen 24, die in einer äußeren Schale 32 der
Kugel 14 ausgebildet sind. Der Durchmesser der Kugeln 12 und 14 und
die Dicke der Schalen 22 und 32 wäre anwendungsbezogen
und kann jegliche für
die hierin beschriebenen Zwecke geeignete Dimension bzw. Größe umfassen.
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Die
Ankerkugel 14 umfasst eine an der Schale 32 angebrachte
Motorwelle 16, die sich durch eine Öffnung 18 in der Feldkugel 12 erstreckt.
Eine Vorrichtung (nicht gezeigt) kann an der Welle 16 befestigt
werden, so dass sie durch Drehung der Kugel 14 in drei
Freiheitsgraden in einer bestimmten Richtung positioniert werden
kann. Die Vorrichtung kann jegliche Vorrichtung sein, welche ein
Ausrichten benötigt, wie
beispielsweise eine Kommunikationsantenne, ein Sensor, eine optische
Vorrichtung usw. Alternativ kann die Vorrichtung vollständig innerhalb
der Ankerkugel 14 befes tigt sein. Abhängig von der Anwendung und
dem Aufbau der Kugeln 12 und 14 kann die Vorrichtung
in jede Richtung innerhalb eines 360°-Sichtfeldes ausgerichtet werden,
das durch die Kugeln 12 und 14 definiert wird.
Bei einer praktischen Anwendung würde das Ausrichten wahrscheinlich auf
ein Gesichtsfeld innerhalb 180° beschränkt sein. Wie
weiter unten genauer beschrieben wird, verwendet der Kugelmotor 10 eine
Technik zum Detektieren sich verändernder
oder oszillierender Magnetfelder, um ein Drehmoment auf die Ankerkugel 14 auszuüben, um
die Vorrichtung zu positionieren.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der Hälfte der Feldkugel 12,
die vom Motor 10 getrennt ist. Ein zweiachsiges Feldmagnetelement 26 ist
innerhalb jedes magnetischen Bereichs 20 symmetrisch angeordnet.
Die 3(a)–3(c) zeigen
eine perspektivische Ansicht eines der Magnetelemente 26, das
von der Feldkugel 12 abgetrennt ist. Jedes Magnetelement 26 umfasst
eine erste Wicklung bzw. Spule 28, die um einen Ferritkern 34 herumgewickelt ist,
und eine zweite Wicklung 30, die um einen Ferritkern 36 herumgewickelt
ist, wobei die Kerne 34 und 36 zueinander orthogonal
sind. Jedoch ist es den Fachleuten aus der Diskussion klar, dass
die Wicklungen 28 und 30 nicht zueinander orthogonal
zu sein brauchen, damit der Kugelmotor 10 innerhalb des Umfangs
der vorliegenden Erfindung arbeitet.
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In
dieser Ausführungsform
umfasst die Feldkugel 12 vierzehn magnetische Bereiche 20,
von denen jeder ein einzelnes Magnetelement 26 enthält. Jedoch
ist dies ein nicht-beschränkendes
Beispiel dahingehend, dass eine Feldkugel für einen Kugelmotor in der Praxis
wahrscheinlich viel mehr magnetische Bereiche 20 und Magnetelemente 26 umfassen
würde.
Die symmetrische Positionierung der magnetischen Bereiche 20 auf
der Schale 22 geschieht ebenfalls als nicht-beschränkendes
Beispiel dahingehend, dass die Bereiche 20 und die Elemente 26 auf
der Schale 22 in jeder geeigneten Ausgestaltung angeordnet
werden können.
Die magnetischen Bereiche 20 definieren allgemein eine
begrenzte Fläche der
Magnetfelder für
jedes bestimmte Magnetelement 26, aber die Magnetfelder
der Elemente 26 können
sich überlappen,
ohne den Betrieb des Systems 10 zu beeinträchtigen.
Weiterhin kann eine gemeinsame Spannungsquelle verwendet werden,
um alle magnetischen Elemente 26 zu betreiben.
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Die
Richtung des kombinierten Magnetfelds von den Wicklungen 28 und 30 wird
durch die Richtung des durch die Wicklungen 28 und 30 laufenden Stroms
bestimmt, wenn ein positives oder negatives Spannungspotenzial daran
angelegt wird. In 3(a) erfährt die
Wicklung 30 ein positives Potenzial und die Wicklung 28 ist
aus, so dass die Richtung des durch die Wicklung 30 laufenden
Stroms ein Magnetfeld 38 entlang der Achse des Kerns 36 erzeugt. In 3(b) erfahren die Wicklungen 28 und 30 beide ein
positives Potenzial, so dass die Richtung des durch die Wicklungen 28 und 30 fließenden Stroms das
kombinierte Magnetfeld 38 unter einem Winkel von 45° relativ
zu den Achsen der Kerne 34 und 36 in der angezeigten
Richtung erzeugt. In 3(c) erfährt die
Wicklung 28 ein positives Potenzial, und die Wicklung 30 ist
aus, so dass die Richtung des durch die Wicklung 28 fließenden Stroms
das Magnetfeld 38 entlang der Achse des Kerns 34 erzeugt.
Falls die Wicklungen 28 und 30 in entgegengesetzter
Richtung gewunden sind, würde
das Magnetfeld für
das gleiche Spannungspotenzial in entgegengesetzter Richtung auftreten.
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Es
ist augenscheinlich, dass dann, falls auch eine negative Spannung
an die Wicklungen 28 und 30 in der hier beschriebenen
Weise angelegt wird, die Richtung des Magnetfeldes 38 um
360° in
der Ebene der Kerne 34 und 36 gedreht wird. Daher
kann ein zweiachsiger Feldgenerator durch diskretes Ändern des
an die Wicklungen 28 und 30 angelegten Potenzials
in der Folge (+, aus), (+, +), (aus, +), (–, +), (–, aus), (–, –), (aus, –), (+, –)erzeugt werden, wobei sich
das Magnetfeld in diskreten Schritten von 45° dreht. Das Magnetfeld 38 kann
auch dazu veranlasst werden, sich kontinuierlich zu drehen, und
zwar durch Anlegen eines sinusförmigen
Spannungspotenzials an die Wicklungen 28 und 30,
die um 90° phasengetrennt
sind.
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Gemäß der Erfindung
ist die relative Orientierung der Magnetelemente 26 und
des sich drehenden Magnetfelds, das sie erzeugen, nicht wichtig.
Es ist nur notwendig, dass sich die Magnetfelder bewegen, so dass
sie erkannt werden können.
Auch könnte,
falls sich die Magnetfelder nicht bewegen, niemals ein Drehmoment
parallel zu den Magnetfeldern erzeugt werden, und zwar aufgrund
der Natur des Kreuzprodukt-Gesetzes des magnetischen Drehmoments.
Durch Bereitstellen eines sich bewegenden Magnetfelds kann ein mittleres
Drehmoment in jeder Richtung erzeugt werden. Weiterhin braucht sich
das Magnetfeld 38 nicht um 360° zu drehen, damit der Kugelmotor 10 erfindungsgemäß arbeitet.
Auch können
zusätzliche
Wicklungen bzw. Spulen, einschließlich Wicklungen, die dreiachsige
Magnetfelder bereitstellen, in jedem magnetischen Element 26 verwendet
werden, um das sich bewegende Magnetfeld im Umfang der vorliegenden
Erfindung bereitrustellen.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Teils der vom Motor 10 getrennten
Ankerkugel 14. Jede der Vielzahl der magnetischen Bereiche 24 umfasst
ein dreiachsiges Sensor/Aktuator-Magnetankerelement 42,
das darin angebracht ist. Eine perspektivische Ansicht eines der
von der Ankerkugel 14 entfernten Magnetelements 42 ist
in 5 gezeigt. Jedes Sensor/Aktuator-Magnetelement 42 umfasst eine
erste Wicklung bzw. Spule 44, die um einen Kern gewickelt
ist, der sich entlang einer ersten Achse erstreckt, und eine zweite
Wicklung 46, die um einen Kern herumgewickelt ist, der
sich entlang einer zweiten Achse erstreckt, die senkrecht zur ersten Achse
liegt, wie gezeigt. Vier getrennte Wicklungen 48, 50, 52 und 54 sind
in jedem Quadranten positioniert, der durch die Achsen der Wicklungen 44 und 46 definiert
ist, wobei jede der Wicklungen 48 bis 54 um einen
Kern herum gewickelt ist, der sich entlang einer Achse erstreckt,
die senkrecht zu der ersten und der zweiten Achse liegt, um die
drei Achsen bereitzustellen. Daher misst das magnetische Element 42 ein magnetisches
Feld in jeder Richtung, oder stellt es bereit.
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Die
Sensor/Aktuator-Magnetelemente 42 werden verwendet, um
lokale Magnetfeldeigenschaften zu messen und ein Drehmoment um alle
drei Achsen zu erzeugen. Weil die durch die Magnetelemente 26 erzeugten
Magnetfelder sich bewegen, können
die Magnetelemente 42 die Richtung eines sich darum befindlichen
lokalisierten Magnetfelds messen. Die Elemente 26 können dann
ihr Magnetfeld verwenden, um ein Drehmoment relativ zu den sich
bewegenden magnetischen Feldern zu erzeugen, um die Ankerkugel 14 relativ
zur Feldkugel 12 zu bewegen. In einer Ausführungsform
wird jedes magnetische Element 42 sein lokalisiertes Magnetfeld durch
einen vollständigen
Zyklus des sich bewegenden Magnetfelds messen.
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Wenn
die Elemente 42 messen, nimmt ein Steuersystem (nicht gezeigt)
die Spannungen an den Wicklungen 44 bis 54 auf,
während
sich das lokalisierte Magnetfeld für dieses Element 42 durch
seinen Zyklus bewegt. Falls ein magnetisches Kugelelement 42 das
Magnetfeld eines der Feld-Magnetelemente 26 misst, wird
es die Richtung des Magnetfelds 38 bestimmen, während es
sich relativ zu den Wicklungen 28 und 30 bewegt.
Das Steuersystem berechnet dann das Magnetfeld, wie es lokal an
dem bestimmten Ankerelement 42 auftritt und nimmt an, dass
es das gleiche für
den nächsten
Zyklus sein wird. In anderen Worten: Das Steuersystem weiß, wo sich
das Magnetfeld befindet, weil die lokalisierten Magnetfelder sich
mit einer bestimmten Rate drehen.
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Nach
Messen eines kompletten Zyklus werden die Ankermagnetelemente 42 dann
ein Betätigungsmagnetfeld
in einer bestimmten Richtung erzeugen, das mit den Feldern der Feldmagnetelemente
zusammenwirkt, so dass das Magnetfeld ein Drehmoment an der Ankerkugel 14 erzeugt.
In anderen Worten: Das Steuersystem wird ein Spannungspotenzial
an die Wicklungen 44 bis 54 in jedem der magnetischen
Elemente 42 anlegen, so dass für den nächsten Zyklus des sich bewegenden
Magnetfelds, welches nun dem System bekannt sein wird, ein gewünschtes
Drehmoment an die Ankerkugel 14 angelegt werden kann, um
die Welle 16 zu positionieren. Daher kann jedes Drehmoment
in jede Richtung durch das System erzeugt werden.
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In
dieser Ausführungsform
messen die Magnetelemente 42 die magnetischen Felder für einen Zyklus
der Magnetfelder und betätigen
dann die Ankerkugel 14 für den nächsten Zyklus der Magnetfelder
in abwechselnder Folge. Die Magnetelemente 42 können alle
messend sein und dann alle zusammen betätigend. Alternativ können einige
der Magnetelemente 42 messend sein, während andere der Magnetelemente 42 betätigend sind.
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Während der
Messphase misst jedes magnetische Element 42 das magnetische
Feld um sich herum, welches durch eines oder mehrere der Feldelemente 26 bereitgestellt
werden kann. Daher ist die Ausrichtung der Feldelemente 26 auf
der Schale 22 nicht wichtig. Weil jedes Element 42 den
gewünschten
Drehmomentvektor erzeugt, ist keine Koordination zwischen den verschiedenen
Ankerelementen 42 notwendig. Sobald das Anfordern nach
ein emGesamtdrehmoment auf den Motor 10 auf einen Referenzrahmen
lokaler Aktuatorsätze übertragen
worden sind, kann eine einfache lokale Steuereinheit die Wicklungen 44 bis 54 in
den Ankerelementen 42 handhaben bzw. ansteuern, um einen
Drehmomentvektor parallel zu dem angeforderten Drehmoment erzeugen,
um die Welle 16 zu positionieren.
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Wie
oben angesprochen, hat der Motor 10, wenn ein Magnetelement 42 als
Messelement und dann als ein Betätigungselement
dient, einen Arbeitszyklus von 50 % dahingehend, dass die magnetischen
Elemente 42 zur Hälfte
der Zeit messen und zur anderen Hälfte der Zeit betätigen. Der
Arbeitszyklus kann durch Verändern
der Mess- und Betätigungszeiten
verändert
werden. In einer alternativen Ausführungsform können die
Magnetelemente eine kontinuierliche Betätigung bereitstellen. In dieser Ausführungsform
messen die Ankerelemente 42 die durch die Feldelemente 26 erzeugten
oszillierenden Magnetfelder nicht, sondern messen die durch die Feldelemente 26 erzeugte
gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK). Es ist immer noch notwendig, dass
sich die Magnetfelder bewegen. Durch Messen der Gegen-EMK der durch
die Feldelemente 26 erzeugten Magnetfelder messen und betätigen die
Ankerelemente 42 daher zur gleichen Zeit.
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Variationen
der oben diskutierten Ausführungsformen
können
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
Beispielsweise kann die äußere Kugel
bzw. Sphäre
die Ankerkugel sein, die sich relativ zu inneren Feldkugel bewegt.
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Die
dreiachsigen Magnetelemente 42 und die zweiachsigen Magnetelemente 26 können auf
jeder der Feldkugel oder der Ankerkugel angeordnet sein, und zwar
unabhängig
davon, welche der inneren oder äußeren Kugel
die Feldkugel 12 und die Ankerkugel 14 sind. Darüber hinaus
brauchen die Feldkugel 12 und die Ankerkugel 14 keine
identische Verteilung der darauf angebrachten Magnetelemente aufzuweisen.
Die Zahl der Feld-Magnetelemente und der Anker-Magnetelemente wird
für unterschiedliche Anwendungen
bestimmt. Falls das angeforderte Drehmoment im Basisbezugssystem
berechnet werden wird, kann es sinnvoller sein, dass die äußere Kugel
die Ankerkugel ist. Falls jedoch das angeforderte Drehmoment im
Referenzbezugssystem berechnet werden wird, kann es sinnvoller sein,
dass die innere Kugel die Ankerkugel ist.
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Die
obige Diskussion offenbart und beschreibt lediglich exemplarische
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus einer solchen Diskussion
und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen einfach erkennen, dass
verschiedene Änderungen,
Modifikationen und Variationen daran durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen, so wie er in den folgenden
Ansprüchen
definiert ist.