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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Antriebssystem mit einem
Elektromotor, bei dem ein erster Motorteil zu einem zweiten Motorteil beweglich
angeordnet ist.
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In einem Antriebssystem des Stands der Technik nach Beschreibung in US
4.616.153 werden die Motorteile von zwei zueinander verschiebbar angeordneten,
koaxialen zylindrischen Körpern gebildet. Der innere zylindrische Körper bildet den aus
einem Rohr mit um dieses angeordneter Erregerspule und Kurzschlußwicklung
bestehenden ersten Motorteil. Der äußere zylindrische Körper enthält einen Magnetkreis, der in
der Erregerspule ein radial gerichtetes Magnetfeld erzeugt. Ferner enthält der zweite
Motorteil zwei koaxial zu den Kurzschlußwicklungen angeordnete Detektionsspulen mit
einer lageabhängigen elektromagnetischen Kopplung zur Kurzschlußwicklung.
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Bei Injektion eines hochfrequenten Detektionssignals in die
Detektionsspulen kann die Lage des ersten Motorteils zum zweiten Motorteil aus den Signalen
über den Detektionsspulen abgeleitet werden. Das Antriebssystem des Stands der
Technik hat jedoch den Nachteil, daß die für die Lagedetektion erforderlichen
Komponenten verhältnismäßig viel Raum einnehmen, so daß das Antriebssystem für
Anwendungen, für die Motoren mit sehr kleinen Abmessungen erwünscht sind, wie zum
Beispiel in miniaturisierten tragbaren Aufzeichnungssystemen beispielsweise für
elektronische Standbilder, weniger geeignet ist.
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Weiter ist in EP-A-0.183.277 ein elektromagnetisches Antriebssystem mit
einem bürstenlosen Elektromotor mit so angeordnetem Ständer und Läufer beschrieben,
daß sich diese zueinander bewegen können. Der Ständer enthält Erregerspulen und der
Läufer einen Magnetkreis zur Erzeugung eines Magnetfelds in den Erregerspulen. Der
Läufer ist mit an den Polflächen der den Spulen des Ständers gegenüberliegenden
Magnete montierten sektorförmigen Leitern versehen. Jeder sektorförmige Leiter ist
elektromagnetisch mit mindestens zwei Erregerspulen gekoppelt, wobei die
elektromagnetische
Kopplung mit mindestens einer der Spulen von den Lagen des Ständers und
Läufers zueinander abhängig ist.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein zur Miniaturisierung
geeignetes Antriebssystem zu verschaffen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein elektromagnetisches Antriebs-
System mit einem Elektromotor erreicht, dessen erster Motorteil zu einem zweiten
Motorteil beweglich angeordnet ist, wobei der zweite Motorteil mindestens zwei
Erregerspulen aufweist, der erste Motorteil einen Magnetkreis zur Erzeugung eines
Magnetfelds in den Erregerspulen enthält und der erste Motorteil weiter eine Kurz
schlußwicklung mit elektromagnetischer Kopplung mit mindestens zwei der
Erregerspulen aufweist, wobei die elektromagnetische Kopplung zwischen der
Kurzschlußwicklung und mindestens einer letzterer Spulen von einer Lage des ersten Motorteils zum
zweiten Motorteil abhängig ist und die Kurzschlußwicklung vom zweiten Motorteil
umschlossen wird, wobei die Kurzschlußwicklung von einer Hülse aus magnetisch
nichtleitendem, elektronisch leitendem Material gebildet wird, welche Hülse vom
zweiten Motorteil um schlossen wird und ihrerseits den Magnetkreis umschließt.
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Durch die Verwendung der Hülse wird ein zweifaches Ziel erreicht, und
zwar die Bildung der Kurzschlußwicklung und die Umschließung des Magnetkreises.
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Eine Ausführungsform des Antriebssystems ist dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Motorteil drei elektromagnetisch mit der Kurzschlußwicklung gekoppelte
Erregerspulen aufweist, wobei eine erste und eine zweite der drei Erregerspulen zur
dritten der drei Erregerspulen symmetrisch angeordnet sind und wobei ein Magnetkreis
zur Erregung eines Magnetfelds in den drei Erregerspulen angelegt ist.
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Diese Ausführungsform ermöglicht die genaue Detektion der Lage mittels
Diffentialdetektion. Eine Ausführungsform des Antriebssystems, in der ein
Differentialdetektor dieser Art zum Einsatz kommt, ist durch eine Erregerschaltung zur Erzeugung
von Erregerströmen in den Erregerspulen, durch eine Schaltung zur Überlagerung des
Erregerstroms der dritten Erregerspule mit einem hochfrequenten Detektionssignal und
durch eine Detektionsschaltung zur Ableitung eines die Lage des ersten Motorteils zum
zweiten Motorteil bezeichnenden Signals aufgrund der Differenz zwischen den vom
Detektionssignal in der ersten und zweiten Erregerspule erzeugten Signalen gekennzeichnet.
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Eine wegen ihrer Einfachheit besonders vorteilhafte Ausführungsform mit
differentieller Lagedetektion ist dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen
parallelgeschaltet sind, wobei das Antriebssystem eine Stromquelle zur Speisung der
Parallelschaltung von Erregerspulen mit einem mit dem hochfrequenten Detektionssignal
überlagerten Erregerstrom, eine Detektionsschaltung zur Detektion der Ströme in der
ersten und zweiten Erregerspule und eine Schaltung zur Ableitung des Lagesignals aus
der Differenz zwischen diesen Strömen aufweist.
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In dieser Ausführungsform wird die Tatsache, daß bei
Differentialdetektion das von der Stromquelle direkt in die erste und zweite Spule injizierte
hochfrequente Detektionssignal das Ergebnis der Detektion nicht beeinflußt, vorteilhaft
genutzt. Daher können alle drei Erregerspulen aus einer gemeinsamen Stromquelle
gespeist werden.
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Die Erfindung ist sowohl auf Rotations- als auch Linearmotoren
anwendbar. Eine aufgrund ihres einfachen Aufbaus vorteilhafte Ausführungsform eines
Antriebssystems mit Linearmotor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen
hintereinander angeordnet sind, im wesentlichen zylindrisch sind und eine gemeinsame
Achse aufweisen, wobei der zweite Motorteil zylindrisch und in einer zur gemeinsamen
Achse der Erregerspulen parallelen Richtung innerhalb der Erregerspulen verschiebbar
angeordnet ist und der Magnetkreis zur Erzeugung radial gerichteter Magnetfelder in
den Erregerspulen angelegt ist.
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Ein äußerst einfacher Aufbau des Magnetkreises wird in einer
Ausführungsform erzielt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Magnetkreis
hintereinander angeordnete zylindrische Dauermagnete mit einer zur Achse des zweiten
Motorteils parallelen gemeinsamen Achse umfaßt, wobei die Pole dieser Magnete an den
Zylinderenden liegen und je zwei einander gegenüberliegende Zylinderenden der
Magnete die selbe Polarität aufweisen.
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Wenn der Abstand zwischen den Polen der zylindrischen Magnete klein
genug gewählt wird, ist zur Erzeugung eines Magnetfelds von ausreichender Starke im
ersten Motorteil kein magnetisch leitender Pfad erforderlich. Das Weglassen des
magnetisch leitenden Pfads aus dem ersten Motorteil hat den zusätzlichen Vorteil, daß
es keine Haftkräfte zwischen dem ersten und zweiten Motorteil gibt, so daß eine
einfache Lagerung der Motorteile ausreicht. Obwohl der Lagedetektor des Motors zur
Bestimmung des Kommutationszeitpunkts elektronisch kommutierter bürstenloser
Gleichstrommotoren verwendet werden kann, ist die Erfindung vor allem für die
Verwendung in Lage-Servosystemen geeignet. Eine Ausführungsform, in der dies
realisiert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Steuerschaltung zur
Steuerung der Erregerströme anhand des Lagesignals und eines Referenzsignals für die
Soll-Lage des ersten Motorteils zum zweiten Motorteil umfaßt.
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Die Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf vier in Fig. 1 bis
4 dargestellte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebssystems näher
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebssystems, wobei Fig. 1a eine Schnittansicht des Antriebssystems und Fig. 1b eine
perspektivische Teilschnittansicht des Antriebssystems ist. Die dargestellte
Ausführungsform bezieht sich auf einen Linearmotor mit einem ersten Motorteil 1 und einem
zweiten Motorteil 2 in der Form von zwei ineinander angeordneten und entlang einer
Bewegungsachse 3 zueinander beweglichen zylindrischen Körpern. In den hier
dargestellten Ausführungsformen haben die Motorteile eine kreiszylindrische Form. Es sind
jedoch auch Zylinderformen mit nicht kreisförmigem Querschnitt, sondern zum Beispiel
mit Rechteckquerschnitt, geeignet. Der zweite Motorteil 2 weist drei
hintereinanderliegende und koaxial zum ersten Motorteil 1 angeordnete zylindrische Erregerspulen auf.
Der erste Motorteil 1 enthält einen Magnetkreis zur Erzeugung eines radial gerichteten
Magnetfelds in den Spulen 4, 5 und 6. Ein Magnetkreis dieser Art kann aus zwei
hintereinander angeordneten Dauermagneten 7 und 8 bestehen, deren Achse mit der
Bewegungsachse 3 zusammenfällt. An den Zylinderenden sind jeweils die magnetisch
leitenden Scheiben 9, 10 und 11 angebracht. Die Magnetpole der Magnete 7 und 8
liegen an den Zylinderenden. Die einander gegenüberliegenden Pole der Magnete 7 und
8 haben die selbe Polarität, wodurch in den gegenüber den Scheiben 9, 10 und 11
angeordneten Teilen der Spulen 4, 5 und 6 ein radial gerichtetes Magnetfeld erzeugt
wird. Die Feldlinien des erzeugten Magnetfelds sind in Fig. 1a zur Illustration mit
gestrichelten Linien dargestellt. Der Magnetkreis ist von einer zylindrischen Hülse 12
aus einem elektronisch leitenden und magnetisch nichtleitenden Material, zum Beispiel
Aluminium, Kupfer oder Messing, umschlossen. Bei Erregung der Spulen und bei der
Stromrichtung in Spule 5 entgegengesetzter Stromrichtung in den Spulen 4 und 6
werden zwischen dem ersten und zweiten Motorteil Lorentz-Kräfte wirksam, wodurch
sich diese zueinander verschieben. Wenn dem Erregerstrom von Spule 5 außerdem ein
hochfrequenter Detektionsstrom überlagert wird, wird in Hülse 12 ein Wechselstrom
erzeugt, da diese Hülse als mit Spule 5 elektromagnetisch gekoppelte
Kurzschlußwicklung wirkt. Dieser Wechselstrom ist gleichmäßig über die Oberfläche der Hülse verteilt.
Da die Spulen 4 und 6 gleichfalls elektromagnetisch mit der Hülse 12 gekoppelt sind,
wird in den Spulen 4 und 6 infolge des Wechselstroms in Hülse 12 eine
Wechselspannung erzeugt. Die Stärke der Wechselspannung ist der Größe der der jeweiligen
Spule gegenüberliegenden Hülsenoberfläche fast direkt proportional. Das bedeutet, daß
die Stärke der erzeugten Wechselspannung ein Maßstab für die Lage des ersten
Motorteils 1 zum zweiten Motorteil 2 ist. Demnach läßt sich aus den in den Spulen erzeugen
Wechselspannungen auf äußerst einfache Weise ein für die Lage des ersten Motorteils
zum zweiten Motorteil bezeichnendes Lagesignal ableiten.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines Antriebssystems dargestellt, in
dem das Lagesignal auf äußerst einfache Weise abgeleitet wird. In dieser Figur sind die
Erregerspulen 4, 5 und 6 parallelgeschaltet und werden von einem einzigen
Spannung/Strom-Umformer 20 aus mit einem Erregerstrom erregt, der mit dem hochfrequenten
Detektionssignal überlagert ist. Zur Überlagerung des Detektionssignals wird eine
Addierschaltung 21 verwendet, mit der eine hochfrequente Spannung aus einem
Oszillator 22 zu einer den Soll-Erregerstrom bezeichnenden Steuerspannung Vs addiert
wird. Das Spannungssignal aus der Addierschaltung 21 wird einem Eingang des
Spannung/Strom-Umformers 20 zugeführt, der das Spannungssignal zum Erregerstrom
umformt und diesen Strom der Parallelschaltung der Erregerspulen 4, 5 und 6 zuführt.
Die Ströme durch die Spulen 4 und 6 werden jeweils von den Stromdetektoren 24 und
23 detektiert. Die Differenz zwischen den beiden detektierten Strömen wird von einem
Differentialverstärker 25 ermittelt. Aufgrund der symmetrischen Lagen der Spulen 4
und 6 zur Spule 5 enthält die Differenz der beiden detektierten Ströme lediglich eine die
Lage des ersten Motorteils 1 zum zweiten Motorteil 2 bezeichnende
Wechselstromkomponente. Hierbei ist die Amplitude der Differenzstromkomponente ein Maßstab für
die Abweichung der Motorlage von einer Zentrallage, die der Lage entspricht, in der
die der Spule 4 gegenüberliegende Hülsenfläche der der Spule 6 gegenüberliegenden
Hülsenfläche gleich ist. Die Richtung der Abweichung wird von der Phase des
Differenzstromkomponente angegeben. Demnach läßt sich mittels eines
Synchrondetektors 26, dem ein vom Differentialverstarker 25 abgegebenes Differenzsignal und über
einen Phasenschieber 29 ein vom Oszillator 22 abgegebenes hochfrequentes Signal
zugeführt wird, auf einfache Weise ein sowohl die Richtung als auch die Größe der Lage
bezeichnendes Lagesignal erzielen. Das Lagesignal Vp kann am Ausgang des
Synchrondetektors 26 abgenommen werden. Für den Fall, daß die elektromagnetische Kopplung
zwischen der Kurzschlußwicklung 12 und der mittleren Spule 5 im Betriebsbereich des
Motors von der Lage der beiden Motorteile zueinander und dem Ausmaß der
elektromagnetischen Kopplung zwischen den äußeren Spulen 4 und 6 des Motors
unabhängig ist und die Kurzschlußwindung in einem linearen Verhältnis zur Verschiebung der
Motorteile steht, ist das Verhältnis zwischen der Starke des Lagesignals Vp und der
Lage der Motorteile zueinander im wesentlichen linear, so daß das Lagesignal ohne
weiteres als Lagedetektionssignal in einem lagebestimmten Servosystem zur Steuerung der
Lagen der Motorteile zueinander geeignet ist. Hierzu kann das Lagesignal Vp in einem
Differentialverstärker 27 mit einem die Soll-Lage bezeichnenden Signal Vg verglichen
werden. Ein die ermittelte Differenz bezeichnendes Ausgangssignal des
Differenzverstärkers 27 wird einer Steuerschaltung 28 zugeführt, die als eine Funktion dieses Signals
das Signal Vs ableitet, so daß die Differenz zwischen der Soll-Lage und der Istlage
nahezu gleich Null gehalten wird.
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In der obenbeschriebenen Ausführungsform wird die Hülse 12 zu einer
Kurzschlußwicklung. Eine Kurzschlußwickiung dieser Art kann jedoch auch von einer
um den ersten Motorteil gewickelten zylindrischen Spule gebildet werden. Da die
Robustheit der Motorkonstruktion durch eine Kurzschlußwicklung in der Form einer
Hülse verstarkt wird, verdient letztere den Vorzug.
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Weiter sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf
Antriebssysteme mit drei Erregerspulen begrenzt ist. Die Erfindung ist gleichfalls auf
Ausführungsformen anwendbar, in denen zwei Erregerspulen oder mehr als drei
Erregerspulen elektromagnetisch mit der Kurzschlußwicklung gekoppelt sind.
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Ein Motor mit zwei elektromagnetisch mit einer Kurzschlußwicklung im
ersten Motorteil gekoppelten Spulen im zweiten Motorteil kann zum Beispiel durch die
in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform gebildet werden, wobei jedoch zum Beispiel die
Spule 4 und der Magnet 7 weggelassen werden. Eine solche Ausführungsform kann
dann mit einer Erregerschaltung zur Erregung der Spulen 5 und 5 und zur Ableitung des
Lagesignals nach Darstellung in Fig. 3 versehen werden. In dieser Ausführungsform
wird die Spule 6 von einem Spannung/Strom-Umformer 30 erregt. Die Spule 5 wird
von einem Spannung/Strom-Umformer 32 über ein Tiefpaßfilter 31 erregt. Eine
Oszillatorschaltung 34 injiziert über ein Hochpaßfilter 33 einen hochfrequenten
Detektionsstrom in die Spule 5. Der Strom in Spule 6 wird mittels eines Stromdetektors 35
detektiert. Der Stromdetektor 35 ist ein Detektor üblicher Art, der eine dem detektierten
Strom propertionale Signalspannung erzeugt. Diese Signalspannung wird in einem
Hochpaßfilter 36 einem Gleichrichter 37 zugeführt.
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Am Ausgang des Hochpaßfilters 36 wird eine Wechselspannung mit einer
vom Ausmaß der elektromagnetischen Kopplung zwischen Spule 6 und Hülse 12
bestimmten Amplitude abgegeben. Da diese Kopplung von der Lage des ersten Motorteils
zum zweiten Motorteil bestimmt wird, ist die Amplitude der Wechselspannung am
Ausgang von Filter 36 ein Maßstab für diese Lage. Nach Gleichrichtung dieser
Wechselspannung im Gleichrichter 37 kann vom Ausgang des Gleichrichters 37 ein
Signal abgenommen werden, dessen Gleichspannungsniveau ein Maßstab für die Lage
des Motors ist. Dieses Signal kann als das Lagesignal Vp verwendet werden. Bei
Anwendung in einem lagbestimmten Servosystem kann dieses Signal Vp zusammen mit
dem Signal Vg einer Schaltung 38 zugeführt werden, die aus den Signalen Vg und Vp
die Steuerspannung für die Spannung/Strom-Umformer 30 und 32 ableitet.
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Die obenbeschriebenen Ausführungsformen des Antriebssystems sind
Linearmotoren. Die Erfindung bezieht sich jedoch gleichfalls auf Rotationsmotoren. In
Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Antriebssystems in der Form eines
Rotationsmotors 62 dargestellt. Der Rotationsmotor 62 enthält einen zylindrischen Läufer 41 aus
einem dauermagnetischen Material, welcher Läufer um einen ferromagnetischen
Ständer 42 drehbar angeordnet ist. Der Winkel zwischen dem Läufer 41 und dem
Ständer 42 ist mit angegeben. Der Ständer 42 weist sechs zueinander um sechzig
Grad winkelversetzte Ständerzähne 50, ..., 55 mit schuhförmigen Enden auf. Gegenüber
den schuhförmigen Enden der Ständerzähne 50, ..., 55 befinden sich, gleichmäßig über
den Läuferumfang verteilt, vier magnetische Nordpole 45, 47, 49, 51 und vier
magnetische Südpole 44, 46, 48, 63. Die Ständerzähne 50, ..., 55 bilden jeweils den Kern der
Ständerspulen 56, ..., 61. Die Spulen von einander entgegengesetzt angeordneten
Ständerzähnen sind in Reihe geschaltet. Gegenüber den schuhförmigen Enden der
Ständerzähne 50, 51 und 55 im Ständer 42 ist eine Kurzschlußwicklung 64 angeordnet,
die elektromagnetisch mit einer der Spulen 56, 57 und 61 gekoppelt ist und bei der die
magnetische Kopplung zwischen der Kurzschlußwicklung 64 und der Spule 56 innerhalb
eines bestimmten Bereiches des Winkels von diesem Winkel unabhängig und die
elektromagnetische Kopplung zwischen der Kurzschlußwickiung 64 und den Spulen 57
und 61 zu im wesentlichen direkt proportional ist.
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Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung können drei Sätze in Reihe
geschalteter Spulen des Motors 62 erregt werden. Ebenso kann mittels der in Fig. 2
dargestellten Schaltung ein diesen Winkel bezeichnendes Lagesignal abgeleitet werden.