DE102006006213B4

DE102006006213B4 - Verfahren, Synchronlinearmotor und Anlage

Info

Publication number: DE102006006213B4
Application number: DE102006006213.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hauck Matthias; Josef Schmidt
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2024-07-18
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: DE102006006213A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Anlage, welche mindestens ein von mindestens einem Synchronlinearmotor angetriebenes Fahrzeug umfasst,
wobei mindestens zwei Primärteile (1), umfassend eine Gruppe von Spulen, vorgesehen sind, die von Umrichtern (20) versorgt werden,
wobei die Magnete relativ zum Primärteil (1) bewegt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Schritt eine Spule stromlos ist,
in einem zweiten Schritt ein Magnet in den Wirkbereich der Spule eintritt,
in einem dritten Schritt die in der Spule induzierte Spannung bestimmt wird,
und in einem vierten Schritt die Synchronisierung des Wanderfeldes und die mechanische Relativbewegung der Magnete mittels Bestimmung der Induktionsspannung ausgeführt wird,
wobei aus der induzierten Spannung der magnetische Fluss

(\vec{ψ})

und daraus wieder die zugehörige Position (x_Translator) der Magnete berechnet werden,
wobei die bestimmten Größen zur Steuerung oder Regelung des Motors von einem Umrichter (20) verwendet werden,
wobei der Motor mehrphasig betrieben und ausgelegt ist, so dass die Größen Spannung und Strom vektoriell darstellbar sind, wobei jede Vektordimension einer Phase zugeordnet ist,
wobei die Umrichter (20) zur Synchronisierung der Bewegung der Fahrzeuge zum Datenaustausch verbunden werden,
wobei mittels Datenaustausch eine übergeordnete Drehmomentregelung realisiert wird, wobei jedem Umrichter (20) ein gleichgroßer Anteil an Drehmoment zugeordnet wird oder ein der Anzahl der jeweils versorgten Spulen entsprechender Anteil,
wobei der Datenaustausch derart ausgeführt wird, dass die Primärteile (1) synchron betrieben werden,
wobei mindestens zwei Sekundärteile (2), umfassend jeweils eine Gruppe von Permanentmagneten (3), vorgesehen sind, die seriell miteinander gekoppelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, einen Synchronlinearmotor und eine Anlage.
Aus der DE 198 46 872 A1 ist ein geberloser Linearmotor bekannt.
Aus der JP 2002- 223 587 A ist als nächstliegender Stand der Technik ein Verfahren zum Betreiben des Synchronlinearmotors bekannt.
Aus der US 5 965 963 A ist ein Linearmotor mit einer Mehrzahl von unabhängig bewegbaren Stufen bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Synchronlinearmotor mit möglichst geringen Kosten und geringen Aufwand betreibbar zu machen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zum Betreiben des Synchronlinearmotors nach den in Anspruch 1 und bei der Anlage nach den in Anspruch 5, 8 oder 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zum Betreiben eines Synchronlinearmotors vorgesehen ist,
umfassend ein Primärteil mit Spulen und ein Sekundärteil mit Permanentmagneten,
wobei die Magnete relativ zum Primärteil bewegt werden,
wobei die dabei in mindestens einer Spule induzierte Spannung bestimmt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass der Motor geberlos betreibbar ist und dabei die sowieso vorhandenen Spulen als Mittel zum Detektieren der Magnete des Sekundärteils verwendbar sind. Die Erfindung ist vorteiligerweise bei Synchronmotoren anwendbar. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass ein Magnet beim Vorbeibewegen an einer Spule eine Spannung induziert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Bestimmung der induzierten Spannung der Strom durch mindestens eine Spule und die an der Spule anliegende Spannung direkt oder indirekt bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass auch während eines an den Spulen angelegten Wanderfeldes die induzierte Spannung bestimmbar ist. Insbesondere wird aus den Messwerten für Strom und Spannung gemäß einem Maschinenmodell für den Motor, insbesondere unter Verwendung von die Maschine kennzeichnenden Parametern, die induzierte Spannung bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzlichen Mittel notwendig sind. Denn Strom und Spannung muss sowieso bestimmt werden für den geregelten Betrieb des Motors.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus der induzierten Spannung die relative Lage und/oder Geschwindigkeit des Sekundärteils zum Primärteil bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass die Bestromung der Spulen entsprechend vornehmbar ist, insbesondere ist ein zur Bewegung synchrones Wanderfeld anlegbar und somit der Motor ohne Ruck beschleunigbar. Außerdem ist ein definiertes und großes Drehmoment erzeugbar.
Erfindungsgemäß werden die bestimmten Größen zur Steuerung oder Regelung des Motors von einem Umrichter verwendet werden. Von Vorteil ist dabei, dass ein Umrichter verwendbar ist, der sich nur geringfügig unterscheidet von Umrichtern zur Versorgung von rotatorischen Motoren, insbesondere der sich nur unterscheidet in der in ihm ablaufenden Software.
Erfindungsgemäß ist der Motor mehrphasig betrieben und ausgelegt, so dass die Größen Spannung und Strom vektoriell darstellbar sind, insbesondere wobei jede Vektordimension einer Phase zugeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Drehmomente und eine gute Regelbarkeit erreichbar sind.
Wichtige Merkmale bei dem Motor sind, dass die Spulen als Mittel zur Bestimmung der relativen Lage und/oder Geschwindigkeit des Sekundärteils zum Primärteil vorgesehen sind. Von Vorteil ist dabei, dass keine separaten aufwendigen Sensoren notwendig sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Bestimmung der von am Primärteil vorbei bewegten Magneten induzierten Spannung vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die einfach bestimmbare Größe „induzierte Spannung“ als Information verwendbar ist zur Bestimmung der Lage und Geschwindigkeit der Magnete des Sekundärteils.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Bestimmung der Spulenströme und an den Spulen anliegenden Spannung vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Spulen selbst als Sensor verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind als Mittel zur Synchronisierung des Wanderfeldes mit der relativen Bewegung die Spulen des Primärteils vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass keine weiteren Mittel als die sowieso notwendigen Basiselemente des Motors verwendet werden.
Wichtige Merkmale bei der Anlage sind, dass sie mindestens ein von mindestens einem Synchronlinearmotor angetriebenes Fahrzeug umfasst, wobei mindestens zwei Primärteile, umfassend eine Gruppe von Spulen, vorgesehen sind, die von Umrichtern versorgt sind, wobei die Umrichter zur Synchronisierung der Bewegung der Fahrzeuge zum Datenaustausch verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Maschinenführung verbesserbar ist und das Synchronprinzip über die gesamte Anlage ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Datenaustausch derart ausgeführt, dass die Primärteile synchron betreibbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Regelungsschwankungen verringerbar sind und die Maschinenführung verbesserbar ist. Insbesondere ist die Synchronisierung zur Verbesserung der Maschinenführung geeignet ausgeführt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Synchron-Linearmotor angedeutet. Dabei umfasst das Primärteil 1 Spulen 4 und das relativ zu diesen bewegbar angeordnete Sekundärteil 2 die mit abwechselnder Orientierung magnetisierten Permanentmagnete 3.

Spulen und Magnete sind jeweils regelmäßig beabstandet voneinander über einen jeweiligen Bereich in Fahrtrichtung. Die Abstände sind aber bei Primärteil und Sekundärteil nicht unbedingt gleich, sondern können auch verschieden gewählt sein.
Das Sekundärteil oder zumindest der mit den voneinander beabstandeten Permanentmagneten versehene Bereich des Sekundärteils ist in Fahrtrichtung kürzer als der Bereich der voneinander beabstandeten Spulen.
Bei der Erfindung wird zum Erzeugen eines möglichst synchronen Wanderfeldes die Position und Geschwindigkeit des Sekundärteils durch Bestimmen der Induktionsspannung bei Eintreten des Magneten in den Wirkbereich der zumindest ersten Spule aus der induzierten Spannung die Orientierung des Magneten, also zum Primärteil hin gerichteter Nordpol oder Südpol, erkannt und auch ein Maß für die Relativgeschwindigkeit des sich relativ zum anderen bewegenden Teils bestimmt.
Somit sind also relative Lage und Geschwindigkeit der beiden Teile zueinander bestimmbar und die Bestromung des Synchron-Linearmotors entsprechend steuerbar.
Besonders genau, also mit einem möglichst geringen Messfehler, arbeitet das Verfahren bei anfangs stromloser Spule. Denn in diesem Fall ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Bestimmung des Verlaufes der Induktionsspannung besonders gut.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird nicht nur eine Spule, sondern es werden zwei oder mehr oder sogar alle Spulen zur Bestimmung der Induktionsspannung verwendet. Vorteilig ist dabei, dass nicht nur der erste Permanentmagnet zur Erzeugung von Induktionsspannung verwendet wird, sondern mehr als einer. Die insgesamt induzierte Leistung ist somit größer und die Genauigkeit verbessert.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist darüber hinaus die Synchronisierung des Wanderfeldes und der mechanischen Relativbewegung ausführbar mittels Bestimmung der Induktionsspannung.
Zur Versorgung der Spulen mit dem Wanderfeld ist ein pulsweitenmoduliert betreibbarer Umrichter verwendbar.
Dies ist in 2 näher dargestellt.
Es wird zunächst die für die Stromeinprägung in die Spulenwicklungen unabdingbare Strommessung $(\vec{i})$
und die Kenntnis der Stromrichterausgangsspannung $(\vec{u}),$
beispielsweise auch errechnet aus Zwischenkreisspannung des Stromrichters und Pulsmuster, wird benutzt.
Spannung $\vec{u}$
und Strom $\vec{i}$
sind vektorielle Größen, da die Maschine mehrphasig betrieben ist.
Wichtig ist bei der Erfindung, dass der physikalische Effekt ausgenutzt wird, dass die Magnete beim Vorbeibewegen and den Spulen eine Spannung in diesen induzieren. Über ein mathematisch in der Software des Stromrichters abgebildetes Maschinenmodell ist diese induzierte Spannung $({\vec{u}}_{i n d u z i e r t})$
errechenbar. Aus der so bestimmten induzierten Spannung ist der magnetische Fluss $(\vec{ψ})$
und daraus wieder die zugehörige Position (x_Translator) der Magnete berechnet werden.
Der Block „Umrechnung“ in 1 beinhaltet für ein Ausführungsbeispiel einer symmetrischen dreiphasigen Maschine eine 3/2-Transformation, also eine Transformation der dreidimensionalen Größendarstellung in eine zweidimensionale, und eine sich daran anschließende Positionsbestimmung aus den erhaltenen Größen, insbesondere sin(x) und cos(x) Größen.
Die Begriffe Stromrichter und Umrichter werden in der vorliegenden Schrift synonym verwendet.
In der 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Anlage gezeigt. Dabei sind die Synchron-Linearmotoren seriell aneinander gekoppelt. Es wird dabei eine geschlossene Anordnung gebildet. Die Anlage ist sozusagen als Karussell ausführbar. Jedoch sind auch Abweichungen von der Kreis- oder Ellipsenform auf verschiedene Geometrieen von der Erfindung umfasst.
Bei der 3 sind vier Umrichter 20 angeordnet, die vier Spulengruppen 4 versorgen. Erfindungsgemäß wird die induzierte Spannung von ins Wirkfeld der Spulen eintretenden Magneten bestimmt und demgemäß ein das jeweilige Sekundärteil beschleunigendes Wanderfeld eingespeist.
Die Umrichter sind zum Datenaustausch untereinander derart verbunden, dass die jeweiligen Wanderfelder aufeinander abstimmbar sind. Beispielsweise ist eine übergeordnete Drehmomentenregelung realisierbar, wobei jedem Umrichter ein gleichgroßer Anteil an Drehmoment zuordenbar ist oder ein der Anzahl der jeweils versorgten Spulen entsprechender Anteil.
Die Synchronisierung des Wanderfeldes mit der Lage und Geschwindigkeit des jeweiligen Sekundärteils ist unabhängig von den anderen Spulengruppen durchführbar. Das Anteil am Soll-Drehmoment wird über den Umrichter vorgebbar.
Bezugszeichenliste

1: Primärteil
2: Sekundärteil
3: Permanentmagnete
4: Primärspule
5: Zwischenteil
6: Zwischenteil
7: Kupplung
20: Umrichter

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Anlage, welche mindestens ein von mindestens einem Synchronlinearmotor angetriebenes Fahrzeug umfasst, wobei mindestens zwei Primärteile (1), umfassend eine Gruppe von Spulen, vorgesehen sind, die von Umrichtern (20) versorgt werden, wobei die Magnete relativ zum Primärteil (1) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Spule stromlos ist, in einem zweiten Schritt ein Magnet in den Wirkbereich der Spule eintritt, in einem dritten Schritt die in der Spule induzierte Spannung bestimmt wird, und in einem vierten Schritt die Synchronisierung des Wanderfeldes und die mechanische Relativbewegung der Magnete mittels Bestimmung der Induktionsspannung ausgeführt wird, wobei aus der induzierten Spannung der magnetische Fluss $(\vec{ψ})$
und daraus wieder die zugehörige Position (x_Translator) der Magnete berechnet werden, wobei die bestimmten Größen zur Steuerung oder Regelung des Motors von einem Umrichter (20) verwendet werden, wobei der Motor mehrphasig betrieben und ausgelegt ist, so dass die Größen Spannung und Strom vektoriell darstellbar sind, wobei jede Vektordimension einer Phase zugeordnet ist, wobei die Umrichter (20) zur Synchronisierung der Bewegung der Fahrzeuge zum Datenaustausch verbunden werden, wobei mittels Datenaustausch eine übergeordnete Drehmomentregelung realisiert wird, wobei jedem Umrichter (20) ein gleichgroßer Anteil an Drehmoment zugeordnet wird oder ein der Anzahl der jeweils versorgten Spulen entsprechender Anteil, wobei der Datenaustausch derart ausgeführt wird, dass die Primärteile (1) synchron betrieben werden, wobei mindestens zwei Sekundärteile (2), umfassend jeweils eine Gruppe von Permanentmagneten (3), vorgesehen sind, die seriell miteinander gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der induzierten Spannung der Strom durch mindestens eine Spule und die an der Spule anliegende Spannung direkt oder indirekt bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten für Strom und Spannung gemäß einem Maschinenmodell für den Motor, insbesondere unter Verwendung von die Maschine kennzeichnenden Parametern, die induzierte Spannung bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der induzierten Spannung die relative Lage und/oder Geschwindigkeit des Sekundärteils (2) zum Primärteil (1) bestimmt wird.
Anlage mit Synchronlinearmotor zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule des Primärteils (1) in einem stromlosen Zustand als Mittel zur Bestimmung der relativen Lage und/oder Geschwindigkeit des in den Wirkbereich der Spule eintretenden Magneten des Sekundärteils (2) zum Primärteil (1) vorgesehen sind und Mittel zur Synchronisierung des Wanderfeldes mit der relativen Bewegung des Primärteils (1) vorgesehen sind.
Anlage mit Synchronlinearmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung der von am Primärteil (1) vorbei bewegten Magneten induzierten Spannung vorgesehen sind.
Anlage mit Synchronlinearmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung der Spulenströme und an den Spulen anliegenden Spannung vorgesehen sind.
Anlage, umfassend mindestens ein von mindestens einem Synchronlinearmotor angetriebenes Fahrzeug, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens zwei Primärteile (1), umfassend eine Gruppe von Spulen, vorgesehen sind, die von Umrichtern (20) versorgt sind, wobei die Umrichter (20) zur Synchronisierung der Bewegung der Fahrzeuge zum Datenaustausch verbunden sind, wobei mittels Datenaustausch eine übergeordnete Drehmomentregelung realisierbar ist, wobei jedem Umrichter (20) ein gleichgroßer Anteil an Drehmoment zuordenbar ist oder ein der Anzahl der jeweils versorgten Spulen entsprechender Anteil, wobei der Datenaustausch derart ausgeführt ist, dass die Primärteile (1) synchron betreibbar sind, wobei mindestens zwei Sekundärteile (2), umfassend jeweils eine Gruppe von Permanentmagneten (3), vorgesehen sind, die seriell miteinander gekoppelt sind.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierung zur Verbesserung der Maschinenführung geeignet ausgeführt ist.
Anlage, umfassend mindestens ein von mindestens einem Synchronlinearmotor angetriebenes Fahrzeug, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die seriell miteinander gekoppelten, mindestens zwei Sekundärteile (2) eine geschlossene Anordnung, insbesondere ein Karussell, bilden.
Verfahren zum Betreiben einer Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderfelder einzelner Primärteile (1) durch zum Datenaustausch verbundene Umrichter (20) abgestimmt werden, eine übergeordnete Drehmomentregelung realisiert ist und jedem Umrichter (20) ein gleichgroßer Anteil an Drehmoment zugeordnet wird oder ein der Anzahl der jeweils versorgten Spulen entsprechender Anteil.