DE19530341A1 - Elektrodynamischer Zweikoordinatenantrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Zweikoordinatenantrieb zur Erzeu­ gung von Schubkräften in zwei Richtungen.

Es ist ein elektrodynamischer Antrieb bekannt, bei dem eine Leiterplatte mit kreuzförmigen Leiterzügen zwischen zwei strukturierten magnetischen Platten bewegt wird (Offenlegungsschrift DE 29 01 287). Der Bewegungsbereich bei dieser Anordnung ist durch den vorliegenden Aufbau begrenzt. Die nutzbare Bewegung ist nur außerhalb der Statorplatten abgreifbar. Zur Übertragung von elektrischer Energie zum Läufer wird ein Kabel benötigt. Weiterhin bekannt ist ein elektrody­ namischer Flächenantrieb bei dem vier quaderförmige Magnete in Kreuzform als Läufer angeordnet sind. Der Stator besteht aus einer Leiterplatte auf dem räumlich übereinander gekreuzte Leiterzüge liegen (Robotics, Mechatronics and Manufacturing Systems, T. Takamori and K. Tsuchiya (Editors), Elsevier Science Publishers B.V. (North-Holland), 1993 IMACS). Die Lagerung des Läufers erfolgt durch die Gegenkräfte der Läufermagneten über einem Hochtemperatur-Supraleiter. Bei dieser Lösung werden große Bereiche mit Strom beaufschlagt, die nicht zur Krafterzeugung beitragen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine gerichtete Antriebs­ bewegung in mehr als einer Koordinate zu erzeugen, wobei der Läufer berührungslos durch Kraftfelder geführt und bewegt wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der Bewegungsbereich durch die Anordnung der Spulen nicht beschränkt wird und daß der mit Strom beaufschlagte Bereich begrenzt bleibt. Zwischen Läufer und Stator ist keine Verbindung zur Übertragung elektrischer Energie notwendig.

Ein erfindungsgemäßer Aufbau (Fig. 1) besteht aus einem festen Stator 2 und einem beweglichen Läufer 1. Der Stator 2 ist in quadratische Spulenelemente 3 untergliedert, die seperat ansteuerbar sind. Die Spule ist vorzugsweise so gewickelt, daß der Spulenleiter die Form einer quadratischen Spirale annimmt und das Verhältnis Kern- zu Außenbreite der Spule ca. 1 : 3 beträgt (Fig. 2). Die Statorplatte 2 kann vorzugsweise aus einer doppelseitig beschichteten Leiterplatte bestehen (Fig. 3), die durch Ätzen strukturiert wird. Die Spule 3 ist auf der dem Läufer 1 zugewandten Seite angeordnet, die elektrische Zuleitung auf der entgegengesetzten Seite. Die Anbindung der Leiterzüge 5 von Spule und Zuleitung (Fig. 3) erfolgt mittels Durchkontaktierung 6. Zur Vermeidung von elektromagnetischen Störeinflüssen durch die Ströme in den Zuleitungen, insbesondere in der Masseleitung, ist die Dicke der Leiterplatte 7 ausreichend groß zu bemessen. Zur vereinfachten Darstellung wird die Spule 3 mit einem Symbol (Fig. 4) gekennzeichnet. Durch die bipolare Ansteuermöglichkeit der Spule ist ein Stromfluß in beide Richtungen möglich (Fig. 5).

Jeweils vier Spulenelemente werden zu einem quadratischem Modul verknüpft (Fig. 6). Die äußern Anschlüsse der Spulen werden zu einem Masseanschluß 8 zusammengefaßt. Beim Anlegen gleicher Spannung an den Spulenanschlüssen 9, 10, 11, 12 ergibt sich ein gleichsinniger Stromfluß (Fig. 7). Beim Anlegen einer negativen Spannung, z. B. an Spulenanschluß 9, ergibt sich der in Fig. 8 gezeigte Stromfluß. Eine beliebige Anzahl dieser Antriebsmodule in matrixförmiger Anordnung bilden den in x-y-Richtung ausgedehnten Stator. In Fig. 9 ist eine erfindungsgemäße Ausführung mit 25 Modulen bzw. 100 Spulenelementen dargestellt. Der Aufbau ist durch eine entsprechend geätzte doppelseitig beschichtete Leiterplatte verwirklicht. Die Zuleitungen zu den Spulenelementen befinden sich auf der Rückseite der Leiterplatte.

Eine erfindungsgemäße Ausführung des Läufers 1 besteht aus 16 Hochenergiedauermagneten 4 und einer kreuzförmigen Platte die vorzugsweise aus ferromagnetischem Material besteht und als magnetischer Rückschluß dient. Die Ausrichtung der Magnete erfolgt so, daß ein räumlich begrenztes magnetisches Feld senkrecht zu den Leiterzügen der Spule entsteht. Die Größe eines Einzelmagneten 4 ist an die Abmessung eines Spulenelementes 3 gebunden. Die Länge beträgt das Doppelte und die Breite ein Drittel der Breite eines Spulenelementes, d. h. die Seiten verhalten sich wie 6 : 1. Jeweils vier Magnete sind längs mit einem Abstand von zwei Drittel der Spulenbreite nebeneinander angeordnet. Die Polarität der jeweils benachbarten Magneten ist dabei umgekehrt. Die Gruppen aus vier Magneten werden kreuzförmig im Winkel von 90° angeordnet, so daß gegenüberliegende Magnete die gleiche Polarität besitzen.

Die Lagerung des Läufers hat möglichst ohne Reibung zu erfolgen. Geeignet sind Luftlager, reibarme Kugellager oder Konstruktionen zur Aufhängung des Läufers. Möglich wäre auch die Lagerung durch die abstoßenden Kräfte der Läufermagnete über einem Supraleiter.

Bei Bestromung der Spulenelemente 3 entsteht zwischen dem Magneten 4 und den darunter befindlichen bestromten Leiterzügen eine elektrodynamische Kraft (Lorentzkraft). Dabei erzeugen die bestromten Leiterabschnitte der Spulenelemente, die parallel zur Längsachse unter dem Magneten liegen, die gewünschte Antriebskraft (Fig. 10). Die Kraftanteile aus den quer zur Magnetlängsachse liegenden Leiterabschnitten haben entgegengesetzte Richtungen und heben sich somit auf.

Ein Magnet befindet sich in Ruhelage, wenn er sich nicht über einem parallel zur Längsachse angeordneten bestromten Leiterzug befindet, also genau dann, wenn der Magnet über dem Kern der Spule steht. Der Magnet wird ausgelenkt, wenn er sich über parallel zur Längsachse stehenden Leiterzügen befindet.

Durch die kreuzförmige Anordnung der Magnete ist es möglich, die Bewegungen in x- und in y-Richtung getrennt anzusteuern. Wird nur eine Richtung angesteuert, übernimmt der jeweils andere Antrieb die Führung des Läufers.

Bei entsprechender Ansteuerung der Antriebsspulen eines erfindungsgemäßen Aufbaus erhält man beispielsweise den in den Fig. 9-13 gezeigten kontinuierlichen Bewegungsablauf.

Claims (2)

1. Elektrodynamischer Zweikoordinatenantrieb zur Steuerung von Bewegungen einer Läufer­ einrichtung in der Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Stator planare Spulen matrixförmig nebeneinander angeordnet sind, daß die Spulen, deren Leiterzüge die Form einer quadratischen Spirale haben, einzeln oder segmentweise ansteuerbar sind, daß sich über dem Stator ein in der Ebene beweglicher Läufer befindet, auf dem kreuzförmig Hochenergiedauermagnete, mit einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zum Stator, angeordnet sind, wobei die Größe des Stators sowie die Anzahl der Spulen nach der Größe des gewünschten Bewegungsbereiches des Läufers bemessen wird, daß der Läufer aus einer ferromagnetischen Platte und Hochenergiedauermagneten besteht, wobei vier Gruppen von Hochenergiedauermagneten kreuzförmig angeordnet sind, daß die Magnete mindestens die zweifache Länge und ca. ein Drittel der Breite einer Spule besitzen und im Abstand von zwei Drittel der Spulenbreite mit wechselnder Polarität gruppiert sind, wobei die Gruppen von Magneten so angeordnet werden, daß gegenüberliegende Magnete die gleiche Polarität aufweisen.

2. Elektrodynamischer Zweikoordinatenantrieb nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier quadratische, planare, spiralförmige Erregerspulen zu einem quadratischen Modul zusammengefaßt werden, wobei alle vier Spulen in der Mitte des Moduls eine gemeinsame Masseleitung besitzen.