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EP0055703A1 - Elektrodynamischer antrieb - Google Patents

Elektrodynamischer antrieb

Info

Publication number
EP0055703A1
EP0055703A1 EP19800901396 EP80901396A EP0055703A1 EP 0055703 A1 EP0055703 A1 EP 0055703A1 EP 19800901396 EP19800901396 EP 19800901396 EP 80901396 A EP80901396 A EP 80901396A EP 0055703 A1 EP0055703 A1 EP 0055703A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plane
rotor device
electrodynamic drive
conductor tracks
drive according
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19800901396
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günther Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Publication of EP0055703A1 publication Critical patent/EP0055703A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom

Definitions

  • the invention relates to an electrodynamic drive for controlling movements of a rotor device from any coordinate point on a plane to any other.
  • the invention has for its object to avoid the aforementioned Nac parts of the known prior art and to create an electrodynamic drive, which is characterized above all by high control and adjustment speed and easy adaptability to the respective application.
  • each using a separate servomotor for example a disk motor, for movement in the X or Y direction an integral electrodynamic drive is provided in the design according to the invention.
  • the defined rest positions of the rotor device predetermined by the grid-like structure of the magnetic field, enable direct digital control of the arrangement. Since the rotor device itself no magnets or iron cores or mechanical components such as gears, wire guides or the like. needs to be carried, it can be easily built accordingly and accelerated very strongly with forces that can be generated by electrodynamic means.
  • the movement of the rotor device takes place on the basis of the electro-mechanical principle known per se, according to which a force acts on a current-carrying conductor in a magnetic field with a component perpendicular to the current direction, which force in turn is directed perpendicular to the current and the magnetic field component. Accordingly, the rotor device moves in a plane perpendicular to the magnetic field.
  • the direction of movement is determined by the longitudinal direction of the current paths and the orientation of the current or the magnetic field. The direction of movement of the rotor device can thus be controlled in particular by changing the direction of the current flowing through the conductor tracks.
  • the rotor device comprises two sets of mutually parallel sets of interconnects which are each parallel and not connected to one another. From the principle set out above, known as the so-called “three-finger rule", this means that movements are possible with both X and Y components, the force in the being due to the mutually parallel, series-connected conductor tracks respective direction is multiplied according to the number of conductor tracks.
  • the invention is preferably implemented in such a way that the center points of the raster areas of the magnetic field correspond to points of a Cartesian coordinate system, two magnetized raster areas that are adjacent along the coordinate axes each have the same and diagonally adjacent different magnetization devices, and one that is at least relatively equivalent to three times the width of the magnetized areas field-free area are separated and the rotor device comprises two mutually perpendicular groups of conductor paths, each group consisting of two subgroups of mutually parallel conductor paths that can be controlled individually by the control device, the conductor paths of each subgroup being connected in series and the conductor paths being arranged in such a way that one Conductor path of one subgroup follows one of the other and the distance between them corresponds to the width of a grid area.
  • the rotor device can be directed to any coordinate points of a Cartesian coordinate system by appropriately controlling the current flow in the individual conductor tracks.
  • the division of the conductor tracks in each coordinate direction into two sub-groups, of which the conductor tracks of a sub-group cross each other due to the selected arrangement of the grid areas, while the conductor tracks of the other sub-group run in the at least relatively field-free area, enables the rotor device, for example, by a current pulse to move one grid step in the X or Y direction.
  • the end positions achieved thereby represent equilibrium positions and are therefore clearly defined.
  • the movement in the original direction can be continued by a further step or reversed again. From this it can already be seen that the electrodynamic drive according to the invention results in a large number of application variants, in particular in connection with a computer control.
  • a plate-like arrangement of rod-shaped, cross-sectionally rectangular permanent magnets and interposed, soft iron pieces of the same shape is provided, that the magnetization direction of the magnets is perpendicular to their longitudinal direction in the plane of the plate, that the magnetization direction of adjacent magnets is opposite to each other, and that the longitudinal direction of the magnets above and below the rotor device is offset by 90 °.
  • a plurality of coils is arranged in a plane above and below the plane of the rotor device, the longitudinal axis of which is perpendicular to this plane, which are switched according to the winding sense or current direction so that the Signs of the direction of magnetization in one plane along the coordinate axes of adjacent coils are the same and diagonally adjacent coils are different and are the same as those above or below in the other plane, the coils of each level being spaced three times the width of the coils.
  • This arrangement If desired, it also enables the magnetic field, that is to say the current flowing through the coils, to be used for control purposes.
  • the rotor device consists of a plate of insulating material laminated on both sides with a printed circuit board, the conductor tracks in the printed circuit boards being formed by etching.
  • Such plates as they are already used with great success in a comparable form in the disc rotor motor, can be built extremely light with a weight of a few grams, so that according to Newton a very high acceleration is achieved from the available electrodynamic force.
  • the conductor tracks are preferably flat, so that very good heat radiation is achieved, which allows a very considerable, very short-term current load of up to 10 A. This is another reason for the high working speeds that can be achieved with the arrangement according to the invention. In principle, various more modern methods for producing so-called multi-layer plates for the runner device are conceivable.
  • the rotor device is mounted on slot ball bearings, which in turn are seated on slot ball bearings perpendicular to this.
  • Such bearings which are known per se in precision engineering, ensure extremely low friction with reliable, play-free guidance.
  • a digital control device with actual-target-value control is particularly advantageously provided.
  • the particular suitability of the drive according to the invention for digital controls has already been explained.
  • an actual-target-value comparison can be made via an electronic displacement transducer using a computer circuit take and thus achieve an exact positioning.
  • the actual value can be taken from the local change in the magnetic field.
  • Cross table was developed by means of two disc rotor motors, can be transferred to the drive according to the invention in an analogous manner.
  • the area of conceivable application is further expanded by the fact that the rotor device and the associated magnet devices are connected to a second rotor device, the plane of movement of the second rotor device being perpendicular to that of the first.
  • the electrodynamic drive according to the invention can be used particularly advantageously, for example, in typewriters.
  • the size and shape of the characters can be changed simply by corresponding reprogramming of the computer, the number of characters in a specific program being considerably larger than that in conventional mechanical typewriters, so that it would be conceivable to use such a type Typewriter, for example, to write Chinese characters.
  • a typewriter would also be particularly suitable as a so-called typewriter, ie entire parts of a letter could be easily stored and called up.
  • a large number of mechanical, fault-prone parts would be used in this new typewriter type are eliminated, but this machine would also work practically noiselessly.
  • the use of the drive according to the invention can also be very advantageous for magnetic recording and playback devices, since rotating parts can be dispensed with and flat data carriers can be used. Extremely short access times can be achieved with a high storage capacity. A very extraordinary high storage capacity is achieved especially when two drive systems according to the invention are arranged perpendicular to one another, so that the data carriers can be arranged three-dimensionally and called up in a very short time.
  • FIG. 1 to 3 are schematic representations of permanent magnet soft iron arrangements for demonstrating the formation of the grid-shaped magnetic field according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic representation of two plate-shaped permanent magnet soft iron arrangements according to the invention
  • FIG. 1 To explain the formation of the grid-shaped magnetic field according to the invention, the case is first shown in FIG. 1 that between two superimposed, cuboid-shaped soft iron pieces 1, 2 or 3, respectively, two likewise rectangular permanent magnets 5, 6 with a shorter side length than the soft iron pieces 1 , 2,3,4, on the top and bottom are arranged flush with these between them.
  • the permanent magnets 5, 6 are magnetized in the direction parallel to the shortest side edge and are arranged so that the magnetization directions of the upper and lower permanent magnets 5, 6 in FIG. 1 are opposite to each other. Together with the soft iron pieces 1, 2, 3, 4 there is a closed field line course from the south pole S of the upper permanent magnet 6 to the north pole N of the lower permanent magnet 5 and from its south pole S to the north pole N of the upper permanent magnet
  • FIGS. 2 and 3 which each represent the situation in the case of a rotation by 90 in a clockwise or counterclockwise direction, give rise to field-free regions 7, 8 corresponding to the width of the soft iron pieces 1, 2, 3, 4, and likewise field-free regions 9 corresponding to the width of the permanent magnets.
  • a piece of soft iron 14 is followed by a permanent magnet 13, the direction of magnetization of which lies in the plane of the plate 15, 16 to be built, this in turn is a piece of soft iron 14, then again a permanent magnet 13, the direction of magnetization of which is also in the direction of the plane of the plate, but that of the previous one Permanent magnet 13 is opposite, then again a piece of soft iron 14, etc.
  • the runner 18 is e.g. from a Pertinax or carbon fiber plate 18 'which is laminated on both sides with copper plates, the conductor tracks 19, 20, 21, 22 being etched out of these copper plates.
  • Each conductor track 19, 20, 21, 22 belongs to a meandering subgroup of
  • the conductor tracks 19, 20, 21, 22 form two subgroups, which consist of two superimposed on each other
  • the individual conductor tracks 19, 20 and 21, 22 of each subgroup run parallel to one another and only at the edge region of the rotor plate 18 'are adjacent conductor tracks 19, 20, 21, 22 that are the same Belong to subgroup, connected.
  • the insulating bridging of the intersecting ends of the individual conductor tracks 19, 20, 21, 22 of the different groups can be carried out in a manner known per se from the art of printed circuits.
  • the mutual distance d of the individual parallel conductor tracks 19 or 20 or 21 or 22 of each subgroup corresponds to twice the width b of the magnet or soft iron blocks 13, 14.
  • Both subgroups of the upper and lower conductor tracks 19, 20 and 21, 22 are each individually connected to a power supply device which can produce the "current" and "no current” state independently of one another in each of the two upper and lower conductor subgroups.
  • the sign of the current direction can be selected for the "Current" state.
  • This magnetic field is made up of individual areas 23, 24, 25, the edge length of which corresponds to the width b of the magnet or soft iron pieces 13 or 14.
  • each magnetized area 24, 25 is separated from the next by three field-free areas 23.
  • Adjacent magnetized areas 24 and 25 have the same sign of the direction of magnetization.
  • the rotor plate 18 ' which together with a writing device 26 attached to it, for example, which is only shown schematically in FIG.
  • the unfilled areas are relatively field-free areas 23; in the magnetic areas 24, 25 the direction of the magnetic field in FIG. 5 is indicated by dots or crosses as out of the plane of the drawing. illustrated in the drawing plane.
  • the direction of movement of the rotor device results in each case as the sum of the force effect in the X and Y directions, the direction of force, that is to say its sign, being determined in a coordinate direction from the three-finger rule, according to which at X, Y and Z are mutually perpendicular - Direction held thumb, index finger and middle finger, the thumb the direction of the magnetic field (Z direction), the index finger (X or Y direction) the direction of the current and the middle finger the direction of the force (X or Y direction ) indicates.
  • a movement is achieved by, for example, an area width b in the X or Y direction, the end position being defined and further movement beyond this end position being avoided by the current being then applied to the next parallel conductor track, for example 19
  • Subgroup would cover magnetic field areas 24 and 25, respectively, which have a different orientation than those which gave rise to the original movement, but which, according to the three-finger rule, directly results in a force which is opposite to the original force.
  • the conductor tracks for example 20, must be each other subgroup receive a current pulse in the opposite direction.
  • the two subgroups on each side of the plate therefore receive alternating current pulses for the movement along a coordinate axis, the direction of movement being determined by the current direction of these pulses.
  • the control can also be carried out in small steps as those corresponding to the grid.

Landscapes

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Description

"Elektrodynamischer Antrieb"
Die Erfindung richtet sich auf einen elektrodynamischen Antrieb zur Steuerung von Bewegungen einer Läufereinrichtung von einem beliebigen Koordinatenpunkt einer Ebene zu einem beliebigen anderen.
In sehr unterschiedlichen Bereichen der Forschung und Technik besteht das Problem, eine mit Beobachtungs-, Auf zeichnungs- und Schreibinstrumenten verbundene Läufereinrichtung in einer Ebene definiert zu bewegen. Es ist hier zu denken an Aufzeichnungsgeräte für zwei unterschiedliche Meßgrößen, die in Abhängigkeit voneinander aufgetragen werden sollen, sogenannte X-Y-Schreiber, an Magnetköpfe zum Ablesen von auf ebenen Informationsträgern gespeicherten Magnetdaten und an Beoabachtungseinrichtungen zur Verfolgung von Vorgängen an bestimmten Stellen der Beoabachtungsfläche kernwissenschaftlicher Blasenkammern. Bereits aus diesen wenigen, aus einer Vielzahl weiterer herausgegriffenen Anwendungsbeispielen wird die grundsätzliche Eedeutung eines derartigen Antriebs deutlich. Trotz der Verschiedenartigkeit der Anwendungsmöglichkeiten sind die Anforderungen an einen derartigen Antrieb im wesentlichen stets die gleichen. Im Vordergrund steht hierbei vor allem eine hohe Arbeitsge schwindigkeit, d.h. eine schnell arbeitende Steuerung und hohe Beschleunigungs- bzw. Bremswerte der Läufereinrichtung. Dabei sollen selbstverständlich die Kosten in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Aus beiden vorstehenden Notwendigkeiten ergibt sich, daß bei der Konstruktion des Antriebs weitgehend auf komplizierte mechanische Teile verzichtet werden soll.
Gerade der letzten Anforderung werden aber die vorbekannten Antriebseinrichtungen nicht gerecht. Darüber hinaus machen sie häufig eine aufwendige Leistungselektronik erforderlich Schließlich können die bekannten Antriebseinrichtungen nur durch Analogsignale gesteuert werden, was aber im Hinblick auf die in alle Bereiche der Technik immer stärker eingreifende Computer-Steuerung einen wesentlichen Mangel darstell
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nac teile des bekannten Stands der Technik zu vermeiden und ein elektrodynamischen Antrieb zu schaffen, der sich vor allem durch hohe Steuer- und Einstellgeschwindigkeit und leichte Anpassbarkeit an den jeweiligen Verwendungszweck auszeichnet.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß bei einem elektrodynamisehen Antrieb der eingangs genannten Art erreicht durch ein wenigstens zwei zueinander nicht parallele Leiterbahnen tra gende, in einem rasterartigen, Rasterbereiche mit unterschiedlichen Vorzeichen der Magnetisierungsrichtung aufweisenden Magnetfeld, in einer Ebene beweglich gelagerte Läufereinrichtung, wobei die Leiterbahnen von einer Steuereinrichtun mit Strom bzw. Stromimpulsen versorgt werden.
Im Gegensatz zu vorbekannten vergleichbaren Einrichtungen, die jeweils für die Bewegung in X- bzw. Y-Richtung einen se paraten Stellmotor, z.B. einen Scheibenläufermotor verwende ist bei der erfindungsgemäßen Konzeption ein integraler elektrodynamischer Antrieb vorgesehen. Die durch den rasterartigen Aufbau des Magnetfelds vorgegebenen definierten Ruhepositionen der Läufereinrichtung ermöglichen eine unmittelbare digitale Steuerung der Anordnung. Da die Läufereinrichtung selbst keine Magneten oder Eisenkerne oder mechanischen Bauteile wie Zahnräder, Drahtführungen od.dgl. zu tragen braucht, kann sie entsprechend leicht gebaut werden und mit auf elektrodynamischem Wege erzeugbaren Kräften sehr stark beschleunigt werden. Die Bewegung der Läufereinrichtung erfolgt aufgrund des an sich bekannten elektomo torischen Prinzips, wonach auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld mit einer Komponente senkrecht zur Stromrichtung eine Kraft wirkt, die ihrerseits senk recht zu Strom und Magnetfeldkomponente gerichtet ist. Demnach bewegt sich also die Läufereinrichtung in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld. Die Bewegungsrichtung wird bestimmt durch die Längsrichtung der Strombahnen und die Orientierung des Stroms bzw. des Magnetfelds. Insbesondere durch Änderung der Richtung des die Leiterbahnen durchfließenden Stroms läßt sich somit die Bewegungsrichtung der Läufereinrichtung steuern.
Mit besonderem Vorteil ist vorgesehen, daß die Läufereinrichtung zwei zueinander nicht parallele Sätze aus zueinander jeweils parallelen, in Reihe geschalteten Leiterbahnen umfaßt. Hieraus ergibt sich nach dem oben dargelegten Prinzip, das als sogenannte "Drei-Finger-Regel" bekannt ist, daß Bewegungen sowohl mit X- als mit Y-Komponente möglich sind, wobei durch die zueinander parallelen, in Reihe geschalteten Leiterbahnen die Kraft in der jeweiligen Richtung entsprechend der Zahl der Leiterbahnen vervielfacht wird. Vorzugsweise wird die Erfindung so verwirklicht, daß die Mittelpunkte der Rasterbereiche des Magnetfelds Punkten eines kartesischen Koordinatensystems entsprechen, zwei längs der Koordinatenachsen jeweils benachbarte, magnetisierte Rasterbereiche gleiche und diagonal benachbarte unterschiedliche Magnetisierungseinrichtungen aufweisen und durch einen der dreifachen Breite der magnetisierten Bereiche etwa entsprechenden, zumindest relativ feldfreien Bereich getrennt sind und die Läufereinrichtung zwei zueinander senkrechte Gruppen von Leiterstrecken umfaßt, wobei jede Gruppe aus zwei Untergruppen zueinander paralleler, durch die Steuereinrichtung einzeln ansteuerbarer Leiterstrecken besteht, wobei die Leiterstrecken jeder Untergruppe in Reihe geschaltet und die Leiterstrecken so angeordnet sind, daß auf eine Leiterstrecke der einen Untergruppe jeweils eine solche der anderen folgt und deren gegenseitiger Abstand der Breite eines Rasterbereichs entspricht.
Mit dieser Anordnung kann die Läufereinrichtung durch entsprechende Steuerung des Stromflusses in den einzelnen Leiterbahnen an beliebige Koordinatenpunkte eines kartesischen Koordinatensystems dirigiert werden. Die Aufteilung der Leiterbahnen jeder Koordinatenrichtung in jeweils zwei Untergruppen, von denen jeweils die Leiterbahnen einer Untergruppe aufgrund der gewählten Anordnung der Rasterbereiche diese kreuzen, während die Leiterbahnen der anderen Untergruppe im zumindest relativ feldfreien Bereich verlaufen, ermöglicht es, durch jeweils einen Stromimpuls die Läufereinrichtung z.B. um einen Rasterschritt in X- bzw. Y-Richtung zu bewegen. Dabei stellen die dadurch erreichten Endpositionen Gleichgewichtslagen dar und sind somit eindeutig definiert. Durch einen weiteren Stromstoß kann je nach dessen Polung die Bewegung in der ursprünglichen Richtung um einen weiteren Schritt fortgesetzt oder wieder rückgängig gemacht werden. Hieraus ist bereits ersichtlich, daß sich mit dem erfindungsgemäßen elektrodynamischen Antrieb eine Vielzahl von AnwendungsVarianten, insbesondere in Verbindung mit einer Computer-Steuerung, ergeben.
Zur Erzeugung eines rasterartigen Magnetfelds kann vorgesehen sein, daß oberhalb und unterhalb der Ebene der Läufer einrichtung eine plattenartige Anordnung von stabförmigen, querschnittlich rechteckigen Dauermagneten und jeweils dazwischenliegenden, formgleichen Weicheisenstücken vorgesehen ist, daß die Magnetisierungsrichtung der Magneten senkrecht zu deren Längsrichtung in der Plattenebene liegt, daß die Magnetisierungsrichtung benachbarter Magneten einander entgegengesetzt ist, und daß die Längsrichtung der Magneten oberhalb und unterhalb der Laufereinrichtung um 90° gegeneinander versetzt ist. Durch Überlagerung der Einzelmagnetfelder der derart zusammengefügten Magneten entsteht im Be- reich zwischen den beiden plattenartigen Anordnungen ein rasterartiges Magnetfeld im Sinne der Erfindung, wobei hierdurch hohe Felddichten erreicht werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines derartigen Feldes besteht darin, daß in einer Ebene oberhalb und unterhalb der Ebene der Läufereinrichtung eine Vielzahl von Spulen angeordnet ist, deren Längsachse jeweils senkrecht zu dieser Ebene liegt, die nach Wicklungssinn bzw. Stromrichtung so geschaltet sind, daß die Vorzeichen der Magnetisierungsrichtung jeweils in einer Ebene längs der Koordinatenachsen benachbarter Spulen gleich und diagonal benachbarter Spulen unterschiedlich und die der in der jeweils anderen Ebene darunter- bzw. darüberliegenden gleich sind, sobei die Spulen jeder Ebene voneinander um jeweils die dreifache Spulenbreite beabstandet sind. Diese Anordnung ermöglicht es, falls dies gewünscht werden sollte, auch das Magnetfeld, d.h. also den die Spulen durchfließenden Strom, zu Steuerzwecken heranzuziehen.
Vorteilhafterweise besteht die Laufereinrichtung aus einer beidseitig mit einer Leiterplatte kaschierten Platte aus Isoliermaterial, wobei die Leiterbahnen in den Leiterplatten durch Ätzen ausgebildet sind. Derartige Platten, wie sie in vergleichbarer Form bereits beim Scheibenläufermotor mit großem Erfolg Verwendung finden, können mit einem Gewicht von wenigen Gramm äußerst leicht gebaut sein, so daß nach Newton aus der zur Verfügung stehenden elektrodynamischen Kraft eine sehr hohe Beschleunigung erreicht wird. Die Leiterbahnen sind vorzugsweise flach ausgebildet, so daß eine sehr gute Wärmeabstrahlung erreicht wird, die eine ganz erhebliche, sehr kurzzeitige Strombelastung von bis zu 10 A zuläßt. Hierin liegt ein weiterer Grund für die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erreichbaren hohen Arbeitsgeschwindigkeiten. Grundsätzlich sind verschiedene modernere Verfahren zur Herstellung von sogenannten Multi-Layer-Platten für die Laufereinrichtung denkbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Laufereinrichtung auf Schlitzkugellagern gelagert ist, die ihrerseits wieder auf hierzu senkrechten Schlitzkugellagern aufsitzen. Derartige in der Feinmechanik an sich bekannte Lager gewährleisten eine äußerst geringe Reibung bei zuverlässiger, spielfreier Führung.
Mit besonderem Vorteil ist zur Steuerung der Läufereinrichtung eine digitale Steuereinrichtung mit Ist-Soll-Wert-Kontrolle vorgesehen. Die besondere Eignung des erfindungsgemäßen Antriebs für digitale Steuerungen wurde bereits dargelegt. Somit läßt sich über einen elektronischen Wegaufnehmer durch eine Rechnerschaltung ein Ist-Soll-Wert-Vergleich vor nehmen und somit eine exakte Positionierung erzielen. Dabei kann z.B. der Ist-Wert aus der lokalen Veränderung des Magnetfelds entnommen werden.
Aus den verschiedenen, dem Fachmann geläufigen Methoden zur digitalen Steuerung von Bewegungsvorgängaa eignet sich z.B. besonders zur Steuerung der Läufereinrichtung ein digitales Positionierungssystem nach Commischau und Hangarter. Dieses System (vgl. "Elektronik" (Franzis-Verlag), Heft 4/70, S. 5), das ursprünglich zur Positionierung eines
Kreuztisches mittels zweier Scheibenläufermotoren entwickelt wurde, läßt sich in analoger Weise auf den erfindungsgemäßen Antrieb übertragen.
Der Bereich der denkbaren Anwendung wird noch zusätzlich dadurch erweitert, daß die Laufereinrichtung und die zugehörigen Magneteinrichtungen mit einer zweiten Läufereinrichtung verbunden sind, wobei die Bewegungsebene der zweiten Läufereinrichtung senkrecht zu der der ersten liegt.
Der erfindungsgemäße elektrodynamische Antrieb läßt sich besonders vorteilhaft z.B. in Schreibmaschinen verwenden. Bei einer computergesteuerten erfindungsgemäßen Läufereinrichtung können nämlich Größe und Form der Schriftzeichen einfach durch entsprechende Umprogrammierung des Computers geändert werden, wobei die Zahl der Schriftzeichen eines bestimmten Programms erheblich größer sein könnte, als diejenige bei konventionellen mechanischen Schreibmaschinen, so daß es denkbar wäre, mit einer derartigen Schreibmaschine z.B. auch chinesische Schriftzeichen zu schreiben. Darüber hinaus würde sich eine derartige Schreibmaschine besonders auch als sogenannter Schreibautomat eignen, d.h. es könnten problemlos ganze Briefteile gespeichert und abgerufen werden. Weiterhin würde eine Vielzahl mechanischer, störungsanfälliger Teile bei diesem neuen Schreibmaschinen typ entfallen, wobei diese Maschine darüber hinaus praktisch geräuschlos arbeiten würde.
Andererseits kann die Anwendung des erfindungsgemäßen Antriebs auch für Magnetaufzeichnungs- und Wiedergabegeräte sehr vorteilhaft sein, da auf rotierende Teile verzichtet werden kann und ebene Datenträger Verwendung finden können. Es können hierbei außerordentlich kurze Zugriffszeiten erzielt werden bei hoher Speicherkapazität. Eine ganz außerordentliche hohe Speicherkapazität wird speziell dann erreicht, wenn zwei erfindungsgemäße Antriebssysteme senkrecht zueinander angeordnet werden, so daß die Datenträger dreidimensional angeordnet und in kürzester Zeit abgerufen werden können.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Antriebs für Schreiber, sogenannte Plotter, kann bei der Benutzung von digitalen Meßinstrumenten auf die Verwendung von Digital-Analog-Wandler verzichtet werden, so daß die sich dabei ergebenden Probleme entfallen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 bis 3 Schematische Darstellungen von Permanentmagnet- Weicheisenanordnungen zur Veranschaüichung der Entstehung des erfindungsgemäßen rasterfδrmigen Magnetfelds, Fig. 4 eine schematische Darstellung zweier erfindungsgemäßer plattenförmiger Permanentmagnet-Weicheisenanordnungen, Fig. 5 eine Schematische Darstellung verschiedener Positionen der Läufereinrichtung relativ zum rasterfδrmigen Magnetfeld. Zur Erläuterung der Entstehung des erfindungsgemäßen raster förmigen Magnetfelds ist in Fig. 1 zunächst der Fall dargestellt, daß zwischen je zwei übereinanderliegenden, quader förmigen Weicheisenstücken 1,2 bzw. 3,4 zwei ebenfalls quaderförmige Permanentmagnete 5,6 mit geringerer Seitenlänge als die Weicheisenstücke 1,2,3,4, an der Ober- und Unterseite bündig mit diesen schließend zwischen diesen angeordnet sind. Die Permanentmagneten 5, 6 sind in Richtung parallel zur kürzesten Seitenkante magnetisiert und so ange ordnet, daß die Magnetisierungsrichtungen des in Fig. 1 oberen und unteren Permanentmagneten 5 , 6 zueinander entgegengesetzt sind. Zusammen mit den Weicheisenstücken 1,2,3,4 entsteht ein geschlossener Feldlinienverlauf vom Südpol S des oberen Permanentmagneten 6 zum Nordpol N des unteren Permanentmagneten 5 und von dessen Südpol S wiederum zum Nordpol N des oberen Permanentmagneten 6.
Werden nun die beiden oberen Weicheisenstücke 3,4 zusammen mit dem zwischen diesen liegenden oberen Permanentmagneten 6 um 90 gedreht, kommen Feldbereiche mit entgegengesetzt orientierten Magnetfeldlinien unmittelbar übereinander zu liegen, d.h. das resultierende Feld wird praktisch 0. Wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, die jeweils die Situation bei einer Drehung um 90 im oder gegen den Uhrzeigersinn darstellen, entstehen etwa der Breite der Weicheisenstücke 1,2,3,4 entsprechende feldfreie Bereiche 7,8, die von etwa der Breite der Permanentmagneten entsprechenden, ebenfalls feldfreien Bereichen 9,10 von Bereichen 11,12 der Weicheisenstücke 1,2,3,4 getrennt sind, wo diese etwa senkrecht zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung der Permanentmagneten 5,6 in Richtung der darüber- bzw. darunterliegenden anderen beiden Weicheisenstücke 1,2 bzw. 3,4 magnetisiert sind, wobei die beiden hierbei entstehenden, einander diagonal gegenüberliegenden magnetisierten Bereiche 11,12 entgegengesetzt parallel magnetisiert sind. Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Denkmodell wird es verständlich, daß ein rasterfδrmiges Magnetfeld entsteht, wenn zwei aus quaderförmigen Permanentmagneten 13 und Weicheisenteilen 14 bestehende plattenförmige Anordnungen 15,16 mit ihrer Längsachse um 90° gegeneinander verdreht übereinander angeordnet werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei folgt auf ein Weicheisenstück 14 ein Permanentmagnet 13, dessen Magnetisierungsrichtung in der Ebene der aufzubauenden Platte 15,16 liegt, auf diesen wiederum ein Weicheisenstück 14, dann wieder ein Permanentmagnet 13, dessen Magnetisierungsrichtung ebenfalls in der Richtung der Plattenebene liegt, aber derjenigen des vorhergehenden Permanentmagneten 13 entgegengesetzt ist, dann wiederum ein Weicheisenstück 14 usw.
Zwischen den beiden Magnet-Weicheisenplatten 15,16 verbleibt ein Spalt 17, der gerade so dimensioniert wird, daß eine freie und ungehinderte Bewegung der Läufereinrichtung 18, die auf in der Zeichnung im einzelnen nicht dargestellten Lagern leicht in einer Ebene X-Y-beweglich gelagert ist, ermöglicht wird. Die Läufereinrichtung 18 besteht z.B. aus einer Pertinax- oder Karbonfaser-Platte 18', die beidseitig mit Kupferplatten kaschiert ist, wobei aus diesen Kupferplatten die Leiterbahnen 19,20,21,22 ausgeätzt sind. Jede Leiterbahn 19,20,21,22 gehört einer mäanderförmigen Untergruppe von
Leiterbahnen 19 bzw. 20 bzw. 21 bzw. 22 an. Die Leiterbahnen 19,20 bzw. 21,22 auf der Ober- bzw. Unterseite der Läuferplatte 18' verlaufen zueinander senkrecht. Auf jeder Läuferplattenseite bilden die Leiterbahnen 19,20,21,22 zwei Untergruppen, die aus zwei übereinander angeordneten, um die
Hälfte des gegenseitigen Leiterbahnenabstands gegeneinander verschobenen Mäanderanordnungen bestehen. Die einzelnen Leiterbahnen 19,20 bzw. 21,22 jeder Untergruppe laufen zueinander parallel und nur am Randbereich der Läuferplatte 18' sind jeweils benachbarte Leiterbahnen 19,20,21,22, die der gleichen Untergruppe angehören, verbunden. Die isolierende Überbrük kung der sich kreuzenden Enden der einzelnen Leiterbahnen 19,20,21,22 der verschiedenen Gruppen, die in der Zeichnung im einzelnen nicht dargestellt ist, kann in aus der Technik der gedruckten Schaltungen an sich bekannter Weise erfolgen. Der gegenseitige Abstand d der einzelnen parallelen Leiterbahnen 19 bzw. 20 bzw. 21 bzw. 22 jeder Untergruppe entspricht der doppelten Breite b der Magnet- bzw. Weicheisenquader 13,14. Beide Untergruppen der oberen und unteren Lei terbahnen 19,20 bzw. 21,22 sind jeweils für sich mit einer Stromversorgungseinrichtung verbunden, die in jeder der beiden oberen und unteren Leiteruntergruppe unabhängig voneinander den Zustand "Strom" und "kein Strom" herstellen kann. Für den Zustand "Strom" ist das Vorzeichen der Stromrichtung wählbar.
Die übereinander um 90° gegeneinander verdreht angeordneten Weicheisen-Magnet-Platten 15,16 erzeugen im Spalt 17 zwischen denselben ein rasterförmiges Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist aufgebaut aus einzelnen Bereichen 23,24,25, deren Kantenlänge der Breite b der Magnet- bzw. Weicheisenstücke 13 bzw. 14 entspricht. In Richtung der X- bzw. Y-Koordinate ist jeder magnetisierte Bereich 24,25 vom nächsten durch drei feldfreie Bereiche 23 getrennt. Einander benachbarte magnetisierte Bereiche 24 bzw. 25 weisen gleiches Vorzeichen der Magnetisierungsrichtung auf. In Ausgangsposition liegt die Läuferplatte 18', die zusammen mit einer daran beispielsweise befestigten Schreibeinrichtung 26, die in Fig. 5 nur schematisch dargestellt ist, die Läufereinrichtung 18 bildet, so, daß die Leiterbahnen 19,20 bzw. 21,22 der oberen bzw. unteren Untergruppen in die durch die Kanten der Magnet-Weicheisenplatten 15,16 vorgegebene X- bzw. Y-Richtung liegen. Die Kreuzungspunkte 27 der oberen bzw. unteren Strombahnen 19,20 bzw. 21,22 liegen dabei jeweils in der Mitte der Bereiche 23,24,25. In Fig. 5 a - f ist veranschaulicht, wie durch eine Folge von Stromimpulsen auf jeweils eine bestimmte Untergruppe von Leiterbahnen 19,20,21,22 eine gewünschte zweidimensionale Bewegung der Läufereinrichtung 18 erreicht werden kann. Der Stromzustand der einzelnen Leiterbahnengruppen ist durch Pfeile P dargestellt, wobei das Vorhandensein eines Pfeils P bedeutet, daß diese Leitergruppe von einem Stromimpuls beaufschlagt ist und die Pfeilrichtung die Richtung des jeweiligen Stromimpulses angibt. Die nicht ausgefüllten Bereiche sind relativ feldfreie Bereiche 23, bei den magnetischen Bereichen 24,25 ist die Richtung des Magnetfelds in Fig. 5 durch Punkte bzw. Kreuze als aus der Zeichenebene herausbzw. in die Zeichenebene hineingehend veranschaulicht. Die Bewegungsrichtung der Läufereinrichtung ergibt sich jeweils als Summe der Kraftwirkung in X- und Y-Richtung, wobei sich die Kraftrichtung, d.h. also deren Vorzeichen, in einer Koordinatenrichtung aus der Dreifingerregel bestimmt, wonach bei zueinander jeweils senkrecht in X-, Y- und Z-Richtung gehaltenen Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger der Daumen die Richtung des Magnetfelds (Z-Richtung), der Zeigefinger (X- bzw. Y-Richtung) die Richtung des Stroms und der Mittelfinger die Richtung der Kraft (X- bzw. Y-Richtuhg) angibt.
Durch jeden Stromimpuls wird eine Fortbewegung um z.B. eine Bereichsbreite b in X- bzw. Y-Richtung erzielt, wobei die Endposition definiert ist und eine Weiterbewegung über diese Endposition hinaus dadurch vermieden wird, daß dann die nächste parallele Leiterbahn, z.B. 19, der selben strombeaufschlagten Untergruppe Magnetfeldbereiche 24 bzw. 25 überdecken würde, die eine andere Orientierung aufweisen als diejenigen, die zur ursprünglichen Bewegung Anlaß gaben, was aber nach der Dreifingerregel unmittelbar eine der ursprünglichen Kraft entgegengesetzt gerichtete Kraft zur Folge hat. Zur Fortsetzung der Bewegung in die gleiche Richtung um einen weiteren Schritt müssen die Leiterbahnen, z.B. 20, der jeweils anderen Untergruppe einen Stromimpuls in die entgegengesetzte Richtung erhalten. Die beiden Untergruppen jeder Plattenseite erhalten also für die Bewegung längs einer Koordinatenachse abwechselnd Stromimpulse, wobei durch die Stromrichtung dieser Impulse die Bewegungsrichtung bestimmt wird. Die Steuerung kann aber auch in kleinen Schritten als die dem Raster entsprechenden vorgenommen werden.
Grundsätzlich ist es für bestimmte Anwendungszwecke auch vor- stellbar, verschiedene Läufereinrichtungen parallel übereinander anzuordnen.
Schließlich ist es auch vorstellbar, als Läufereinrichtung nicht eine starre Scheibe, sondern ein flexibles Band od.dgl. zu verwenden.

Claims

Patentansprüche:
1. Elektrodynamischer Antrieb zur Steuerung von Bewegungen einer Läufereinrichtung von einem beliebigen Koordina tenpunkt einer Ebene zu einem beliebigen anderen, gekennzeichnet durch eine wenigstens zwei zueinander nicht parallele Leiterbahnen (19,20 bzw. 21,22) tragende, in einem rasterartigen, Rasterbereiche (24,25) mit unterschiedlichem Vorzeichen der Magnetisierungsrichtung aufweisenden Magnetfeld in einer Ebene beweglich gelagerte Läufereinrichtung (18), wobei die Leiterbahnen (19, 20,21,22) von einer Steuereinrichtung mit Strom bzw. Stromimpulsen versorgt werden.
2. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufereinrichtung (18) zwei zueinander nicht parallele Gruppen aus zueinander jeweils parallelen, in Reihe geschalteten Leiterbahnen (19,20 bzw. 21,22) umfaßt.
3. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte M der Rasterbereiche (24,25) den Punkten eines kartesischen Koordinatensystems entsprechen, zwei längs der Koordina tenachsen X,Y jeweils benachbarte, magnetisierte Rasterbereiche (24,25) gleiche und diagonal benachbarte Bereiche (24,25) unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweisen und durch einen etwa der dreifachen Breite b der magnetisierten Bereiche (24,25) entsprechenden, zu mindest relativ feldfreien Bereich (23) getrennt sind und die Laufereinrichtung (18) zwei zueinander senkrechte Gruppen von Leiterbahnen (19,20,21,22) umfaßt, wobei jede Gruppe aus zwei Untergruppen zueinander paralleler, durch die Steuereinrichtung einzeln ansteuerbarer Leiter bahnen (19,20 bzw. 21,22) besteht, wobei die Leiter bahnen (19,20,21,22) jeder Untergruppe in Reihe geschaltet und die Leiterbahnen (19,20,21,22) so angeordnet sind, daß auf eine Leiterbahn (19,20) der einen Untergruppe jeweils eine solche (21,22) der anderen folgt und deren gegenseitiger Abstand der Breite b eines Rasterbereichs (23,24,25) entspricht.
4. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeiohnet, daß oberhalb und unterhalb der Ebene der Läufereinrichtung (18) eine Plattenanordnung (15, 16) von stabförmigen, querschnittlich rechteckigen Dauermagneten (13) und jeweils dazwischenliegenden, formgleichen Weicheisen-Stücken (14) vorgesehen ist, daß die Magnetisierungsrichtung der Magneten (13) senk recht zu deren Längsrichtung in der Plattenebene liegt, daß die Magnetisierungsrichtung benachbarter Magneten einander entgegengesetzt ist, und daß die Längsrichtung der Magneten (13) oberhalb und unterhalb der Laufereinrichtung (18) um 90° gegeneinander versetzt ist.
5. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene oberhalb und unterhalb der Ebene der Läufereinrichtung (18) eine Vielzahl von Spulen angeordnet ist, deren Längsachse jeweils senkrecht zu dieser Ebene liegt, die nach Wicklungssinn bzw. Stromrichtung so geschaltet sind, daß die Vorzeichen der Magnetisierungsrichtung jeweils in einer Ebene längs der Koordinatenachsen X,Y benachbarter Spulen gleich und diagonal benachbarter Spulen unter schiedlich, und die der in der jeweils anderen Ebene darunter- bzw. darüberliegenden gleich sind, wobei die Spulen jeder Ebene voneinander um jeweils die dreifache Spulenbreite beabstandet sind.
6. Elektrodynamischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufereinrichtung (18) aus einer beidseitig mit einer Leiterplatte kaschierten Platte (18') aus Isoliermaterial be steht, wobei die Leiterbahnen (19,20,21,22) in den Leiterplatten durch Ätzen ausgebildet sind.
7. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufereinrichtung (18) auf Schlitzkugellagern gelagert ist, die ihrerseits wieder auf hierzu senkrechten Schlitzkugellagern aufsitzen.
8. Elektrodynamischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Laufereinrichtung (18) eine digitale Steuereinrichtung mit Ist-Soll-Wert-Kontrolle vorgesehen ist.
9. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Läufereinrichtung (18) ein programmierbares digitales Positionierungssystem nach Commischau und Hangarter vorgesehen ist.
10. Elektrodynamischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufsrsinrich tung (18) und die zugehörigen Magneteinrichtungen mit einer zweiten Läufereinrichtung verbunden sind, wobei die Bewegungsebene der zweiten Läufereinrichtung senkrecht zu der der ersten liegt.
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