DE102006055663B4 - Linear positioning drive and a method for operating such - Google Patents
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Abstract
Linearer Positionierantrieb, umfassend zwei Linearantriebe,wobei jeder der Linearantriebe jeweils einen ersten Teil umfasst, der verschiebbar entlang eines zweiten Teiles angeordnet ist,wobei der jeweilige erste Teil eine jeweilige drehbar gelagerte Scheibe umfasst, an der jeweilige Dauermagnete (2) vorgesehen sind,wobei der zweite Teil derart zum jeweiligen ersten Teil angeordnet und derart ausgeformt ist, dass ein jeweiliger Teilbereich der jeweiligen Scheibe (3) während einer Umdrehung der jeweiligen Scheibe (3) einen veränderlichen Abstand zum ersten Teil aufweist,wobei die jeweilige Scheibe (3) mittels eines jeweiligen Elektromotors in Drehbewegung versetzbar ist,wobei das zweite Teil eine als Strangguss hergestellte Schiene (1) ist,wobei das zweite Teil eine Nut in Schienenrichtung aufweist, in die die jeweilige Scheibe (3) teilweise eingesenkt ist,wobei die Magnetisierungsrichtung der Magnete (2) in radialer Richtung oder in axialer Richtung der jeweiligen Scheibe (3) ausgeführt ist,wobeibeide Linearantriebe jeweils mit unterschiedlicher Drehzahl betreibbar sind,wobei die beiden Drehzahlen unterschiedliches Vorzeichen aufweisen,wobei die beiden Linearmotoren dasselbe zweite Teil aufweisen, also nur ein zweites Teil von den Linearmotoren verwendet wird,wobei die Achsen der Scheiben (3) der Linearmotoren parallel angeordnet sind,wobei die beiden Linearantriebe derart zusammen verbunden sind, dass die jeweiligen Elektromotoren zueinander relativ starr angeordnet sind und auf einem Wagen montiert sind, wobei die Vortriebskraft bei unterschiedlicher Drehrichtung der Antriebe und gleicher Drehzahl auf Null kompensierbar ist, wobei die Abtriebswellen der Elektromotoren parallel orientiert sind.Linear positioning drive, comprising two linear drives, each of the linear drives comprising a first part which is arranged displaceably along a second part, the respective first part comprising a respective rotatably mounted disc on which respective permanent magnets (2) are provided, the second part is arranged relative to the respective first part and shaped in such a way that a respective partial area of the respective disc (3) has a variable distance from the first part during one revolution of the respective disc (3), the respective disc (3) being Electric motor can be set in rotary motion, the second part being a rail (1) produced as a continuous casting, the second part having a groove in the direction of the rail, into which the respective disc (3) is partially sunk, the magnetization direction of the magnets (2) performed in the radial direction or in the axial direction of the respective disk (3). where both linear drives can each be operated at different speeds, where the two speeds have different signs, where the two linear motors have the same second part, i.e. only a second part is used by the linear motors, where the axes of the discs (3) of the linear motors are parallel are arranged, with the two linear drives being connected together in such a way that the respective electric motors are arranged relatively rigidly with respect to one another and are mounted on a carriage, with the propulsion force being able to be compensated for to zero when the drives rotate in different directions and at the same speed, with the output shafts of the electric motors being parallel are oriented.
Description
Die Erfindung betrifft einen linearen Positionierantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.The invention relates to a linear positioning drive and a method for operating such a drive.
Es sind als Linearantriebe Synchron-Linearmotoren und Asynchronmotoren bekannt. Erstere sind kostspielig, da entlang der Bewegungsrichtung Spulen oder Magnete vorzusehen sind, letztere weisen nur eine geringe Leistungsdichte auf.Synchronous linear motors and asynchronous motors are known as linear drives. The former are expensive because coils or magnets have to be provided along the direction of movement, while the latter only have a low power density.
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen linearen Positionierantrieb mit hoher Leistungsdichte darzustellen, insbesondere mit hoher Dynamik beim Positionieren.The invention is therefore based on the object of presenting a cost-effective linear positioning drive with high power density, in particular with high dynamics during positioning.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem linearen Positionierantrieb nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, the object is achieved with the linear positioning drive according to the features specified in claim 1 and with the method according to the features specified in claim 5 .
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Linearantrieb sind, dass er einen ersten Teil, der verschiebbar entlang eines zweiten Teiles angeordnet ist, umfasst, wobei der erste Teil eine drehbar gelagerte Scheibe umfasst, an der Dauermagnete vorgesehen sind,
wobei der zweite Teil derart zum ersten Teil angeordnet und derart ausgeformt ist, dass ein Teilbereich der Scheibe während einer Umdrehung der Scheibe einen veränderlichen Abstand zum ersten Teil aufweist.Important features of the invention in the linear drive are that it comprises a first part which is arranged displaceably along a second part, the first part comprising a rotatably mounted disc on which permanent magnets are provided,
wherein the second part is arranged in relation to the first part and shaped in such a way that a portion of the disk has a variable distance from the first part during one revolution of the disk.
Erfindungsgemäß umfasst der Linearantrieb einen ersten Teil, der verschiebbar entlang eines zweiten Teiles angeordnet ist, wobei der erste Teil eine drehbar gelagerte Scheibe umfasst, an der Dauermagnete vorgesehen sind,
wobei der zweite Teil eine Nut in Schienenrichtung umfasst, wobei ein Teilbereich der Scheibe in die Nut zumindest teilweise eingesenkt ist.According to the invention, the linear drive comprises a first part which is arranged to be displaceable along a second part, the first part comprising a rotatably mounted disc on which permanent magnets are provided,
the second part comprising a groove in the direction of the rails, a portion of the disc being at least partially sunken into the groove.
Von Vorteil ist dabei, dass die Schiene kostengünstig und einfach herstellbar ist und trotzdem eine hohe Leistungsdichte in kostengünstiger Weise erreichbar ist.The advantage here is that the rail can be produced inexpensively and easily, and a high power density can nevertheless be achieved in a cost-effective manner.
Erfindungsgemäß ist die Scheibe mittels eines Elektromotors in Drehbewegung versetzbar. Von Vorteil ist dabei, dass ein konventioneller kostengünstiger Elektromotor ausreicht.According to the invention, the disk can be rotated by means of an electric motor. The advantage here is that a conventional, inexpensive electric motor is sufficient.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Elektromotor berührungslos versorgbar ist, insbesondere induktiv aus einem langgestreckten Primärleiter, der entlang des ersten Teiles, insbesondere einer Schiene, verlegt ist. Von Vorteil ist dabei, dass kein Schleppkabel und damit keine unnötig hohen Massen mitzuschleppen sind.In an advantageous embodiment, the electric motor can be supplied without contact, in particular inductively, from an elongate primary conductor that is laid along the first part, in particular a rail. The advantage here is that no trailing cable and thus no unnecessarily high masses have to be towed along.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine elektronische Schaltung am oder mit dem Elektromotor verbunden, die eine Sekundärspule umfasst, welche mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist und der ein Kondensator in Reihe oder parallel beschaltet ist, wobei die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der in den Primärleiter eingespeisten Mittelfrequenz entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei veränderlichem Luftspalt hohe Leistung übertragbar ist und ein hoher Wirkungsgrad beim Übertragen erreichbar ist.In an advantageous embodiment, an electronic circuit is connected on or to the electric motor, which includes a secondary coil which is inductively coupled to the primary conductor and to which a capacitor is connected in series or in parallel, with the associated resonant frequency being essentially the medium frequency fed into the primary conductor is equivalent to. The advantage here is that high power can be transmitted even with a variable air gap and a high level of efficiency can be achieved during transmission.
Erfindungsgemäß ist das erste Teil eine Schiene, insbesondere eine als Strangguss hergestellte. Von Vorteil ist dabei, dass die Schiene besonderes einfach herstellbar ist. According to the invention, the first part is a rail, in particular one produced as a continuous casting. The advantage here is that the rail is particularly easy to produce.
Erfindungsgemäß weist das erste Teil eine Nut in Schienenrichtung auf, in die die Scheibe zumindest teilweise eingesenkt ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Reaktivteil nur eine einfache leicht herstellbare Ausformung benötigt.According to the invention, the first part has a groove in the direction of the rails, into which the disc is at least partially sunk. The advantage here is that the reactive part only requires a simple, easily manufacturable formation.
Erfindungsgemäß ist die Magnetisierungsrichtung der Magnete in radialer Richtung oder in axialer Richtung der Scheibe vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass im Reaktivteil Wirbelströme erzeugt werden, wodurch eine Vorschubskraft erzeugbar ist, solange nicht die gesamte Scheibe gänzlich in der Nut eingesenkt ist.According to the invention, the direction of magnetization of the magnets is provided in the radial direction or in the axial direction of the disk. The advantage here is that eddy currents are generated in the reactive part, as a result of which a feed force can be generated as long as the entire disc is not completely sunk into the groove.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drehzahl größer als 1000 Umdrehungen pro Minute gewählt, insbesondere größer als 3000 Umdrehungen pro Minute. Von Vorteil ist dabei, dass dabei dann ein sehr guter Wirkungsgrad erreichbar ist.In an advantageous embodiment, the speed is selected to be greater than 1000 revolutions per minute, in particular greater than 3000 revolutions per minute. The advantage here is that a very good level of efficiency can then be achieved.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind an oder in der Scheibe Einzelmagnete als Magnete vorgesehen oder ist an oder in der Scheibe eine Scheibe magnetisierbaren Materials vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass kostengünstige Einzelmagnete oder eine kostengünstig magnetisierbare Scheibe verwendbar ist.In an advantageous embodiment, individual magnets are provided as magnets on or in the disk, or a disk of magnetizable material is provided on or in the disk. The advantage here is that inexpensive individual magnets or an inexpensive magnetizable disc can be used.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schiene aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium. Von Vorteil ist dabei, dass die Wirbelstromverluste klein vorsehbar sind.In an advantageous embodiment, the rail is made of metal, in particular steel or Aluminum. The advantage here is that the eddy current losses can be provided to be small.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem linearen Positionierantrieb sind, dass er zumindest zwei vorgenannte Linearantriebe umfasst
wobei
beide Linearantriebe jeweils mit unterschiedlicher Drehzahl betreibbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine höhere Dynamik erreichbar ist. Denn die Beschleunigung der Scheibe aus der Ruhe heraus ist begrenzt durch die Leistung des Elektromotors. Ein Abbremsen aus einer hohen Drehzahl ist jedoch mittels Ausschalten des Elektromotors schon durch die Wirbelströme erreichbar. Des Weiteren ist der Elektromotor selbst zum Bremsen verwendbar, insbesondere, wenn er aus einem Umrichter versorgt ist. Darüber hinaus ist eine am Elektromotor vorgesehene Bremse zum Abbremsen verwendbar. Somit ist eine sehr hohe Dynamik beim Positionieren erreichbar.Important features of the invention in the case of the linear positioning drive are that it comprises at least two aforementioned linear drives
whereby
both linear drives can each be operated at different speeds. The advantage here is that higher dynamics can be achieved. Because the acceleration of the disc from rest is limited by the power of the electric motor. However, braking from a high speed can be achieved simply by switching off the electric motor due to the eddy currents. Furthermore, the electric motor itself can be used for braking, in particular if it is supplied from a converter. In addition, a brake provided on the electric motor can be used for braking. This means that very high dynamics can be achieved when positioning.
Erfindungsgemäß weisen die beiden Drehzahlen unterschiedliches Vorzeichen auf. Von Vorteil ist dabei, dass bei gleicher Drehzahl der Antrieb auf einer Position haltbar ist und bei danach erfolgtem Abbremsen einer der Scheiben sehr schnell und somit dynamisch hohe Beschleunigungswerte erreichbar sind.According to the invention, the two speeds have different signs. The advantage here is that the drive can be held in one position at the same speed and, if one of the disks is then braked, very quickly and therefore dynamically high acceleration values can be achieved.
Erfindungsgemäß weisen zumindest zwei der Linearmotoren dasselbe zweite Teil auf, insbesondere wird also nur ein zweites Teil von den Linearmotoren verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass einfache Konstruktionen einsetzbar sind, wie beispielsweise ein in Bewegungsrichtung hintereinander vorgesehenes Anordnen der Antriebe.According to the invention, at least two of the linear motors have the same second part, so in particular only a second part is used by the linear motors. The advantage here is that simple designs can be used, such as arranging the drives one behind the other in the direction of movement.
Erfindungsgemäß sind die Achsen der Scheiben der Linearmotoren parallel angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass keine Querkräfte erzeugbar sind.According to the invention, the axes of the discs of the linear motors are arranged in parallel. The advantage here is that no transverse forces can be generated.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zum Betreiben eines vorgenannten linearen Positionierantriebs vorgesehen ist, wobei
- - mindestens zwei Scheiben auf eine jeweils zugehörige Drehzahl gebracht werden
- - die Ist-Position erfasst wird, insbesondere mittels eines Sensors zur Erfassung der Position des Linearen Positionierantriebs,
- - zum Regeln des Positionierantriebs auf die Differenz von Ist-Position und SollPosition einem Regler zugeführt wird, dessen Stellgröße die Drehzahldifferenz der beiden Drehzahlen ist.
- - at least two discs are brought to an associated speed
- - the actual position is detected, in particular by means of a sensor for detecting the position of the linear positioning drive,
- - To regulate the positioning drive to the difference between the actual position and the target position, a controller is supplied, the manipulated variable of which is the speed difference between the two speeds.
Von Vorteil ist dabei, dass eine Schlupfregelung einsetzbar ist. Es sind hohe Beschleunigungswerte in kurzer Zeit erreichbar. Somit ist eine große Dynamik beim Positionieren erreichbar.The advantage here is that a slip control can be used. High acceleration values can be achieved in a short time. This means that high dynamics can be achieved when positioning.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine der Drehzahlen konstant auf einem Sollwert gehalten und es wird somit die Soll-Drehzahl der zweiten Scheibe gestellt, wobei die Drehzahldifferenz Differenz der Soll-Drehzahlen der ersten und zweiten Scheibe ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Regelung erreichbar ist.In an advantageous embodiment, one of the speeds is kept constant at a desired value and the desired speed of the second disk is thus set, the speed difference being the difference between the desired speeds of the first and second disks. The advantage here is that a simple regulation can be achieved.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zum Erreichen der Maximalbeschleunigung beim Bewegen von einer ersten auf eine zweite Position die Drehzahlen der beiden Scheiben zumindest teilweise gleichsinnig betrieben. Von Vorteil ist dabei, dass die Vorschubskraft der Summe der beiden Einzelvorschubskräfte der Antriebe entspricht.In an advantageous embodiment, in order to achieve the maximum acceleration when moving from a first to a second position, the speeds of the two disks are operated at least partially in the same direction. The advantage here is that the feed force corresponds to the sum of the two individual feed forces of the drives.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantages result from the dependent claims.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der
1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung skizziert.
- In the
1 a device according to the invention is outlined.
Dabei wird eine drehbar gelagerte Scheibe 3 angetrieben von einem Elektromotor. Auf der Scheibe sind Magnete 2 vorgesehen, insbesondere Dauermagnete.A rotatably mounted
Die Scheibe ist in einer in Pfeilrichtung verlaufenden Nut der Schiene 1 versenkt, wobei ein toleranzbedingt und sicherheitsbedingt genügend großer Abstand vorgesehen ist. Der Elektromotor mit Scheibe 3 ist entlang der Nut der Schiene 1 bewegbar.The disk is countersunk in a groove of the rail 1 running in the direction of the arrow, a sufficiently large distance being provided for tolerance and safety reasons. The electric motor with the
Vorzugsweise wird die Schiene als Stranggussteil gefertigt, insbesondere aus Aluminium oder Stahl.The rail is preferably manufactured as a continuously cast part, in particular from aluminum or steel.
Für den erfindungsgemäßen Antrieb ist also nur ein konventioneller Elektromotor notwendig, der die Scheibe samt Magneten in Drehbewegung versetzt, und eine Schiene als Reaktivteil. Die Magnete werden also relativ zu dem metallischen Reaktivteil bewegt und erzeugen dort somit Wirbelströme, die zu einer Vortriebskraft führen.For the drive according to the invention, therefore, only a conventional electric motor is required, which causes the disk together with the magnets to rotate, and a rail as a reactive part. The magnets are thus moved relative to the metallic reactive part and thus generate eddy currents there, which lead to a propulsion force.
Vorzugsweise wird eine hohe Drehzahl angewendet, da die Vortriebskraft bei sehr kleinen Drehzahlen äußerst gering ist. Vorteilhaft haben sich Drehzahlen über 1000 Umdrehungen pro Minute erwiesen bei Magneten, die auf Durchmessern von mehr als 5 oder gar 10 cm vorgesehen sind. Bei 3000 Umdrehungen pro Minute sind ohne besonderen Aufwand große Kräfte erzielbar bei hohem Wirkungsgrad.A high speed is preferably used, since the propulsion force is extremely low at very low speeds. Speeds above 1000 revolutions per minute have proven to be advantageous for magnets that are intended for diameters of more than 5 or even 10 cm. At 3000 revolutions per minute, large forces can be achieved with high efficiency without any special effort.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird der Elektromotor berührungslos mit Energie versorgt. Hierzu ist an ihm eine Sekundärspule vorgesehen, die mit einem entlang der Schiene verlegten Primärleiter induktiv gekoppelt ist, wobei in den Primärleiter ein mittelfrequenter Wechselstrom eingespeist wird, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz. Der Sekundärspule ist ein Kondensator parallel oder in Reihe beschaltet, so dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.In further exemplary embodiments according to the invention, the electric motor is supplied with energy in a contactless manner. For this purpose, a secondary coil is provided on it, which is inductively coupled to a primary conductor laid along the rail, with a medium-frequency alternating current being fed into the primary conductor, in particular with a frequency between 10 and 100 kHz. A capacitor is connected in parallel or in series with the secondary coil, so that the associated resonant frequency essentially corresponds to the medium frequency.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die Magnete 2 in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet.In further exemplary embodiments according to the invention, the
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden zwei erfindungsgemäße Antriebe derart zusammen verbunden, dass die jeweiligen Elektromotoren zueinander relativ starr vorgesehen sind und auf einem Wagen montiert sind, wobei die Vortriebskraft bei unterschiedlicher Drehrichtung der Antriebe und gleicher Drehzahl auf Null kompensierbar ist. Hierbei sind die Abtriebswellen der Elektromotoren parallel orientiert.In further exemplary embodiments according to the invention, two drives according to the invention are connected together in such a way that the respective electric motors are provided relatively rigidly to one another and are mounted on a carriage, with the propulsive force being able to be compensated for at different directions of rotation of the drives and the same speed to zero. Here, the output shafts of the electric motors are oriented in parallel.
Auf diese Weise ist bei hoher Drehzahl der Scheiben die Vortriebskraft auf Null regelbar. Ein dynamisches und schnelles Positionieren ist ermöglicht, denn ein Abbremsen einer der beiden Drehzahlen ist schnell und einfach ausführbar, indem der Elektromotor entsprechend gesteuert wird.In this way, the propulsion force can be regulated to zero at high speeds of the disks. Dynamic and fast positioning is made possible, because one of the two speeds can be braked quickly and easily by controlling the electric motor accordingly.
Vorteiligerweise ist der Elektromotor jeweils aus einem Umrichter gespeist und somit seine Drehzahl regelbar.Advantageously, the electric motor is fed from a converter and its speed can therefore be regulated.
Darüber hinaus ist es auch ermöglicht, eine Bremse an jedem Elektromotor vorzusehen und somit die Drehzahl nicht nur mittels der Wirbelströme, sondern auch zusätzlich mit der Bremse zu reduzieren.In addition, it is also possible to provide a brake on each electric motor and thus reduce the speed not only by means of the eddy currents, but also additionally with the brake.
Auf diese Weise ist ein hochdynamischer linearer Positionierantrieb realisierbar. Vorzugsweise sind die Scheiben der Elektromotoren in Schienenrichtung hintereinander vorgesehen.In this way, a highly dynamic linear positioning drive can be implemented. The discs of the electric motors are preferably provided one behind the other in the direction of the rails.
Einsatzmöglichkeiten sind insbesondere Regalbediengeräte oder Regallager, aber auch andere Anlagen wie Portale oder dergleichen.Possible uses are in particular storage and retrieval devices or storage racks, but also other systems such as portals or the like.
Der erfindungsgemäße Antrieb nach
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Schiene, umfassend eine NutRail comprising a groove
- 22
- Magnetemagnets
- 33
- drehbar gelagerte Scheiberotatable disc
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |