DE3317521A1

DE3317521A1 - Linear-positionier-vorrichtung

Info

Publication number: DE3317521A1
Application number: DE19833317521
Authority: DE
Inventors: Joseph A. 95070 Saratoga Calif. Bourque; Leonard N. 24141 Radford Va. Wedman
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1982-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1983-11-24
Also published as: IE831054L; US4456934A; GB8312006D0; FR2526570A1; NL8301676A; IT1227650B; IE54437B1; DE3317521C2; GB2123984A; JPS58213308A; IT8348262A0; GB2123984B; FR2526570B1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Linear-Positionier-Vorrichtung und insbesondere eine solche für Motoren mit Läufern aus permanentmagnetischem Material. Linear-Positionier-Vorrichtungen haben zahlreiche und vielfältige Anwendungsgebiete. Bei Rechner-unterstützten Magnetplatten-Speichergeräten sind die Anforderungen an Positioniergenauigkeit und Zugriffzeit der Auf zeichnungs/W-federgabeköpfe sehr hoch. Eine möglichst kurze Zugriffzeit ist wesentlich für eine hohe Rechengeschwindigkeit, und die Genauigkeit der Positionier-Wiederholbarkeit bestimmt die Anzahl der Aufnahmespuren und damit die Aufzeichnungsdichte. Es ist daher wünschenswert, daß eine Positionier-Vorrichtung für Plattenspeicher mit großer Geschwindigkeit und Genauigkeit arbeitet.

Allgemein bekannte Verfahren benutzen für die Positionierung der Aufnahme/Wiedergabe-Köpfe Rotations-Schrittmotoren, die mit einer Stellschraubenspindel ausgestattet sind, um die Drehschrittbewegung in eine lineare Schrittschaltbewegung umzusetzen. Derartige lineare Schrittschalter arbeiten in der Regel in einem offenen Regelkreis und sind für die Fälle ausreichend, bei denen keine sehr großen Anforderungen an die exakte Wiederholbarkeit der Positionierung gestellt werden. Für Plattenspeicher, die einen Toleranzbereich für die Positioniergenauigkeit und deren Wiederholbarkeit von etwa 8 χ 10~³mm oder darunter erfordern, reichen die bekannten Vorrichtungen in der Regel nicht mehr aus. Es wurden auch bereits lineare Induktionsmotoren vorgeschlagen, die mit geschlossener Regelkreisschleife arbeiten. Solche Vorrichtungen s i rid wegen des für das Kraftmoment erforderlichen Schlupfwinkels zwischen dem fortschreitenden Statorfeld und der beweglichen Induktionseinheit nur schwer beherrschbar. Eine exakt arbeitende Positionier-Vorrichtung mit der hierfür erforderlichen Schlupfwinkel-Steuerung ist teuer undkompliziert und selbst dann noch schwer mit ausreichender Präzision zu betreiben.

Eine andere bekannte Konstruktion arbeitet mit einem Schwingspul antrieb -in einer geschlossenen Regelkreis-Steuervorrich-

tung. Derartige Vorrichtungen haben verhältnismäßig kurze Zugriffzeiten und große Genauigkeit. Sie sind jedoch teuer in der Herstellung und für die Massenfertigung wenig geeignet. Schwingspul Vorrichtungen weisen eine verhältnismäßig große Schwingspule _{auf un}d _S1-_nd deshalb auch nur für große Plattenspeicher geeignet, nicht aber für kleinere Plattenspeicher wie Disketten-Speicher mit flexiblen Aufzeichnungsträgern.
Weiterhin haben Schwingspul vorrichtungen den Nachteil schlechter Wärmeableitung, was zu Schwierigkeiten bei rascher Bewegungsfolge führt.

Ein Vorzug der erfindungsgemäßen Linear-Positionier-Vorrichtung besteht darin, daß sie eine relativ schnelle Ansprech- und damit Zugriffzeit und eine sehr hohe Positionier-Genauigkeit und -Wiederholbarkeit aufweist.

Des weiteren eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Massenherstellung bei verhältnismäßig niedrigen Kosten.

Ein anderer Vorteil besteht in der guten Wärmeableitung, so daß auch schnell aufeinander folgende Bewegungsabläufe möglich sind.

Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch geringe Abmessungen aus und ist damit auch für kompakte Plattenspeicher geeignet.

Die lineare Positionier-Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung besteht aus einem linearen permanentmagnetischen Motor mit einem U-förmigen Statorkern aus magnetischem Material mit parallelen Schenkeln und mindestens einer Wicklung um einen dieser Schenkel, wobei der Wicklungsdraht aus magnetisierbarem Material besteht, sowie einem permanentmagnetisierbaren Läufer, der parallel zu den Statorschenkeln verschiebbar angeordnet und diagonal magnetisiert ist, so daß der magnetische Fluß mit dem vom Stromfluß durch die Wicklungen erzeugten Feld zusammenwirkt, um den Magnetläufer zu bewegen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin einen Positionsmeßwandler bzw. Positionssensor aufweist, bestehend aus einem stationären und einem beweglichen Bauteil,

wobei das stationäre Teil am Statorkern und das bewegliche Teil am Magnetläufer angebracht ist; sowie eine Schaltungsvorrichtung, die ein der tatsächlichen Läuferposition entsprechendes Signal als Funktion der relativen Lage der Bauteile des Positionsmeßwandlers zueinander liefert; und weiterhin eine Steuervorrichtung, die ein Signal als Funktion des Vergleichs einer vorgegebenen und der tatsächlichen Läuferposition liefert und bewirkt, daß die Wicklung(en) des Statorkernes mit einem Signalstrom geeigneter Polarität versorgt wird (werden), um so den Läufer in die vorgegebene Position zu bringen.

Die Positionier-Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung weist einen Linearmotor mit Permanentmagnet-Läufer auf, dessen magnetischer Fluß mit dem vom Stromfluß in der (den) Wieklung(en) erzeugten Feld zusammenwirkt. Da der Läufer ein Permanentmagnet ist, können flexible Stromzuführungen, Schleifkontakte und ähnliches entfallen. Der Betriebsstrom des Motors wird einer feststehenden Spulenanordnung zugeführt, was eine gute Wärmeableitung sicherstellt. Weiterhin sind alle Bauteile des Motors relativ flach, so daß der Motor insgesamt ebenfalls relativ sehr flach ist. Der Linear-Motor ist servo-gesteuert, um eine schnelle Ansprache und damit geringe Zugriffzeit sowie hohe Positioniergenauigkeit zu gewährleisten. Die tatsächliche Position des-Läufers wird durch einen Positionsmeßwandler angezeigt. Nach einer bevorzugten AusfUhrungsform ist der Meßwandler im Arbeitsluftspalt des Linear-Motors untergebracht; sein beweglicher Teil ist am Permanengmagnet-Läufer angebracht, während sein stationärer Teil mit dem Stator fest verbunden ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die tatsächliche Läuferposition mit der Angabe des Meßwandlers übereinstimmt. Die Servosteuerung arbeitet vorzugsweise mit einer Grob/Fein-Positionierung, wobei der Kopf zunächst in die Nähe der gewünschten Spur und dann in deren Mitte gebracht wird.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung besteht die Wicklung der Motorspule(n) aus verkupfertem Eisendraht. Obgleich Eisenleiter einen höhere elektrischen Wider-

stand aufweisen, wird dieser negative Effekt durch die bessere magnetische Charakteristik des damit ausgerüsteten Motors im Hinblick auf dessen verringerte Luftspalt-Reluktanz bei weitem ausgeglichen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des Permanentmagnetläufers sowie dessen Träger des in der Vorrichtung nach der Erfindung verwendeten Linear-Motors. Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den Linear-Motor. Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 2.

Fig. 4 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausgestaltungsform des Motors nach der Erfindung, bei der der Meßwandler im Luftspalt angeordnet ist und der Läufer in einem vorbelasteten Kugellager gelagert ist.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der Steuerkreisschaltung nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 6 ist ein Zeitablaufdiagramm der Signale, wie sie an verschiedenen Stellen der Vorrichtung nach Fig. 5 auftreten.

Fig; 7 ist ein Längsschnitt durch einen Stator nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit zwei Sta torkernstue ken.

Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch einen Linear-Motor entsprechend einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, der eine Statorwicklung und einen zwei bewegliche Magneten aufweisenden Läufer besitzt.

Fig. 1 bis 3 stellen einen Linear-Motor nach der vorliegenden Erfindung dar; der Läufer besteht aus einem Permanentmagneten 10, der· quer zur Bewegungsrichtung des Läufers von oben nach unten magnetisiert ist. (Fig. 1).

Der Statorteil des Motors ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und besteht aus einem U-förmigen Kern 20 und den parallelen Schenkeln 22 und 24, die über das Brückenteil 26 miteinander verbunden sind. Die Schenkel 22 und 24 erstrecken sich parallel zur Bewegungsachse. Der Kern 20 besteht aus magnetischem Material und kann entweder gesintertes oder laminiertes Eisen sein, abhängig von den geforderten Wirbel-

strom- und Hysterese-Charakteristiken. Der magnetische Fluß des Permanentmagneten 10 geht vom Nordpol aus (Oberfläche des Magneten, wie in Fig. 2 gezeigt), überquert den Luftspalt und verläuft dann durch den Schenkel 22, das Brückenteil 26 und den Schenkel 24 zurück über den Luftspalt zur Südpol-Oberfläche des Magneten 10.

Die Schenkel 22 und 24 des Kernes 20 sind von spulenartigen Wicklungen 30 und 32 umgeben, die untereinander verbunden sind, so daß der Strom um den Schenkel 22 im Uhrzeigersinn und um den Schenkel 24 entgegen dem Uhrzeigersinn fließt. Durch diese Verbindung fließt der Strom in beiden Wicklungen in der gleichen Richtung für den Teil im Luftspalt zwischen den Schenkeln 22 und 24. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, fließt der Strom in Richtung auf den Betrachter im Teil innerhalb des Luftspaltes, und in Fig. 3 von links nach rechts, wie durch die Pfeile angezeigt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Wicklungen vergleichsweise flach, um so den Luftspalt zwischen dem Magneten 10 und den Schenkeln 22 und 24 möglichst gering zu machen. Die gesamte Motorkonstruktion, bestehend aus den verhältnismäßig flachen Spulen, der Kernanordnung und dem Permanentmagneten, ist sehr flach, wie dies auch aus der Fig. 3 ersichtlich ist.

Die Kraft, die den Magneten in Längsrichtung verschiebt, wie aus dem Doppelpfeil in Fig. 2 ersichtlich, entsteht aus dem Zusammenwirken des Magnetflusses vom Magneten 10 und des Stromflusses durch die Leiter innerhalb des Luftspaltes. Die erzeugte Kraft ist das Produkt aus der magnetischen Kraftliniendichte des Permanentmagneten und dem Wicklungsstrom und der effektiven Länge der Wicklungen im Luftspalt.

Werden die Wicklungen 30 und 32 mit Strom versorgt, dann erzeugen sie einen magnetischen Fluß im Kern 20, der keine brauchbare Wirkung auf die Linearbewegung hat. Deshalb sollten Maßnahmen ergriffen werden, um die Reluktanz auf dem Weg dieses Magnetflusses zu erhöhen, während gleichzeitig keine Behinderung oder negative Beeinflussung der Reluktanz des vom Permanentmagneten ausgehenden Kraftflusses eintreten darf. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Kernstruktur

-10-an einem Ende zwischen den Schenkeln 22 und 24 mit einem nicht-magnetischen Material verschließt. Zur weitgehenden Verringerung von Streufeldern ist am offenen Ende des Kernes 20 eine dünne magnetische Platte 34 vorgesehen, die aber durch ein nicht-magnetisches Distanzstück 36 von den Schenkelenden 22 und 24 getrennt ist. Das Distanzstück 36 wird in seinen Abmessungen so gewählt, daß ausreichend Reluktanz in der Schleife vorhanden ist, so daß eine magnetische Sättigung des Wicklungsstromes vermieden wird. Der Permanentmagnet 10 ist vorzugsweise recht stark und geeignet für die Arbeit im relativ großen Luftspalt, der ausreicht, um die Motorwicklung darin unterzubringen. Vorzugsweise besteht der Permanentmagnet aus einer gesinterten Sammarium-Kobalt-Legierung. Solche Magnete sind für ihre große Stärke und hoher Koerzitivkraft bekannt und eignen sich hervorragend für magnetische Vorrichtungen mit großem Luftspalt.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, ist der Permanentmagnet 10 so magnetisiert, daß die Kraftlinien senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen.

Die Wicklungen 30 und 32 können konventionelle Kupferdraht-Wicklungen sein. Da sich jedoch ein Teil jeder Wicklung im Arbeitsluftspalt befindet, und zwar zwischen dem Schenkel und dem Magnet 10 sowie zwischen dem Schenkel 24 und dem Magnet 10, muß der Luftspalt relativ groß sein, um diese Wicklungsteile darin unterzubringen. Der wirksame Luftspalt kann verkleinert werden, wenn nach einer Ausgestaltungsform der Erfindung magnetisches Material für die Wicklungen verwendet wird, wie z.B. Eisendraht oder verkupferter Eisendraht. Da der größte Teil des Stromes einer mit Stromimpulsen beaufschlagten Wicklung nahe an der Oberfläche fließt, wird bei der Verwendung von verkupfertem Eisendraht die Leitfähigkeit gegenüber Kupferdraht relativ wenig verringert. Die Verwendung von Eisendrahtwicklungen hat zwar den Nachteil einer schlechteren Induktionscharakteristik; dieser negative Effekt wird jedoch durch die Verbesserung aufgrund der reduzierten Reluktanz im Luftspalt mehr als ausgeglichen.

Die Träger 40 und 41 für den Wagen sind auf beiden Seiten zum Permanentmagneten hin mit Schwalbenschwanz-förmigen Schlitzen versehen, die in die Schwalbenschwanz-förmigen Fortsätze 11 und 12 am Magneten 10 eingreifen und so zur Befestigung dienen. Der Träger 40 weist ein Paar sich nach außen erstreckende Vorsprünge 42 und 43 auf, während der Träger 41 ein.Paar sich ebenfalls nach außen erstreckende Vorsprünge 44 und 45 aufweist. Jeder der Vorsprünge 42 bis 45 ist mit einer Öffnung zur Aufnahme der linearen Lager 47 bis 50 versehen, in denen die Führungsstäbe 51 und 52 gelagert sind. Die Führungsstäbe 51 und 52 sind so angeordnet und sicher befestigt, daß der Permanentmagnet und die Wagenanordnung sich linear zwischen den Schenkeln 22 und 24 des Motors bewegen können (Fig. 2). In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform befindet sich der Permanentmagnet in der Mitte zwischen den Schenkeln des Statorkernes.

Der Positionsmeßwandler für den linearen Motor besteht aus einem Skalenteil 61, das an den Vorsprüngen 42 und 43 befestigt ist, sowie aus einem stationären Sensor 62, dessen Ausgangssignale der tatsächlichen Position des Läufers entsprechen. Als Positionsmeßwandler eignen sich bekannte Ausführungen wie kapazitive, magnetische oder optische Meßwandler.

Der Magnetwagen kann zur Bewegung jeden beliebigen Gegenstandes ausgerüstet werden. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dient der Wagen zur Führung eines Schreib/ Lesekopfes eines flexiblen magnetischen Plattenantriebs, Die Kopfanordnung 74 ist auf dem Träger 72 über die Vorsprünge 44 und 45 sicher befestigt, beispielsweise mit einem Kleber. Der Schreib/Lesekopf ist elektrisch mit einem elektronischen Lese- und Wiedergabe-Steuerkreis über die Leiter 90 und 92 verbunden. Die lineare Bewegung des Permanentmagneten im Linear-Motor sorgt für eine Bewegung der Schreib/Lesekopfanordnung, so daß diese auf der Scheibe von Spur zu Spur bewegt wird.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausgestaltungsform eines in der

erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren Linear-Motors dargestellt, der die folgenden Bestandteile aufweist:

(a) eine vorbelastete Wagenführung für den Magnetläufer mit dem Magneten 10; und

(b) einen Posi tionstneßwandl er 70, der direkt am Permanentmagnet-Läufer im innern des Arbeitslufspaltes befestigt ist.

Diese Ausgestaltung des kapazitiven Meßwandlers und seine Anordnung im Motor sind Gegenstand der unter gleichem Datum eingereichten Patentanmeldung (405-48).

Der Statoraufbau dieses Linear-Motors ist ähnlich dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten, einschließlich des U-förmigen Kernes mit den Schenklen 22 und 24 und den diese Schenkel umgebenden Wicklungen 30 und 32.' Aus Gründen, die nachfolgenden noch erläutert werden, ist der Magnet 10 nicht zentral zwischen den beiden Schenkeln angeordnet, sondern näher zum unteren Schenkel 24.

Nach dieser Ausgestaltungsform befindet sich ein Positionsmeßwandler 70 im Luftspalt des Motors. Er besteht aus einem beweglichen, direkt am Magneten 10 befestigten Teil 71 und einem an der Oberfläche der Wicklung 30 befestigten Statorteil 72. Die Teile 71 und 72 bestehen aus einem Schaltbild auf der Oberfläche einer dünnen Unterlage, die nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellt sein können und mit einem Haftvermittler befestigt sind. Die festen und beweglichen Teile 71 und 72 bestehen aus ähnlich geformten Platten und sind kammartig verzahnt. Die relative Bewegung zwischen den einzelnen Meßwandlerteilen verändert die kapazitive Kupplung und gibt so eine Möglichkeit zur Feststellung der Position. Obwohl der Meßwandler mit elektrischem Strom arbeitet, wird er dennoch nicht durch das Magnetfeld des Motors beeinflußt und kann deshalb ohne weiteres im Luftspalt untergebracht werden.

In der Praxis sind die Meßwandlerteile 71 und 72 sehr dünn und nehmen nur einen sehr kleinen Raum im Luftspalt ein. In einer Anordnung wie der vorliegenden mit nicht zentraler Lage des Permanentmagneten wird der Meßwandler im größeren Teil

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des Luftspaltes untergebracht. In Fig. 4 ist dies der vom Magneten 10 und dem Schenkel 22 mit der Spule 30 gebildete Teil des Luftspaltes.

In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform weist die Läuferwagenführung nur den einen Führungsstab 51 auf, wodurch Justierprobleme und seitliche Verdrehungen vermieden werden, wie sie häufig bei Verwendung von zwei parallelen Führungsstäben auftreten. Die Trägervorrichtung für den Magneten auf der gegenüberliegenden Seite des Führungsstabes besteht aus dem Kugellager 74. Die Trägerplatte 75 ist mit dem Magneten 10 über einen Schwaibenschwanzformigen Schlitz, der in einenSchwalbenschwanz-förmigen Fortsatz 11 am Magneten 10 eingreift, verbunden. Auf der Unterseite der Trägerplatte 75 befindet sich eine V-förmige Rille 77, in der das Einkugellager 74 frei beweglich angeordnet ist.Der stationäre Lagerträger 76 weist eine Vertiefung 78 auf, in der das Einkugellager 74 ruht.

Bei dieser erfindungsgemäßen Lageranordnung befindet sich der Permanentmagnet 10 absichtlich nicht in der Mitte zwisehen den Schenkeln 22 und 24, sondern ist dem Schenkel 22 des Kernes 20 angenähert, so daß ständig ein magnetischer Zug abwärts in Richtung auf den Schenkel 24 wirkt. Diese abwärts wirkende magnetische Kraft hält die Trägerplatte 75 mit der Rille 77 in Kontakt mit dem Kugellager 74, so daß dieses nicht herausfallen kann. So wird die herrschende magnetische Kaft des Motors zum Festhalten des Einkugellagers 74 genutzt.

Die erfindungsgemäße Anordnung mit nur einem Führungsstab, kombiniert mit einem Kugellager, reduziert die Reibung, erübrigt die Justierung und vermeidet Verdre-hungen, die bei parallel angeordneten Führungsstäben häufig auftreten. Weiterhin macht die Verwendung der magnetischen Kraft des Motors zur magnetischen Vorbelastung des Kugellagers die sonst üblichen Kugelsperren überflüssig.

Der Servoschleifen-Steuerkreis für die lineare Positioniervorrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Aufgrund der engen kapazitiven Kupplung zwischen den nahe

einander gegenüberstehenden stationären und den mit dem Läufer verbundenen beweglichen Bauteilen des kapazitiven Meßwandlers 100 arbeitet dieser mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Das stationäre Muster 102 besteht aus ineinander verzahnten kammartigen Leitern 104 und 105; die Zähne des kammartigen Leitermusters bilden die Kondensatorbelege des kapazitiven Meßwandlers. Eine Belegmusterabmessung entspricht der Entfernung zwischen den Mittelpunkten der Zähne des kammartigen Musters, oder der Entfernung vom Anfang eines Belegmusters bis zum Anfang der ersten Widerholung des Belegmusters. Die beweglichen Belegleitermuster sind den stationären sehr ähnlich und weisen die gleiche Wiederholungsrate auf, wobei das Cosinus-Muster 114 um 1/4 Musterlänge relativ zum Sinus-Muster 112 verschoben ist. Das stationäre Belegmuster muß mindestens die gleiche Länge der Verschiebung des Magnetläufers 10 plus der Länge des beweglichen Meßwandler-Belegmusters aufweisen. Das bewegliche Belegmuster kann relativ kurz sein und nur wenige Zähne in jedem der kammartigen Belegmuster aufweisen.

Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die stationären und die beweglichen Meßwandlerteile mit beträchtlichem Abstand dargestellt; in der Praxis wird der Abstand so klein wie möglich gehalten, da er maßgebend für die Genauigkeit des Meßwandlers ist. Wird die Vorrichtung in einem Plattenspeicher benutzt zur Positionierung der Aufzeichnungs- und Wiedergabeköpfe, so ist die Wiederhol rate des Beleg-Leiterzugmusters vorzugsweise gleich dem Abstand der Aufzeichnungsspuren; letztere beträgt beispielsweise 0,8 mm. Der Abstand zwischen dem stationären und dem beweglichen Belegmuster des Meßwandlers sollte vorzugsweise kleiner als eine halbe Leiterzugwiederhol rate sein.·

Das stationäre Muster 102 des Meßwandlers ist mit dem Oszillator 120 verbunden, der ein Versorgungssignal mit einer Frequenz von z.B. 100 kHz liefert. Das Sinus-Belegmuster ist mit einem parallelen Leiterzugsatz 121 des beweglichen Meßwandlerelementes verbunden, während das Cosinus-Belegmuster 114 mit dem parallelen Leiterzugsatz 122 des beweg-

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lichen Meßwandlerelementes verbunden ist. Die beweglichen Leiter 1.21 und 122 sind auf die stationären Leiterzüge 125 und -12-6 ausgerichtet, um so die Sinus- und Cosinus-Signale vom beweglichen Element auf das stationäre Element zurlickzuübertragen.

Wenn das stationäre Element mit Strom versorgt und das bewegliche Element deckungsgleich darüber angeordnet ist, besteht maximale kapazitive Kupplung und Signalübertragung zwischen den kapazitiven Belegen der beiden Elemente. Verschiebt sich das bewegliche Belegmuster um eine halbe Musterlänge, so sind die kammartigen Belegmuster beider Elemente wieder deckungsgleich, jedoch in Bezug auf die entgegengesetzte Seite des Musters gegenüber, so daß wieder eine maximale Kupplung und Signalübertragung gegeben ist, jedoch mit umgekehrter Polarität. Bei 1/4- und 3/4-Schrittverschiebung des beweglichen Elementes gegenüber dem stationären besteht minimale Kupplung und Signalübertragung. Bewegt sich das bewegliche Element mit gleichbleibender Geschwindigkeit, dann ändert sich die Signalamplitude in den Sinus- und Cosinus-Mustern 112 and 114 so, daß modulierte Sinus- und Cosinus-Signale erzeugt werden, wie im oberen Teil von Fig. 6 dargestellt. Die entsprechend der Position von beweglichem gegenüber stationärem Element modulierten Signale der Muster 112 und 114 werden kapazitiv über die Belege 121 und 122 des beweglichen Elementes auf die Belege 125 und 126 übertragen.

Die Ausgänge von 125 und 126 sind mit dem Sinuskurven~Demodulatorkreis 130 bzw. dem Cosinuskurven-Demodulatorkreis verbunden, die ihrerseits mit den Schaltkreisen 132 bzw. zum Herstellen von entsprechenden Sinus- und Cosinus-Rechteckkurven-Signalen verbunden sind. Die Ausgangssignale der Demodulatoren sind in Fig. 6 in der Mitte (zwei Kurven) dargestellt und entsprechen der umhüllenden Amplitude der demodulierten Signale. Die Amplitude dieser Signale ändert sich entsprechend der relativen Stellung der stationären und der beweglichen Elemente des Meßwandlers zueinander. Die demodu-Tierten Signale werden den Stromkreisen 132 und 133 zugeführt,

die ein positives Ausgangssignal mit vorbestimmter Amplitude erzeugen, wenn das Eingangssignal positiv ist, und ein negatives Ausgangssignal, wenn das Eingangssignal negativ ist. Die rechteckigen Signale von den Ausgängen der Schaltkreise 132 und 133 sind im unteren Teil in Fig. 6 dargestellt. Die Ausgangssignale der Kreise 132 und 133 werden monostabilen MuI tivibratorkreisen 134 und 135 zugeführt, die auf ein positives Tor-Signal (Tor Eingang G) und ein positives Einschaltstoßsignal (Trigger Eingang T) reagieren und ein kurzes Ausgangsimpulssignal erzeugen. Der Ausgang des Cosinus-Schaltkreises 133 ist mit dem Tor Eingang G der monostabilen Multivibratorschaltkreise 134 und 135 verbunden, und der Ausgang des Sinus-Schaltkreises 132 mit dem Trigger Eingang T des monostabilen Multivibratorschaltkreises 135.

Bewegt sich das bewegliche Element des Meßwandlers entsprechend Fig. 6 von links nach rechts, dann ist beim Annähern an Punkt A am Anfang eines Belegmusters der Ausgang von 133 positiv, worauf die Multivibratorschaltkreise 134 und 135 ein Ausgangsimpulssignal erzeugen. Im Punkt A ändert das Ausgangssignal von 132 sein Vorzeichen und wird positiv und wirkt als Trigger für den MuI tivibratorschaltkreis 134, der ein Ausgangsimpulssignal erzeugt. Bewegt sich jedoch der Läufer in entgegengesetzter Richtung, vdri rechts nach links, dann ist beim Annähern an Punkt B am Anfang eines Belegmusters das Ausgangssignal von 133 positiv und triggert die Multivibratorschaltkreise 134 und 135. Im Punkt B ändert bei dieser Bewegungsrichtung das Ausgangssignal von 132 sein Vorzeichen und wird negativ und dem invertierten Triggereingang des Multivibratorschaltkreises 135 zugeführt, der ein Ausgangsimpulssignal erzeugt. Bei Bewegung in eine Richtung erzeugt der Multivibrator 134 ein Signal am Beginn eines jeden Belegmusters und damit einer jeden Aufzeichnungsspur, während bei Bewegung in die entgegengesetzte Richtung der Multivibrator 135 ein solches Signal erzeugt. Der Vorwärts/Rückwärts-Zähler 136 wird benutzt, um durch Zählen der Impulssignale die tatsächliche Position des Aufnahme/Wiedergabekopfes zu bestimmen. Hierzu wird der Ausgang

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des Multivibrators 134 mit dem Vorwärtszähl-Eingang und der Ausgang des Multivibrators 135 mit dem Rückwärtszähl Eingang von 136 verbunden. So nimmt die Zahl Q im Zähler 136 zu oder ab, entsprechend der Spurbewegung des Linear-Motors,

Auf den-:Digital-Komparator 140 wird vom Positionsgeber 141 ein Digitalwort P, das der gewünschten Spur-Position des Aufzeichnungs/Wiedergabekopfes entspricht, gegeben, sowie ein Digitalwort Q vom Zähler 136, das der tatsächlichen Kopf-Position entspricht. Die Ausgänge des Komparators 140 sind mit den Torkreisen 142 bis 144 verbunden. Ist der Wert der gewünschten Position^größer als der der tatsächlichen Position Q, wirdTor 142 aktiviert, um so den Läufer und die mit diesem verbundene Kopfeinheit mit größtmöglicher Geschwindigkeit in die Vorwärts-Richtung zu bewegen, Ist der Wert der gewünschten Position P geringer als der der tatsächlichen Position Q,wird das Tor 143 aktiviert, um so den Läufer und damit den Kopf in die entgegengesetzte Richtung mit größtmöglicher Geschwindigkeit zu bewegen. Entspricht die gewünschte Position P der tatsächlichen Position Q, wird Tor 144 aktiviert und übernimmt die Feinpositionierung, bei der der Läufer des Linearmotors und damit der Kopf in die Mitte der betreffenden Aufzeichnungsspur geführt und in dieser Position gehalten wird.

Wie im oberen Teil von Fig. 5 dargestellt, sind die Wicklungen 30 und 32 des Linear-Motors mit einer Vier-Transistor-Brückenschaltung verbunden. Der Kollektor des NPN-Leistungs-■ transistors 1.53 ist mit dem Plus-Pol einer 12V Versorgungsstromquelle verbunden,und sein Emitter ist mit einem Ende der Wicklungen 30 und 32 verbunden, während das andere Ende der Wicklungen 30 und 32 mit dem Emitter des Komplementär-PNP-Transistors 156 verbunden ist, dessen Kollektor mit dem Minus-Pol einer 12V Stromversorgungsquelle verbunden ist. In gleicher Weise ist der Kollektor des NPN-Transistors 155 mit dem Plus-Pol der 12V Stromquelle und sein Emitter mit einem Ende der Wicklungen 30 und 32 verbunden, während das andere Ende der Wicklungen 30 und 32 mit dem Emitter des Komplementär-

PNP-Transistors 154 verbunden ist, dessen Kollektor mit dem Minus-Pol der 12V Stromquelle verbunden ist. Sind die Transistoren 153 und 156 leitend, so fließt der Strom durch die Wicklungen 30 und 32 in die eine Richtung, während er in die entgegengesetzte Richtung fließt, wenn die Transistoren 154 und 155 leitend sind. Durch wechsel weises Beaufschlagen je eines Transistorpaares mit Strom kann die Stromrichtung in den Wicklungen und damit die lineare Bewegungsrichtung des Motors gesteuert werden.
Die Ausgänge der Tore 142 bis 144 sind mit einem Verstärker

150 verbunden, der seinerseits über einen Invertierverstärker

151 und die Basiswiderstände 157 und 158 mit den Basiselektroden der Transistoren 153 und 154 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 150 ist über einen (nicht invertierten) Verstärker 152 und die Basiswiderstände 159 und 160 auch mit der Basis der Transistoren 155 und 156 verbunden. Ein positives Ausgangssignal des Verstärkers 150 erzeugt über den Verstärker 152 ein positives Signal an der Basis der Transistoren 155 und 156, und über den Invertierverstärker 151 ein negatives Signal an der Basis der Transistoren 153 und 154, wodurch die Transistoren 155 und 154 leitend werden. Ähnlich gibt ein negatives Ausgangssignal vom Verstärker ein positives Sigbal auf die Transistoren 153 und 154 und ein negatives Signal auf die Transistoren 155 und 156, wodurch die Transistoren 153 und 156 leitend werden. Der Grad der Leitfähigkeit der Transistoren in der Brückenanordnung hängt von der Amplitude des Ausgangssignals vom Verstärker 150 ab.
Das Tor 142 ist mit einer positiven Stromquelle verbunden, während das Tor 143 mit einer negativen Stromquelle verbunden ist. Steht Tor 142 auf EIN, wird ein positives Signal auf den Verstärker 150 gegeben und so ein Transistorpaar der Brückenschaltung in den voll-1eitenden Zustand versetzt; es fließt ein maximaler Strom durch die Motorwicklungen 30 und 32 in eine Richtung. Steht andererseits Tor 143 auf EIN, wird dem Verstärker 150 ein negatives Signal zugeführt und das andere Transistorpaar der Brückenschaltung in den vol1-1 eitenden Zu-

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stand versetzt; in diesem Fall fließt ein maximaler Strom durch die Wicklungen 30 und 32 in entgegengesetzter Richtung.

Steht Tor 144 auf EIN, dann wird das Ausgangssignal des Sinus-Dernodul atorkreises 130 durch das Tor dem Verstärker 150 zugeführt.

Wie aus der dritten Kurve von oben, Fig. 6, entnommen werden kann, ist das vom Kreis 130 kommende demodulierte Signal im Punkt C,dem Zentrum der Spur, gleich Null. Weicht die tatsächliche Position nach einer Seite der Spur ab, ist das Signal positiv; weicht die tatsächliche Position jedoch nach der anderen Seite ab, ist das Signal negativ. Wird das demodulierte Sinus-Signal auf den Verstärker 150 gegeben, werden die Wicklungen 30 und 32 mit Strom versorgt und. der Motor in Richtung auf die Mitte der Spur bewegt, wobei das Antriebssignal sich verringert, wenn die Spurmitte ßrreicht ist.Das Antriebssignal hält auch den Motor auf der Spurmitte; jede Abweichung von der Spurmitte wird vom Positionsmeßwandler registriert und die zur Mitte treibende Kraft wird wieder wirksam.

Wird im Betrieb vom Stromkreis 141 die gewünschte Position angegeben, werden die Wicklungen 30 und 32 mit Strom versorgt und der Motor bewegt sich mit maximaler Geschwindigkeit in Richtung auf die angegebene Spur durch die Aktivierung der Kreise 142 oder 143. Signale vom Positionsmeßwandler 100 erzeugen nach Verarbeitung durch die Kreise 130 bis 135 Impulse zum Einstellen des Zählers vom Zählwerk 136, wodurch ständig die tatsächliche Position der Spur angegeben wird. Ist die gewünschte Spurposition erreicht, stellt die Vorrichtung auf Fein-Positionierung um durch die Aktivierung des Tores 144, wodurch der Motor in die Mitte der Spur bewegt und dort gehalten wird.

Zwei weitere Ausgestaltungsformen von alternativen Statorkonstruktionen sind in Fig. 7 und 8 dargestellt. Die Statoreinheit aus Fig. 7 weist zwei Kernstücke auf: das U-förmige Kernstück 170 mit den beiden parallelen Schenkeln 171 und 172 und das U-förmige Kernstück 173 mit den parallelen

Schenkeln 174 und 175. Die freien Enden der Schenkel 171 und 172 und 174 und 175 sind voneinander getrennt und bilden die Luftspalte 176 und 177. Die Enden der Schenkel sind abgeschrägt, wodurch sich die Luftspalte vom Magneten 10 weg verbreitern. Die Spulenwicklung 30 umgibt die Schenkel 171 und 174, während die Spulenwicklung 32 die Schenkel 172 und 175 umgibt.

Der Magnetstrom fließt von der Nordpoloberfläche des Magneten 10 über den Luftspalt oberhalb des Magneten, durch die Schenkel 171 bzw. 174 und 172 bzw. 175, überquert den unteren Luftspalt und fließt zurück zur Südpoloberfläche des Magneten 10. Der Magnetstrom kann sich auch teilen und den Wegen durch die Schenkel 171 und 172 sowie 174 und 175 folgen. Der vom Magnetstrom eingeschlagene Weg hängt von der jewei- !igen Position des Magneten 10 ab. Wie aus der Position des Magneten 10 ersichtlich, bleiben die Luftspalte für den Magnetstrom fast gleich, unabhängig von der Position des Magneten.
Der durch die Wicklungen 30 und 32 erzeugte Magnetstrom kreist durch die Kern.stücke 170 und 173, durch die Schenkel 171 und 172, 174 und 175 und über die Luftspalte 176 und 177. Die Luftspalte 176 und 177 sind groß genug, um eine Sättigung der Kernstücke zu verhindern. In der Anordnung nach Fig. 7 herrscht Symmetrie in Bezug auf den zentralen Punkt der Magnetbewegung, was zur Folge hat, daß der Magnet wenig Neigung zeigt, sich in eine bestimmte, vorzugsweise Position zu bewegen. Diese Anordnung wird vorzugsweise für Linear-Motoren mit relativ langem Magnetweg verwendet.

Die Statoreinheit entsprechend Fig. 8 weist nur eine Wicklung 185, aber zwei bewegliche Magneten 190 und 191 auf. Der Magnetkern 180 ist E-förmig und weist die parallelen Schenkel 182, 1983 und 184 sowie ein diese verbindendes Brückenteil 181 auf. Der Kern 180 besteht tatsächlich aus zwei U-förmigen Kernstücken. Die Spulenwicklung 185 umgibt den mittleren Schenkel 184. Eine magnetische Platte 187 verbindet die freien Schenkelenden 182 und 184 miteinander, ist

aber von diesen durch ein nicht-magnetisches Distanzstück 186 getrennt. Der in der Wicklung 185 erzeugte Magnetfluß teilt sich und fließt in einem ersten Weg durch den Schenkel 184, das obere Brückenteil 181, den Schenkel 182 und die Platte 187; der zweite Weg führt zunächst ebenfalls durch den Schenkel 184, dann durch das untere Brückenteil 181, den Schenkel 183 und die Platte 187, die den Streufluß reduziert während das Distanzstück 186. ausreicht, um den Wicklungsfluß so weit zu reduzieren, daß Sättigung des Kernes vermie- den wird.

Der Magnetfluß vom Magneten 190 fließt von der Nordpoloberfläche durch den Schenkel 182, das Brückenteil 181, den Schenkel 184 und zurück zur Südpol oberfläche des Magneten 190_anachdem der Luftspalt einschließlich des oberen Wicklungstßiles 185 überquert wurde. Der Magnetfluß vom Magneten 191 fließt von dessen Nordpoloberfläche durch den Schenkel 183, das Brückenteil 181, den Schenkel 184 und zurück zur Südpoloberfläche des Magneten 191, nachdem der Luftspalt einschließlich des unteren Wicklungsteiles 185 überquert wurde. Der Stromfluß durch den oberen Teil der Wicklung 185 wirkt mit dem Magnetfluß vom Magneten 190 zusammen und erzeugt eine Kraft, die den Magneten 190 bewegt, während der Stromfluß durch den unteren Teil der Wicklung 185 mit dem Magnetfluß vom Magneten 191 zusammenwirkt und eine Kraft erzeugt, die den Magneten 191 bewegt.

Die Magneten 190 und 191 sind auf einem gemeinsamen Läufer montiert (nicht dargestellt), so daß sich die die Magneten bewegenden Kräfte addieren. Die Anordnung nach Fig. 8 hat den Vorteil, daß nur eine Wicklung benötigt wird, und der Stromfluß durch beide Teile der Wicklung ausgenutzt wird.

Obwohl in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur einige beispielhafte Ausführungsformen im einzelnen beschrieben werden, ist es selbstverständlich, daß eine Anzahl weiterer Ausgestaltungsformen im Rahmen der Erfindung möglich sind.

Leerseite

Claims

Patentansprüche:

j y Lineare Positionier-Vorrichtung bestehend aus ^einem linearen permanentmagnetischen Motor mit einem U-förmi-

gen Statorkern aus magnetischem Material mit parallelen Schenkeln und mindestens einer Wicklung um einen dieser Schenkel, wobei der Wicklungsdraht aus magnetisierbarer!) Material besteht, sowie einem permanentmagnetischen Läufer, der parallel zu den Statorschenkeln verschiebbar angeordnet und diagonal magnetisiert ist, so daß der magnetische Fluß mit dem vom Stromfluß durch die Wicklungen erzeugten Feld zusammenwirkt, um den Magnetläufer zu bewegen, dadurc ge k.ennze ichnet, daß die Vorrichtung weiterhin einen Positionsmeßwandler bzw. Positionssensor aufweist, bestehend aus einem stationären und einem beweglichen Bauteil, wobei das stationäre Teil am Statorkern und das bewegliche Teil am Magnetläufer angebracht ist; sowie eine Schaltungsvorrichtung, die ein der tatsächlichen Läuferposition entsprechendes Signal als Funktion der relativen Lage der Bauteile des Positionsmeßwandlers zueinander liefert; und wei-

terhin eine Steuervorrichtung, die ein Signal als Funktion des Vergleichs einer vorgegebenen und der tatsächlichen Läuferposition liefert und bewirkt, daß die Wicklung(en) des Statorkernes mit einem Signalstrom geeigneter Polaritat versorgt wird (werden), um so den Läufer in die vorgegebene Position zu bringen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stationäre Bauteil des Positionsmeßwandlers an der Oberfläche der um den Schenkel des Statorkernes abgebrachten Wicklung angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Schaltungsanordnung zur groben Positionierung aufweist, die die Wick!ung(en) mit Strom versorgt, um so den Läufer des Motors mit maximaler Geschwindigkeit in die Nähe der vorbestimmten Position zu bringen, sowie eine Schaltungsanordnung, die die Wicklung(en) mit Strom zur Fein- und Endpositionierung versorgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen zweiten U-förmigen Kern aus magnetischem Material mit parallelen Schenkeln und eine zweiten Wicklungsanordnung aufweist, und daß jede der Wicklungen einen Schenkel eines der Kerne umgibt; und daß jeder der einander zugeordneten Schenkel eines der Kerne vom Schenkel des anderen Kernes durch einen Arbeitsluftspalt getrennt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern E-förmig mit drei parallelen Schenkeln ausgeführt ist und die Wicklung den zentralen Teil eines der Schenkel umgibt; und daß ein zweiter Permanentmagnet zwischen dem zentralen und dem dritten Schenkel angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern zwei Schenkel aufweist und U-förmig ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwandler ein kapazitiver Positionsmeßwandler verwendet wird.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Positionsmeßwandler im Arbeitsluftspalt des Motors angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsmeßwandler ein optischer ist.
10.. Vorrichtung nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsmeßwandler induktiv ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Wicklungen aus verkupfertem Eisen bestehen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsmeßwandler kapazitiv ist mit einem sich wiederholenden Leitermuster, dessen Abmessung dem Abstand der Aufnahmespurmitte entspricht bzw. dieser angepaßt ist.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese zur Positionierung eines Aufnahme-Wiedergabekopfes für einen Vielspur-Plattenspeicher dient.
14« Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsmeßwandler ein Positionssignal liefert, das der Position des Kopfes entspricht; und daß dieses Positionssignal eine Information liefert, die je-

dem Spurwechsel des Kopfes entspricht und einen Amplituden-Zuwachs aufweist, der eine Funktion der Entfernung von der Mitte der Spur, zumindest im Bereich in der Nähe der Spurmitte, ist; und daß die Vorrichtung einen Positionier-Steuerkreis mit einem Zähler enthält, und aufgrund der vom Positionsmeßwandler gelieferten, den einzelnen Spurwechseln entsprechenden Signalen eine Zählangabe liefert, die der tatsächlichen Aufzeichnungsspur-Position entspricht; und eine Vorwärts-Rückwärts-Kreisantriebsstromschaltung, die die Statorwicklung mit Strom entsprechender Polarität versorgt und bewirkt, daß der Läufer und damit der Kopf sich auf die gewünschte Spur zu bewegt; und weiterhin eine mit dem Positionsmeßwandler verbundene Feinpositionierungs-Schaltung, die aufgrund der Amplitude des vom Meßwandler gelieferten Signals ein Stromsignal erzeugt, das der Wicklung des Stators zugeführt wird, um so den Kopf in der Mitte der ausgewählten Spur zu positionieren.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionssignal eine Sinus-förmige Komponente enthält, und daß der übergang von einer Spur zur nächsten jeweils einem Polaritätswechsel der vom Meßwandler gelieferten Sinus-f örmigen Signal komponente enspricht.