DE69817231T2

DE69817231T2 - Elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE69817231T2
Application number: DE69817231T
Authority: DE
Inventors: Chinniah B. Dundee DD2 1PA Rajanathan
Original assignee: NCR International Inc
Current assignee: NCR International Inc
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-01-26
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JP4055967B2; JPH1127919A; ZA98838B; EP0856854B1; DE69817231D1; US5834863A; EP0856854A2; EP0856854A3; GB9702192D0; ES2203884T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Aktuatoren, speziell auf lineare Aktuatoren, wie sie bei der Positionierung, der Ausübung von Kräften auf ein Werkstück und bei einer hin- und hergehenden Bewegung benutzt werden.
In unserer früheren europäischen Patentanmeldung EP 0748670 A ist eine Aktuatorvorrichtung beschrieben und dargestellt, welche zwei starr miteinander verbundene ähnliche Teile umfasst. Jedes Teil hat eine zylindrische Eisenstruktur mit einem äußeren hohlen Rohrabschnitt und einem inneren Abschnitt, und beide Abschnitte sind durch Endplatten so miteinander verbunden, dass zwischen ihnen ein Ringspalt gebildet wird, wobei jeder Teil im Längsschnitt eine E-Form hat. Die beiden Teile liegen einander gegenüber und definieren einen gemeinsamen ringförmigen Hohlraum zwischen ihren äußeren und inneren Teilen. In dem Hohlraum kann ein Kupferrohr seitlich gleiten. Zur Übertragung von Bewegungen des Kupferrohres außerhalb des Hohlraumes haben die äußeren Abschnitte längs verlaufende Schlitze, und am Kupferrohr sind durch die Schlitze nach außen ragende radiale Speichen angebracht. An ihrem Fuß sind die inneren Teile von elektrischen Spulen umgeben, und bei einer Wechselstromerregung der Spulen bewegt sich das Kupferrohr infolge des Zusammenwirkens der im Kupferrohr induzierten Wirbelströme mit dem magnetischen Feld in den Eisenstrukturen. Die Kraft/Verschiebungs-Charakteristik des Kupferrohres bei erregter Spule ist so, dass seine Position sich durch Differentialerregung der beiden Spulen verändern kann, so dass die Vorrichtung als Positionierungsvorrichtung wirkt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines elektromagnetischen Aktuators verbesserter Konstruktion und vielseitigerer Anwendung.
Gemäß der Erfindung enthält ein elektromagnetischer Aktuator ein aus ferromagnetischem Material hergestelltes erstes Teil und ein aus elektrisch leitendem Material hergestelltes zweites Teil, wobei das feste Teil einen äußeren hohlen Rohrabschnitt und einen so angeordneten zentralen Kern bildet, dass zwischen dem äußeren Abschnitt und dem Kern ein Ringspalt entsteht. Der bewegliche Teil befindet sich im Ringspalt und kann in diesem linear gleiten, und um den zentralen Kern sind elektrische Spulen herumgewickelt. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das feste Teil eine zentral in dem Spalt angeordnete Scheibe umfasst, welche den Spalt längs in zwei kürzere Spalten beiderseits von ihr aufteilt, und der zentrale Kern besteht aus zwei Teilen, von denen jeder an gegenüberliegenden Oberflächen der Scheibe befestigt ist. Um jeden Teil des Kerns ist eine elektrische Spule herumgewickelt, und der bewegliche Teil umfasst zwei getrennte ringförmige Elemente, die jeweils in einen der kürzeren Spalte gleiten können, und diese Elemente sind durch Befestigungsmittel starr miteinander verbunden, so dass sie gemeinsam gleiten.
Bei der Ausführung der Erfindung können die Befestigungsmittel eine durch beide Teile des Kerns hindurch verlaufende zentrale Bohrung aufweisen, in welcher eine Stange gleiten kann, und die ringförmigen Elemente des beweglichen Teils sind starr an gegenüberliegenden Enden der Stange befestigt. Vorzugsweise ist die Stange innerhalb der zentralen Bohrung mit Linearlagern montiert.
Die Teile der zentralen Bohrung haben vorzugsweise in Richtung von der zentralen Scheibe weg zunehmende Durchmesser, und diese Durchmesserzunahme erfolgt stufenweise.
Der Aktuator kann als Positionierungsvorrichtung dienen. Hierbei werden die beiden Spulen differentiell erregt, und die leitenden Rohre nehmen eine Position ein, welche vom Verhältnis der in den beiden Spulen fließenden Ströme abhängt. Der Aktuator kann auch zur Kraftausübung dienen, und in diesem Modus wird nur eine Spule erregt. Durch abwechselnde Erregung der beiden Spulen lässt sich eine hin- und hergehende Linearbewegung erreichen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei nunmehr auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktuator;
2 eine Kraft/Verschiebungs-Kurve für den Aktuator nach 1;
3 eine Kraft/Verschiebungs-Kurve, wenn der Aktuator für kontinuierliche Hin- und Herbewegung ausgelegt ist;
4 ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltung für den Betrieb des Aktuators als Positionierungsvorrichtung; und
5 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs der Schaltung nach 4.
Es sei zunächst 1 betrachtet, welche einen Längsschnitt durch einen Aktuator zeigt, der einen aus Ferritmaterial bestehenden festen Teil und einen aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden beweglichen Teil hat. Der feste Teil hat eine zentrale dicke zylindrische Scheibe 1, an welcher ein äußeres dünnwandiges zylindrisches Rohr 2 befestigt ist. Das Rohr 2 verläuft beiderseits der Scheibe 1 über eine gewisse Distanz. Zwei zentrale Ferritkerne 3 und 4 sind beiderseits an die Scheibe 1 angebracht und ragen axial in entgegengesetzte Richtungen innerhalb des vom Rohr 2 definierten Volumens. Der Zwischenraum zwischen den Kernen 3 und 4 und der äußeren zylindrischen Wand 2 bildet Ringspalte 5 und 6.
Die Kerne 3 und 4 sind beide abgestuft, so dass ihr Durchmesser mit der Entfernung von der Scheibe 1 zunimmt. Um die zentralen Kerne 3 und 4 herum sind elektrische Spulen 7 und 8 nahe der Scheibe 1 innerhalb der Ringspalte 5 und 6 angeordnet.
Der bewegliche Teil des Aktuators umfasst zwei dünnwandige Rohre 9 und 10 mit geschlossenen Enden 11 und 12. Die Rohre 9 und 10 sitzen innerhalb der Spalte 5 und 6 und können in diesen in Längsrichtung gleiten. Sie können günstig aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Die Rohre 9 und 10 sind aneinander befestigt, so dass sie gemeinsam gleiten. Zur Befestigung der Rohre aneinander ist eine zentrale Bohrung 13 vorgesehen, die durch beide Kerne 3 und 4 verläuft. Durch die Bohrung 13 verläuft eine Stange 14, deren Enden starr mit den Endscheiben 11 und 12 der Rohre 9 und 10 verbunden sind. Um die Gleitbewegung der Stange 14 zu ermöglichen, können zwischen Stange 14 und der Innenfläche der Bohrung 13 Linearlager vorgesehen sein. Die Rohre 9 und 10 und die sie verbindende Stange 14 bilden ein Verbundteil 15, das innerhalb Grenzen in den beiden entgegengesetzten Richtungen linear bewegt werden kann.
Der Betrieb des Aktuators nach 1 hängt von der Art ab, in welcher die beiden Spulen 7 und 8 erregt werden. Eine Erregung der Spule 7 oder 8 mit Wechselstrom, üblicherweise aus dem 50 Hz-Netz, führt zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfel des in den Ferritelementen, welches seinerseits Wirbelströme in dem leitenden Teil 15 erzeugt. Die Wirbelströme reagieren mit dem magnetischen Feld unter Bildung einer Kraft, welche nach außen auf das leitende Teil 15 wirkt. Wird nur einer Spule Wechselstrom zugeführt, dann gilt die in 2 gezeigte Beziehung zwischen Kraft und Verschiebung. Man sieht, dass bei dem gestuften Kern beim Herausgleiten des Teiles 15 aus einer zentralen Position die Kraft über einen kleinen Bereich leicht zunimmt und dann mit weiterer Verschiebung praktisch linear abnimmt. Zum Vergleich ist in demselben Maßstab auch eine Kraft/Verschiebungs-Kurve für einen nicht gestuften Kern gezeichnet. Man sieht, dass über praktisch den gesamten Bewegungsbereich des Teils 15 die auf ihn wirkende Kraft bei einem abgestuften Kern erheblich größer ist.
Zur Betätigung des Aktuators als Linearmotor für Hin- und Herbewegung kann man die in 1 gezeigte Schaltung benutzen. Die beiden Spulen 7 und 8 werden beide durch Triacs T₁ und T₂ von Anschlüssen 21 und 22 aus gespeist, welche an eine 50 Hz-Netzstromquelle angeschlossen sind. Das Zünden der Triacs T1 und T₂ wird durch Sensoren D₁ und D₂ in Form von Photodioden derart gesteuert, dass die Spulen abwechselnd erregt werden. Zu irgendeinem Zeitpunkt ist der Zündwinkel des einen Triacs 0°, und derjenige des anderen Triacs 180°, d. h., dass ein Triac eingeschaltet und das andere ausgeschaltet ist. Zu diesem Zweck stellen die Photodioden D₁ und D₂ die beiden Enden der Wanderbewegung des Teils 15 fest und triggern die Triacs dementsprechend.
Die Bewegung des Gleitteils ist in 3 gezeigt. An einer mit A markierten mittleren Position beträgt der Zündwinkel des Triacs T₂ 0°, so dass die Spule 8 erregt wird bzw. eingeschaltet ist, während der Zündwinkel des Triacs T₁ 180° beträgt und demgemäss die Spule 7 nicht erregt oder "abgeschaltet" ist. Daher bewegt sich das Gleitteil nach rechts, bis es das Ende seines Weges bei B erreicht, was von der Photodiode D₂ festgestellt wird. An diesem Punkt ändert sich der Zündwinkel des Triacs T₂ in 180°, so dass die Spule 8 abgeschaltet wird. Gleichzeitig stellt die Photodiode D₁ auch das Ende des Weges des Gleitteils fest und ändert den Zündwinkel des Triacs T₁ in 0°, so dass die Spule 7 eingeschaltet wird. Das Gleitteil bewegt sich nun voll nach links, wie durch seine Bewegung von B nach C und danach nach D gezeigt ist. An diesem Punkt stellen die Photodioden das Ende der Linksbewegung fest und bewirken eine Umkehrung der Zündwinkel der jeweiligen Triacs und damit eine entsprechende Bewegungsumkehr des Gleitteils von D nach A und von dort wiederum nach B. Die Geschwindigkeit der Bewegungsumkehr des Gleitteils hängt von der mit ihm verbundenen Last ab.
Für einen Betrieb als Positionierungsvorrichtung werden die Dioden D₁ und D₂ durch einen einzigen kontinuierlichen Positionssensor ersetzt, und die Zündwinkel der Triacs T1 und T2 werden kontinuierlich variabel gemacht. Eine geeignete Schaltung hierfür ist in 4 gezeigt. Der Aktuator nach 1 ist in 4 in Blockform als Aktuator 41 eingezeichnet. Er wird über die beiden Triacs T1 und T2 in gleicher Anordnung wie bei 1 mit elektrischer Energie versorgt. Anstatt dass jedoch Photodioden nur das Wegende anzeigen, ist ein Positionssensor 42 vorgesehen, welcher die Position des Gleitteils kontinuierlich erfasst und ein zur Position proportionales Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangssignal wird durch einen Analog/Digital-Wandler 43 an einen digitalen Signalprozessor 44 weitergeleitet und von dort über einen Digital/Analog-Wandler 45 an eine Steuerschaltung 46 für das Gate des Triacs. Die Steuerschaltung 46 liefert Zündimpulse an die Triacs T₁ und T₂.
Die Wirkung der verschiedenen Zündwinkel auf die Kraft/ Verschiebungs-Kennlinie des Aktuators ist in 5 gezeigt. Wird ein kleiner Zündwinkel benutzt, dann gilt die durch die Kurve 51 gezeigte Kraft/Verschiebungs-Kennlinie, welche zeigt, dass die aufgewandte Kraft gut linear mit der Distanz abnimmt. Benutzt man einen großen Zündwinkel, dann gilt die Kurve 52, welche zeigt, dass die anliegende Kraft gut linear mit dem Abstand wächst. Werden beide Triacs von der Steuerschaltung 46 gezündet, dann wirken entgegengesetzte Kräfte auf das Teil 15 ein, so dass dies in eine Gleichgewichtsposition bewegt wird, in welcher diese Kräfte gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind. Diese Position ist in 5 mit 53 bezeichnet. Die tatsächliche Gleichgewichtsposition hängt von den Winkeln der von der Steuerschaltung 46 erzeugten Zündimpulse der Triacs bezüglich der Netzspannung ab.
Die in 4 gezeigte Schaltung mit geschlossener Schleife erlaubt somit eine genaue Positionierung des Teils 15, die über einen weiten Positionsbereich erreichbar ist mit starken Rückkehrkräften gegen jegliche Bewegung aus der Gleichgewichtsposition.
Es ist auch leicht möglich, den in 1 gezeigten Aktuator als Kraftausübungsvorrichtung zu benutzen. Wenn nur eine Spule erregt wird, dann wird auf das Teil 15 in irgendeiner Position eine Kraft ausgeübt, wie es 2 zeigt. Um umgekehrt eine Kraft irgendeiner vorgegebenen Größe auszuüben, lässt sich die erforderliche Position des Teils 15 aus 2 ablesen. Der Aktuator wird anfänglich als Positionierungsvorrichtung in der oben beschriebenen Weise benutzt, um das Teil 15 in die gewünschte Position zu bringen. Die Position des Werkstücks gegenüber dem Teil 15 lässt sich in diesem Zustand so einstellen, dass diese Bewegung kompensiert wird. Dann wird die Stromversorgung beider Spulen abgeschaltet. Dies kann erfolgen, indem die Zündwinkel beider Triacs auf 180° geändert werden. Der Zündwinkel nur eines der beiden Triacs wird dann auf 0° geändert, und damit wird sichergestellt, dass es voll eingeschaltet ist und die mit ihm verbundene Spule maximalen Strom erhält, so dass die auf das Teil 15 und damit irgendein mit ihm verbundenes Werkstück ausgeübte Kraft den vorbestimmten Wert hat. Die Richtung der ausgeübten Kraft hängt davon ab, welche der beiden. Spulen 7 oder 8 erregt wird. Es ist dann möglich, je nach Wunsch entweder eine Zugkraft oder eine Druckkraft auf. das mit dem Teil 15 verbundene Werkstück auszuüben.
In sämtlichen Funktionen des oben beschriebenen Aktuators werden keine elektrischen Schleifkontakte benötigt. Das Gleitteil 15 hat keine externen elektrischen Kontakte und ist robust wie eine Käfigwicklung eines üblichen Induktionsmotors. Der Aktuator kann somit in unwirtlicher Umgebung benutzt werden.

Claims

Elektromagnetischer Aktuator mit einem aus ferromagnetischem Material bestehenden festen Teil und einem aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden beweglichen Teil, von denen der feste Teil einen äußeren hohlen Rohrabschnitt (2) und einen so angeordneten zentralen Kern hat, dass zwischen dem äußeren Abschnitt (2) und der Kern ein Ringspalt besteht, und von denen der bewegliche Teil sich in dem Spalt befindet und in diesem linear gleiten kann, und wobei um den zentralen Kern elektrische Spulen (7 und 8) gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, – dass der feste Teil eine zentral im Spalt angeordnete Scheibe (1) enthält, welche den Spalt axial in zwei kürzere Spalte (5 und 6) beiderseits der Scheibe unterteilt, – dass der zentrale Kern in zwei Abschnitte (3 und 4) unterteilt ist, die jeweils an gegenüberliegenden Flächen der Spule (11) befestigt sind, – dass um jeden Kernabschnitt (3,4) eine elektrische Spule (7,8) gewickelt ist, dass der bewegliche Teil zwei getrennte Ringelemente (9 und 10) aufweist, von denen jedes in einem entsprechenden der kürzeren Spalte (5 oder 6) gleiten kann, und dass Mittel vorgesehen sind, um diese Elemente (9 und 10) starr miteinander zu verbinden, so dass sie gemeinsam gleiten.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel jeweils eine durch beide Kernabschnitte (3 und 4) hindurch verlaufende zentrale Bohrung (13) und eine in dieser Bohrung (13) gleitend bewegbare Stange (14) sowie Mittel zur starren Verbindung der ringförmigen Elemente (9 und 10) des beweglichen Teils mit gegenüberliegenden Enden der Stange (18) aufweisen.
Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden leitfähigen Elemente (9 und 10) koppelnde Stange (14) in Linearlagern innerhalb der zentralen Bohrung (13) montiert ist.
Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Abschnitte (3 und 4) des zentralen Kerns sich in Richtung von der zentralen Scheibe weg vergrößert.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme des Durchmessers der Abschnitte (3 und 4) des zentralen Kerns schrittweise erfolgt.
Linearmotor für Hin- und Herbewegung, gekennzeichnet durch einen elektromagnetischen Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche und elektrische Zuleitungen (21 und 22) für die Spulen (7 und 8), individuelle Schalter (T₁ und T2) für jede Spule und eine Einrichtung zur gleichzeitigen und entgegengesetzten Betätigung der Schalter zwischen "Ein"- und "Aus"-Positionen, wenn der bewegliche Teil (15) des Aktuators Endpositionen seiner Bewegung erreicht.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter Triacs (T1 und T2) aufweisen und die Betätigungsmittel für die Schalter die Winkel der Zündimpulse der Triacs zwischen 0° und 180° umschalten, um die Triacs zwischen ihrem "Ein"- und "Aus"-Zuständen umzuschalten.
Positionierungsvorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Verbindung mit elektrischen Zuleitungen (21 und 22) für die Spulen (7 und 8), und mit einer Steuereinrichtung zur individuellen Steuerung der Größen der jeder Spule zugeführten elektrischen Ströme, um den beweglichen Teil (15) des Aktuators eine Position einnehmen zu lassen, die vom Verhältnis der Größen der Ströme in den Spulen (7 und 8) abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung Triacs (T₁ und T₂) im Weg von der elektrischen Stromversorgung (21 und 22) zu den Spulen (7 und 8) sowie eine Einrichtung zur Steuerung der Zündimpulswinkel für die Triacs enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Positionssensor (42) zur Bestimmung der Position des beweglichen Teils (15) des Aktuators in Verbindung mit einer geschlossenen Schleifenschaltung zur Änderung der Zündimpulswinkel der Triacs entsprechend dem Ausgangssignal des Positionssensors.
Vorrichtung zur Ausübung einer Kraft, gekennzeichnet durch einen elektromagnetischen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zusammen mit einer Vorrichtung zur Bewegung des beweglichen Teils des Aktuators in eine vorbestimmte Position und einer Einrichtung zur Erregung einer ausgewählten der Spulen, wenn sich der bewegliche Teil in der oben genannten Position befindet.