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Sphärischer Motor mit oszillierenden magnetischen Feldern - Dokument DE60305010T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60305010T2 21.09.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001480318
Titel Sphärischer Motor mit oszillierenden magnetischen Feldern
Anmelder Northrop Grumman Corp., Los Angeles, Calif., US
Erfinder Mendenhall, Todd L., Rancho Palos Verdes CA 90275, US
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 60305010
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.11.2003
EP-Aktenzeichen 030268239
EP-Offenlegungsdatum 24.11.2004
EP date of grant 03.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.09.2006
IPC-Hauptklasse H02K 41/03(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02K 41/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein einen Kugelmotor und im Besonderen einen Kugelmotor, der eine Vielzahl von zweiachsigen Magnetelementen umfasst, die auf einer Feldkugel oder einer Ankerkugel angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von dreiachsigen Magnetelementen, die auf der jeweils anderen von Feldkugel oder Ankerkugel angeordnet sind, wobei die zweiachsigen Magnetelemente oszillierende Magnetfelder erzeugen und die dreiachsigen Magnetelemente die oszillierenden Magnetfelder detektieren bzw. erkennen und dann ein magnetisches Betätigungsdrehmoment zum Positionieren der Ankerkugel bereitstellen.

2. Diskussion des verwandten Standes der Technik

Es besteht ein Bedarf, verschiedene Geräte, wie beispielsweise Antennen, Sensoren, Detektoren usw. in eine bestimmte Richtung innerhalb eines gewünschten Sichtfeldes auszurichten. Zur Zeit werden diese Vorrichtungen typischerweise an einer zwei- oder dreiachsigen Kardananordnung aufgehängt, wobei jede Achse einen getrennten Kardanrahmen umfasst, welcher durch einen getrennten Motor gesteuert wird, um das Gerät in die gewünschte Richtung zu richten. Solche Kardananordnungen verwenden typischerweise komplexe Dreh-/Winkel-Gelenke, welche ein vergleichsweise großes und komplexes System ergeben, das manchmal für bestimmte Anwendungen ungeeignet ist.

Aus dem Stand der Technik sind Kugelmotoren bekannt, die weniger Platz brauchen und ein Gerät in drei Freiheitsgraden drehen und ausrichten können. Jedoch verwenden heutige Kugelmotorausgestaltungen typischerweise extrem komplexe Algorithmen und Modellierungstechniken, die ihre Umsetzung schwierig, unpraktisch und zu teuer machen.

US 5,410,232, erteilt an Smith, veranschaulicht dieses Problem. Das '232-Patent offenbart einen Kugelmotor 10 einschließlich eines sphärischen bzw. kugelförmigen Stators bzw. Ständers 12, der einen kugelförmigen Rotor bzw. Läufer 18 umgibt. Geeignete Lager sind vorgesehen, so dass der Läufer 18 sich innerhalb des Ständers 12 drehen kann. Eine Motorwelle 24 ist am kugelförmigen Läufer 18 befestigt und erstreckt sich durch eine Öffnung 26 im Ständer. Der Motor 10 stellt eine dreiachsige Positionierung der Welle 24 innerhalb der Öffnung 26 bereit. Der kugelförmige Läufer 18 umfasst eine Vielzahl von Läufermagneten oder-polen 22, die auf seiner äußeren Oberfläche angeordnet sind, und der sphärische Ständer 12 umfasst eine Vielzahl von Ständerpolen 14, die an seiner inneren Oberfläche angeordnet sind. Die Ständerpole 14 sind steuerbare elektrische Wicklungen zw. Spulen und die Läuferpole 22 sind Permanentmagnete, die durch einen magnetischen Kern definiert sind. Die Magnetfelder der Pole 14 und 22 wirken zusammen, um ein Drehmoment auf den Läufer 18 auszuüben, um die Welle 24 zu positionieren.

Der Motor 10 umfasst ein Orientierungsmesssystem 40 mit einem kugelförmigen Raster 42, das auf der äußeren Oberfläche des Läufers 18 vorgesehen ist. Das Raster umfasst einen Satz symmetrisch beabstandeter radialer Linien, die kontinuierlich auf einen Punkt P konvergieren, wo sich die Motorwelle 24 befindet, und einen Satz paralleler Linien, die zu den radialen Linien orthogonal sind. Das System 40 verwendet einen mathematischen Algorithmus, um die Position des Läufers 18 relativ zum Raster 42 zu bestimmen und die Magnetfelder zu steuern, um die Welle 24 zu positionieren. Insbesondere verwendet das System 40 das Raster 42, um die Position des Läufers 18 zu bestimmen, und verwendet das den Läuferpolen 22 zugeführte magnetische Feld, um das gewünschte Drehmoment auszuüben.

Die durch die festen Magnetpole 22 erzeugten magnetischen Felder sind extrem kompliziert. Weiterhin ist das magnetische Feld, das der Läufer 18 sieht, jedes Mal unterschiedlich, wenn sich der Läufer 18 bewegt. Es ist daher notwendig, die Position des Läufers 18 relativ zu den festen Polen 22 genau zu kennen. Das Messsystem 40 berechnet das magnetische Feld, so wie es vom Läufer 18 gesehen wird, jedes Mal dann, wenn sich der Läufer 18 bewegt. Die Läuferpole 22 werden an- und ausgeschaltet, um den Läufer 18 in die gewünschte Richtung zu bewegen. Dieser Ablauf benötigt ein sehr ausgefeiltes Positionskenntnisschema für den Läufer 18, welches komplexe Algorithmen verwendet. Es wäre wünschenswert, einen Kugelmotor bereitzustellen, der weit weniger komplex zu steuern ist.

Weitere Dokumente des Standes der Technik:

"An Approach to Basic Design of the PM-type Spherical Motor" (Ebihara et al, Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Seoul, Korea, 21.–26. Mai 2001) offenbart einen Kugelbetätiger bzw. sphärischen Aktuator, der Permanentmagneten auf der inneren Ankerkugel aufweist, die in einem Dreiecksgitter verteilt sind, um Arretierungskräfte zu beseitigen. Die Betätigungsmagnetelemente auf der äußeren Feldkugel sind Polstücke, die jeweils eine einzige Wicklung aufweisen.

WO 02 31945 A (CLARITY LLC; ERTEN GAMZE (US)) vom 18. April 2002 zeigt einen einzelnen Permanentmagneten, der an der Ankerkugel eines Kugelaktuators befestigt ist. Der Permanentmagnet kann innerhalb eines Feldes bewegt werden, das durch mehrfache Erregerspulen erzeugt wird, die alle an einer äußeren Kugeloberfläche befestigt sind. Jede Erregerspule kann auch dazu verwendet werden, die Position des Permanentmagneten zu messen.

GB-A-2 330 457 (UNIV. SHEFFIELD) vom 21. April 1999 offenbart einen Kugelmotor, welcher eine vollständig aus einem Verbundmagneten hergestellte Ankerkugel umfasst und vier magnetische Pole aufweist. Jeder Pol ist eine Viertelkugel des Läufers. Die äußere Feldkugel umfasst vier Sätze von Wicklungen bzw. Spulen. Getrennte Hallsensoren werden verwendet, um die Läuferposition zu erkennen.

US-A-3 854 341 (QUERMANN T) vom 17. Dezember 1974 betrifft ein Gyroskop. Zweiachsige Feldmagnetelemente werden als Sektormotoren verwendet, um einen Hilfsantrieb bereitzustellen, welcher die Inertialelemente langsam dreht. Zusätzliche Aufnahmedrehmomentspulen werden verwendet, um die Verschiebung des Drehmoments der Inertialelemente zu erfassen und können auch ein Drehmoment erzeugen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Kugelmotor offenbart, der ein Bewegungsdrehmoment in drei Freiheitsgraden gleichzeitig bereitstellt. Der Kugelmotor umfasst eine Außenkugel und eine darin angebrachte innere Kugel, wobei eine der Kugeln eine stationäre Feldkugel und die andere Kugel eine drehbare Ankerkugel ist. Ein erster Satz magnetischer Elemente wird auf der Außenkugel ausgebildet, und ein zweiter Satz magnetischer Elemente wird an der Innenkugel ausgebildet. Ein Satz der magnetischen Elemente sind Feldmagnetelemente, die mindestens zwei Wicklungen bzw. Spulen umfassen, die Magnetfelder in zwei Achsen bereitstellen. Der andere Satz der Magnetelemente sind Sensor/Aktuator-Magnetelemente, die drei Wicklungen bzw. Spulen umfassen, die Magnetfelder in drei Achsen bzw. Achsenrichtungen bereitstellen.

Die Feldmagnetelemente erzeugen ein sich regelmäßig änderndes Magnetfeld. Jedes Sensor-Magnetelement misst seine lokalisierten Magnetfeldänderungen, die durch die Feld-Magnetelemente erzeugt werden und erzeugt ein Drehmoment relativ dazu, um die Ankerkugel zu drehen. Über eine vollständige Feldänderung bzw. -variation der Feldmagnetelemente kann jedes Sensor-Magnetelement ein Drehmoment um alle drei Achsen erzeugen, Weil jedes Sensor-Magnetelement den benötigten Drehmomentvektor erzeugt, ist keine Koordination zwischen den zwei Sätzen von magnetischen Elementen notwendig.

Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen klar, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen aufgenommen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kugelmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte einer Außen- bzw. äußeren Feldkugel, die aus dem in 1 gezeigten Kugelmotor entfernt wurde und eine Vielzahl von Feldmagnetelementen umfasst;

3(a)3(c) sind perspektivische Ansichten eines der in 2 gezeigten Feldmagnetelemente;

4 ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte einer Ankerkugel, die aus dem in 1 gezeigten Kugelmotor entfernt wurde und eine Vielzahl von Sensor/Aktuator-Magnetelementen umfasst; und

5 ist eine perspektivische Ansicht eines der in 4 gezeigten Sensor/Aktuator-Magnetelemente.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der auf einen Kugelmotor gerichteten Erfindung sind lediglich exemplarischer Natur und keineswegs dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu beschränken.

Die vorliegende Erfindung umfasst einen Kugelmotor, der eine Drehung in drei Freiheitsgraden bereitstellt, aber nicht unter den Komplexitäten der aus dem Stand der Technik bekannten Kugelmotoren leidet. Wie weiter unten genauer diskutiert wird, verwendet der erfindungsgemäße Kugelmotor eine Vielzahl von Feldmagneten, die oszillierende Magnetfelder erzeugen, die eine Spannung erzeugen, die proportional zu der Ableitung der Magnetfelder ist. Sensor/Aktuator-Magnete messen diese oszillierenden Magnetfelder über einen vollständigen Magnetfeldoszilliationszyklus. Die Sensor/Aktuator-Magnete erzeugen dann betätigende Magnetfelder, die ein Drehmoment auf die sich bewegende Kugel des Motors ausüben, um ihn auf die gewünschte Stellung zu positionieren. Daher braucht der Motor kein komplexes Sichtsystem zu verwenden, welches die Position der sich bewegenden Kugel des Motors bestimmt.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kugelmotors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kugelmotor 10 umfasst eine äußere bzw. äußere Feldkugel 12 und eine innere Ankerkugel 14. Wie es aus der Diskussion weiter unten klar werden wird, umfasst der Ausdruck "Kugel" auch einen Teil einer vollständigen Kugel und möglicherweise weniger als eine Halbkugel. Zwischen den Kugeln bzw. Sphären 12 und 14 ist eine Lücke definiert, so dass die Ankerkugel 14 sich innerhalb der Feldkugel 12 mittels jedes geeigneten Mechanismus frei drehen kann, wie beispielsweise mittels eines Gebläse-Luftlochs bzw. eines Gebläse-Luftkissens, Kugellagern, elektrostatischer Abstoßung, Flüssigkeitslagern usw. Die Feldkugel 12 umfasst eine Vielzahl symmetrisch angeordneter magnetischer Bereiche 20, die auf einer äußeren Schale 22 der Kugel bzw. Sphäre 12 ausgebildet sind, und die Ankerkugel 14 umfasst eine Vielzahl von symmetrisch angeordneten magnetischen Bereichen 24, die in einer äußeren Schale 32 der Kugel 14 ausgebildet sind. Der Durchmesser der Kugeln 12 und 14 und die Dicke der Schalen 22 und 32 wäre anwendungsbezogen und kann jegliche für die hierin beschriebenen Zwecke geeignete Dimension bzw. Größe umfassen.

Die Ankerkugel 14 umfasst eine an der Schale 32 angebrachte Motorwelle 16, die sich durch eine Öffnung 18 in der Feldkugel 12 erstreckt. Eine Vorrichtung (nicht gezeigt) kann an der Welle 16 befestigt werden, so dass sie durch Drehung der Kugel 14 in drei Freiheitsgraden in einer bestimmten Richtung positioniert werden kann. Die Vorrichtung kann jegliche Vorrichtung sein, welche ein Ausrichten benötigt, wie beispielsweise eine Kommunikationsantenne, ein Sensor, eine optische Vorrichtung usw. Alternativ kann die Vorrichtung vollständig innerhalb der Ankerkugel 14 befestigt sein. Abhängig von der Anwendung und dem Aufbau der Kugeln 12 und 14 kann die Vorrichtung in jede Richtung innerhalb eines 360°-Sichtfeldes ausgerichtet werden, das durch die Kugeln 12 und 14 definiert wird. Bei einer praktischen Anwendung würde das Ausrichten wahrscheinlich auf ein Gesichtsfeld innerhalb 180° beschränkt sein. Wie weiter unten genauer beschrieben wird, verwendet der Kugelmotor 10 eine Technik zum Detektieren sich verändernder oder oszillierender Magnetfelder, um ein Drehmoment auf die Ankerkugel 14 auszuüben, um die Vorrichtung zu positionieren.

2 ist eine perspektivische Ansicht der Hälfte der Feldkugel 12, die vom Motor 10 getrennt ist. Ein zweiachsiges Feldmagnetelement 26 ist innerhalb jedes magnetischen Bereichs 20 symmetrisch angeordnet. Die 3(a)3(c) zeigen eine perspektivische Ansicht eines der Magnetelemente 26, das von der Feldkugel 12 abgetrennt ist. Jedes Magnetelement 26 umfasst eine erste Wicklung bzw. Spule 28, die um einen Ferritkern 34 herumgewickelt ist, und eine zweite Wicklung 30, die um einen Ferritkern 36 herumgewickelt ist, wobei die Kerne 34 und 36 zueinander orthogonal sind. Jedoch ist es den Fachleuten aus der Diskussion klar, dass die Wicklungen 28 und 30 nicht zueinander orthogonal zu sein brauchen, damit der Kugelmotor 10 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung arbeitet.

In dieser Ausführungsform umfasst die Feldkugel 12 vierzehn magnetische Bereiche 20, von denen jeder ein einzelnes Magnetelement 26 enthält. Jedoch ist dies ein nicht-beschränkendes Beispiel dahingehend, dass eine Feldkugel für einen Kugelmotor in der Praxis wahrscheinlich viel mehr magnetische Bereiche 20 und Magnetelemente 26 umfassen würde. Die symmetrische Positionierung der magnetischen Bereiche 20 auf der Schale 22 geschieht ebenfalls als nicht-beschränkendes Beispiel dahingehend, dass die Bereiche 20 und die Elemente 26 auf der Schale 22 in jeder geeigneten Ausgestaltung angeordnet werden können. Die magnetischen Bereiche 20 definieren allgemein eine begrenzte Fläche der Magnetfelder für jedes bestimmte Magnetelement 26, aber die Magnetfelder der Elemente 26 können sich überlappen, ohne den Betrieb des Systems 10 zu beeinträchtigen. Weiterhin kann eine gemeinsame Spannungsquelle verwendet werden, um alle magnetischen Elemente 26 zu betreiben.

Die Richtung des kombinierten Magnetfelds von den Wicklungen 28 und 30 wird durch die Richtung des durch die Wicklungen 28 und 30 laufenden Stroms bestimmt, wenn ein positives oder negatives Spannungspotenzial daran angelegt wird. In 3(a) erfährt die Wicklung 30 ein positives Potenzial und die Wicklung 28 ist aus, so dass die Richtung des durch die Wicklung 30 laufenden Stroms ein Magnetfeld 38 entlang der Achse des Kerns 36 erzeugt. In 3(b) erfahren die Wicklungen 28 und 30 beide ein positives Potenzial, so dass die Richtung des durch die Wicklungen 28 und 30 fließenden Stroms das kombinierte Magnetfeld 38 unter einem Winkel von 45° relativ zu den Achsen der Kerne 34 und 36 in der angezeigten Richtung erzeugt. In 3(c) erfährt die Wicklung 28 ein positives Potenzial, und die Wicklung 30 ist aus, so dass die Richtung des durch die Wicklung 28 fließenden Stroms das Magnetfeld 38 entlang der Achse des Kerns 34 erzeugt. Falls die Wicklungen 28 und 30 in entgegengesetzter Richtung gewunden sind, würde das Magnetfeld für das gleiche Spannungspotenzial in entgegengesetzter Richtung auftreten.

Es ist augenscheinlich, dass dann, falls auch eine negative Spannung an die Wicklungen 28 und 30 in der hier beschriebenen Weise angelegt wird, die Richtung des Magnetfeldes 38 um 360° in der Ebene der Kerne 34 und 36 gedreht wird. Daher kann ein zweiachsiger Feldgenerator durch diskretes Ändern des an die Wicklungen 28 und 30 angelegten Potenzials in der Folge (+, aus), (+, +), (aus, +), (–, +), (–, aus), (–, –), (aus, –), (+, –)erzeugt werden, wobei sich das Magnetfeld in diskreten Schritten von 45° dreht. Das Magnetfeld 38 kann auch dazu veranlasst werden, sich kontinuierlich zu drehen, und zwar durch Anlegen eines sinusförmigen Spannungspotenzials an die Wicklungen 28 und 30, die um 90° phasengetrennt sind.

Gemäß der Erfindung ist die relative Orientierung der Magnetelemente 26 und des sich drehenden Magnetfelds, das sie erzeugen, nicht wichtig. Es ist nur notwendig, dass sich die Magnetfelder bewegen, so dass sie erkannt werden können. Auch könnte, falls sich die Magnetfelder nicht bewegen, niemals ein Drehmoment parallel zu den Magnetfeldern erzeugt werden, und zwar aufgrund der Natur des Kreuzprodukt-Gesetzes des magnetischen Drehmoments. Durch Bereitstellen eines sich bewegenden Magnetfelds kann ein mittleres Drehmoment in jeder Richtung erzeugt werden. Weiterhin braucht sich das Magnetfeld 38 nicht um 360° zu drehen, damit der Kugelmotor 10 erfindungsgemäß arbeitet. Auch können zusätzliche Wicklungen bzw. Spulen, einschließlich Wicklungen, die dreiachsige Magnetfelder bereitstellen, in jedem magnetischen Element 26 verwendet werden, um das sich bewegende Magnetfeld im Umfang der vorliegenden Erfindung bereitrustellen.

4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der vom Motor 10 getrennten Ankerkugel 14. Jede der Vielzahl der magnetischen Bereiche 24 umfasst ein dreiachsiges Sensor/Aktuator-Magnetankerelement 42, das darin angebracht ist. Eine perspektivische Ansicht eines der von der Ankerkugel 14 entfernten Magnetelements 42 ist in 5 gezeigt. Jedes Sensor/Aktuator-Magnetelement 42 umfasst eine erste Wicklung bzw. Spule 44, die um einen Kern gewickelt ist, der sich entlang einer ersten Achse erstreckt, und eine zweite Wicklung 46, die um einen Kern herumgewickelt ist, der sich entlang einer zweiten Achse erstreckt, die senkrecht zur ersten Achse liegt, wie gezeigt. Vier getrennte Wicklungen 48, 50, 52 und 54 sind in jedem Quadranten positioniert, der durch die Achsen der Wicklungen 44 und 46 definiert ist, wobei jede der Wicklungen 48 bis 54 um einen Kern herum gewickelt ist, der sich entlang einer Achse erstreckt, die senkrecht zu der ersten und der zweiten Achse liegt, um die drei Achsen bereitzustellen. Daher misst das magnetische Element 42 ein magnetisches Feld in jeder Richtung, oder stellt es bereit.

Die Sensor/Aktuator-Magnetelemente 42 werden verwendet, um lokale Magnetfeldeigenschaften zu messen und ein Drehmoment um alle drei Achsen zu erzeugen. Weil die durch die Magnetelemente 26 erzeugten Magnetfelder sich bewegen, können die Magnetelemente 42 die Richtung eines sich darum befindlichen lokalisierten Magnetfelds messen. Die Elemente 26 können dann ihr Magnetfeld verwenden, um ein Drehmoment relativ zu den sich bewegenden magnetischen Feldern zu erzeugen, um die Ankerkugel 14 relativ zur Feldkugel 12 zu bewegen. In einer Ausführungsform wird jedes magnetische Element 42 sein lokalisiertes Magnetfeld durch einen vollständigen Zyklus des sich bewegenden Magnetfelds messen.

Wenn die Elemente 42 messen, nimmt ein Steuersystem (nicht gezeigt) die Spannungen an den Wicklungen 44 bis 54 auf, während sich das lokalisierte Magnetfeld für dieses Element 42 durch seinen Zyklus bewegt. Falls ein magnetisches Kugelelement 42 das Magnetfeld eines der Feld-Magnetelemente 26 misst, wird es die Richtung des Magnetfelds 38 bestimmen, während es sich relativ zu den Wicklungen 28 und 30 bewegt. Das Steuersystem berechnet dann das Magnetfeld, wie es lokal an dem bestimmten Ankerelement 42 auftritt und nimmt an, dass es das gleiche für den nächsten Zyklus sein wird. In anderen Worten: Das Steuersystem weiß, wo sich das Magnetfeld befindet, weil die lokalisierten Magnetfelder sich mit einer bestimmten Rate drehen.

Nach Messen eines kompletten Zyklus werden die Ankermagnetelemente 42 dann ein Betätigungsmagnetfeld in einer bestimmten Richtung erzeugen, das mit den Feldern der Feldmagnetelemente zusammenwirkt, so dass das Magnetfeld ein Drehmoment an der Ankerkugel 14 erzeugt. In anderen Worten: Das Steuersystem wird ein Spannungspotenzial an die Wicklungen 44 bis 54 in jedem der magnetischen Elemente 42 anlegen, so dass für den nächsten Zyklus des sich bewegenden Magnetfelds, welches nun dem System bekannt sein wird, ein gewünschtes Drehmoment an die Ankerkugel 14 angelegt werden kann, um die Welle 16 zu positionieren. Daher kann jedes Drehmoment in jede Richtung durch das System erzeugt werden.

In dieser Ausführungsform messen die Magnetelemente 42 die magnetischen Felder für einen Zyklus der Magnetfelder und betätigen dann die Ankerkugel 14 für den nächsten Zyklus der Magnetfelder in abwechselnder Folge. Die Magnetelemente 42 können alle messend sein und dann alle zusammen betätigend. Alternativ können einige der Magnetelemente 42 messend sein, während andere der Magnetelemente 42 betätigend sind.

Während der Messphase misst jedes magnetische Element 42 das magnetische Feld um sich herum, welches durch eines oder mehrere der Feldelemente 26 bereitgestellt werden kann. Daher ist die Ausrichtung der Feldelemente 26 auf der Schale 22 nicht wichtig. Weil jedes Element 42 den gewünschten Drehmomentvektor erzeugt, ist keine Koordination zwischen den verschiedenen Ankerelementen 42 notwendig. Sobald das Anfordern nach ein emGesamtdrehmoment auf den Motor 10 auf einen Referenzrahmen lokaler Aktuatorsätze übertragen worden sind, kann eine einfache lokale Steuereinheit die Wicklungen 44 bis 54 in den Ankerelementen 42 handhaben bzw. ansteuern, um einen Drehmomentvektor parallel zu dem angeforderten Drehmoment erzeugen, um die Welle 16 zu positionieren.

Wie oben angesprochen, hat der Motor 10, wenn ein Magnetelement 42 als Messelement und dann als ein Betätigungselement dient, einen Arbeitszyklus von 50 % dahingehend, dass die magnetischen Elemente 42 zur Hälfte der Zeit messen und zur anderen Hälfte der Zeit betätigen. Der Arbeitszyklus kann durch Verändern der Mess- und Betätigungszeiten verändert werden. In einer alternativen Ausführungsform können die Magnetelemente eine kontinuierliche Betätigung bereitstellen. In dieser Ausführungsform messen die Ankerelemente 42 die durch die Feldelemente 26 erzeugten oszillierenden Magnetfelder nicht, sondern messen die durch die Feldelemente 26 erzeugte gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK). Es ist immer noch notwendig, dass sich die Magnetfelder bewegen. Durch Messen der Gegen-EMK der durch die Feldelemente 26 erzeugten Magnetfelder messen und betätigen die Ankerelemente 42 daher zur gleichen Zeit.

Variationen der oben diskutierten Ausführungsformen können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Beispielsweise kann die äußere Kugel bzw. Sphäre die Ankerkugel sein, die sich relativ zu inneren Feldkugel bewegt.

Die dreiachsigen Magnetelemente 42 und die zweiachsigen Magnetelemente 26 können auf jeder der Feldkugel oder der Ankerkugel angeordnet sein, und zwar unabhängig davon, welche der inneren oder äußeren Kugel die Feldkugel 12 und die Ankerkugel 14 sind. Darüber hinaus brauchen die Feldkugel 12 und die Ankerkugel 14 keine identische Verteilung der darauf angebrachten Magnetelemente aufzuweisen. Die Zahl der Feld-Magnetelemente und der Anker-Magnetelemente wird für unterschiedliche Anwendungen bestimmt. Falls das angeforderte Drehmoment im Basisbezugssystem berechnet werden wird, kann es sinnvoller sein, dass die äußere Kugel die Ankerkugel ist. Falls jedoch das angeforderte Drehmoment im Referenzbezugssystem berechnet werden wird, kann es sinnvoller sein, dass die innere Kugel die Ankerkugel ist.

Die obige Diskussion offenbart und beschreibt lediglich exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus einer solchen Diskussion und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen einfach erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen daran durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, so wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.


Anspruch[de]
  1. Kugelmotor (10) umfassend:

    eine Außenfeldkugel (12), wobei die Außenfeldkugel eine Vielzahl von daran angebrachten Feldmagnetelementen (26) umfasst; und eine innerhalb der Außenfeldkugel angeordnete innere Ankerkugel (14), wobei die innere Ankerkugel innerhalb der Außenfeldkugel drehbar ist, und wobei die innere Ankerkugel eine Vielzahl von Ankermagnetelementen (42) umfasst,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    eines aus der Vielzahl der Feldmagnetelemente oder der Ankermagnetelemente ein mindestens zweiachsiges magnetisches Element ist, und die anderen Feldmagnetelemente oder Ankermagnetelemente dreiachsige Sensor/Aktuator-Magnetelemente sind, wobei die Feldmagnetelemente ein sich bewegendes Magnetfeld erzeugen, und die Sensor/Aktuator-Magnetelemente die sich bewegenden Magnetfelder messen und Betätigungsmagnetfelder erzeugen, um ein Drehmoment zu bereitzustellen, um die Ankerkugel relativ zur Feldkugel zu bewegen.
  2. Motor nach Anspruch 1, wobei die Feldmagnetelemente (26) eine erste Wicklung (28) umfassen, die um einen Kern (34) herumgewickelt ist, der sich in eine Richtung erstreckt, und eine zweite Wicklung (30), die um einen Kern (36) herumgewickelt ist, der sich in eine orthogonale Richtung erstreckt.
  3. Motor nach Anspruch 1, wobei die Sensor/Aktuator-Magnetelemente (42) eine erste Wicklung (44) umfassen, die um einen Kern herumgewickelt ist, der sich in eine Richtung erstreckt, eine zweite Wicklung (46), die um einen Kern (36) herumgewickelt ist, der sich in eine zweite Richtung erstreckt, die orthogonal zur ersten Richtung ist, und mindestens eine dritte Wicklung (48, 50, 52, 54), die um einen Kern herumgewickelt ist, der sich in eine zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung senkrechten Richtung erstreckt.
  4. Motor nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine dritte Wicklung aus vier Wicklungen (48, 50, 52, 54) besteht, wobei sich jeweils eine der vier dritten Wicklungen in jedem Quadranten befindet, der durch die Kreuzung der ersten Richtung mit der zweiten Richtung definiert ist.
  5. Motor nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Feldmagnetelemente (26) symmetrisch auf der Feldkugel angeordnet ist, und die Vielzahl der Ankermagnetelemente (42) symmetrisch auf der Ankerkugel angeordnet ist.
  6. Motor nach Anspruch 1, wobei die Ankerkugel eine Welle (16) umfasst, die sich durch eine Öffnung in der Feldkugel erstreckt.
  7. Motor nach Anspruch 1, wobei die Feldkugel ungefähr eine halbe Halbkugel einer Vollkugel ist.
  8. Motor nach Anspruch 1, wobei die Sinussignale 90° phasenverschoben an die Feldmagnetelemente (26) angelegt werden, um das sich kontinuierlich bewegende Magnetfeld zu erzeugen.
  9. Motor nach Anspruch 1, wobei die Sensor-Magnetelemente (42) die Rück-EMK messen, die durch die Feldmagnetelemente (26) erzeugt wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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