DD250614A1 - Linearschrittmotor mit elektromagnetisch erregbarem stator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearschrittmotor mit elektromagnetisch erregbarem Stator, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale in mechanische Bewegung dient. Er ist ueberall dort anwendbar, wo mechanische Positionieraufgaben zu erfuellen sind, die durch digital arbeitende elektronische Systeme gesteuert werden, wie z. B. in der Druck-, Zeichen- und Handhabetechnik. Ziel und Aufgabe der Erfindung sind es, den Herstellungsaufwand von Linearschrittmotoren zu verringern, einen Motor zu entwickeln, der einen kleinen und massearmen Laeufer besitzt und einen leicht herstellbaren Aufbau aufweist. Erfindungsgemaess besteht der Motor aus zwei parallel zueinander angeordneten, aus ferromagnetischem Material bestehenden Statorschienen, die durch einen oder mehrere von einer Stator-Wicklung umgebene ferromagnetische Stege verbunden sind, und einem Laeufer, der einen Permanentmagnet enthaelt, der an seinen Magnetpolen mit ferromagnetischen Leitstuecken besetzt ist, die an den Enden derart aufgezweigt sind, dass vier freie Laeuferpole entstehen, die jeweils eine Verzahnung besitzen. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Linearschrittmotor mit elektromagnetisch erregbarem Stator, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale in mechanische Bewegungen dient. Er ist überall dort einsetzbar, wo mechanische Positionieraufgaben zu erfüllen sind, die insbesondere durch digital arbeitende elektronische Systeme gesteuert werden sollen. Solche Motoren sind für den Einsatz in der Druck-, Zeichen- oder Handhabetechnik geeignet und können zum Beispiel Druckköpfe, Schreibstifte, Bohrer, Greifer und andere Werkzeuge bewegen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In bekannten Linearschrittmotoren befinden sich die Phasenwicklungen üblicherweise im Läufer. Das hat den Nachteil, daß durch die Masse der Spulen die Gesamtmasse des Läufers und damit seine mechanische Trägheit wesentlich erhöht wird. Außerdem tragen die Spulen zu einem großen Bauvolumen des Läufers bei. Zur Stromversorgung der elektrischen Spulen werden bei solchen Motoren schleppkabelartige Einrichtungen verwendet, die zusätzlichen freien Bewegungsraum benötigen und zudem durch ständige Biegebewegungen einem erhöhten Verschleiß unterliegen. Mit DD-WP 125791 und US-P 4198582 sind technische Lösungen bekannt, die einen kleinen und massearmen Läufer erzielen, indem die Phasenwicklungen in den Stator des Linearschrittmotors verlegt sind. Dabei sind zahlreiche solcher Wicklungen in Bewegungsrichtung hintereinander angebracht, so daß der Stator über seine ganze Länge mit Spulen besetzt ist, von denen immer nur wenige jeweils zur Wirkung kommen. Dadurch wird viel elektrisches Leitermaterial benötigt, das nicht effektiv genutzt wird. Außerdem erhöht sich der Aufwand bei der elektrischen Ansteuerung der Spulen, indem in Abhängigkeit von der Position des Läufers entschieden werden muß, welche Spulen zu aktivieren sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, den Herstellungsaufwand von Linearschrittmotoren zu verringern sowie das dynamische Verhalten zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Linearschrittmotor zu schaffen, der einen kleinen und massearmen Läufer besitzt und dadurch besser beschleunig- und abbremsbar ist, der mit wenigen elektrischen Wicklungen auskommt und einen einfachen und leicht herstellbaren Aufbau aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerwicklung des Schrittmotors im Stator untergebracht ist und daß der Läufer des Schrittmotors mittels eines Permanentmagnets einen Maßgnetfluß erzeugt, der durch eine einzige Statorwicklung modifiziert werden kann. Der Stator des Linearschrittmotors besteht dazu aus zwei Schienen, die durch einen oder mehrere ferromagnetische Stege verbunden sind, wobei jeder dieser Stege mit einer elektrischen Statorwicklung umgeben ist. Im Falle mehrerer Wicklungen sind diese gleichsinnig miteinander verschaltet. Beide Schienen des Stators tragen je eine Zahnteilung. Der Läufer des Linearschrittmotors ist mit einem Permanentmagnet ausgerüstet, der an seinen Magnetpolen mit ferromagnetischen Leitstücken besetzt ist, die an ihren Enden derart aufgezweigt sind, daß sich vier Läuferpole ergeben, die jeweils eine Zahnteilung besitzen, wobei die Zähne an den Läuferpolen denen der Statorschienen gleichen und ihnen nahe gegenüberstehend angeordnet sind, wobei die zwei Läuferpole des einen Leitstückes eine Einrichtung zur Magnetflußbegrenzung aufweisen und die gleiche Zahnteilung besitzen, während die Zähne der anderen Läuferpole um +¹/3 bzw. -V3 des Abstandes der Zahnmitte eines beliebigen Zahnes zur Mitte seines benachbarten Zahnes jeweils versetzt sind.

Um die Bewegung eines Schrittmotors richtungseindeutig steuern zu können, sind mindestens drei stabile Stellungen innerhalb einer Periode zu realisieren, wobei als Periode der Abstand der Mitte eines Zahnes zur Mitte des benachbarten Zahnes definiert ist. Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß eine dieser Stellungen eingenommen wird, wenn der Strom durch die Statorwicklung ausgeschaltet ist. Der Permanentmagnet im Läufer erzeugt dann den Fluß, der über entsprechend verzahnte Läuferpole die Kraft verursacht, die zur Einnahme dieser Stellung führt. Der Magnetfluß teilt sich dabei auf die vier Läuferpole auf. Die Resultierende der an den Läuferpolen entstehenden Kräfte wirkt zugunsten der beiden gleich ausgebildeten Läuferpole, da diese den doppelten Beitrag gegenüber den anderen Läuferpolen leisten. Der Läufer nimmt damit eine Stellung ein, in der die beiden gleich verzahnten Läuferpole Zahn zu Zahn der Zahnteilung des Stators gegenüberstehen. Bei stromdurchflossener Statorwicklung werden den permanentmagnetisch erregten Flüssen durch die Läuferpole elektromagnetisch erregte Magnetflüsse überlagert. Durch gleichsinnige und gegensinnige Überlagerungen kommt es zu Flußverstärkungen wie auch zu Flußkompensationen. Die Anordnung und Gestaltung der vier Läuferpole ist so ausgeführt, daß nunmehr eine Flußverstärkung an einem der beiden versetzt verzahnten Läuferpole entsteht, während an einem der beiden gleichverzahnten Läuferpole eine Kompensation des Magnetflusses zu verzeichnen ist. Die Resultierende der von den Läuferpolen ausgeübten Kräfte wird damit durch den Läuferpol mit dem verstärkten Magnetfluß bestimmt, und der Läufer nimmt eine Stellung ein, in der dieser Läuferpol Zahn zu Zahn der Stator-Verzahnung gegenübersteht. Die dritte Stellung wird durch Umpolen des Statorspulenstromes erzielt. Die Funktion ist analog dem vorher beschriebenen Fall, jedoch werden infolge eines funktionell symmetrischen Aufbaus des Schrittmotors nun gerade die anderen Läuferpole von den genannten Erscheinungen betroffen.

Um in beiden Fällen die Magnetflüsse richtig zu lenken, sind an geeigneten Stellen des Läufers Flußbegrenzungen in Form von Querschnittseinschnürungen oder durch den Einsatz eines Werkstoffes mit niedriger Sättigungsinduktion erforderlich. Die Wirkung dieser Flußbegrenzungen, die im Abdrängen des elektrisch erregten Magnetflusses aus den betreffenden Läuferpolen besteht, kann noch durch den Einsatz eines Nebenschlusses, der die beiden Statorschienen verbindet, verbessert werden. Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß der Läufer besonders klein und leicht ausgeführt werden kann, da er keine elektrischen Wicklungen besitzt. Dadurch verbessern sich seine dynamischen Eigenschaften. Außerdem entfallen jegliche Einrichtungen zur Stromversorgung des Läufers. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in jeder Periode eine Stellung existiert, in der der Läufer eine Haltekraft erzeugt, ohne daß Elektroenergie verbracht wird. Entsprechend dem Anwendungsfall kann der Querschnitt des Stators eckig oder auch kreisförmig gestaltet sein.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1: eine mögliche Form des Läufers und seine Stellung zum Stator (ohne Führungsräder) Fig. 2: eine Ausführungsform des Stators

Fig.3: eine Ausführungsform des Stators mit kreisförmigem Querschnitt (Ansicht in Längsrichtung)

Der Stator des Linearschrittmotors besteht aus zwei parallelen ferromagnetischen Statorschienen 1, die durch einen oder mehrere ferromagnetische Stege 2 miteinander verbunden sind. Jeder dieser Stege 2 ist von einer Stator-Wicklung 3 umgeben.

Im Falle mehrerer Stege 2 sind die dazugehörigen Wicklungen 3 gleichsinnig miteinander verschaltet (in Reihe oder parallel) und werden in den folgenden Ausführungen wie eine einzige Stator-Wicklung 3 behandelt. Die Anzahl der Stege 2 und Wicklungen 3 wird durch die Länge des Stators und die geforderte Stabilität der Anordnung bestimmt.

Beide Statorschienen 1 tragen in Längsrichtung eine Stator-Verzahnung 5 mit gleichmäßiger Teilung. Für den Querschnitt des Stators sind viele Formen denkbar. Stellvertretend sind in Fig. 2 ein eckiger und in Fig. 3 ein kreisförmiger Querschnitt dargestellt.

Die Statorschienen 1 wirken über ihre gesamte Länge wie die zwei Pole eines Elektromagnets.

Der Läufer des Schrittmotors besteht aus einem Permanentmagnet 14, an dessen Nord-und Südpol sich je ein ferromagnetisches Leitstück 11 anschließt. Jedes Leitstück 11 spaltet sich in zwei Läuferpole 15 aa und 15ab bzw. 15baund15bb auf. Alle vier Läuferpole 15aa, 15ab, 15ba, 15bbsind mit Verzahnungen versehen, die der Stator-Verzahnung 5 der Statorschienen 1 nahe gegenüberstehen. Die beiden verzahnten Läuferpole 15aa, 15ab, 15ba, 15bb eines Leitstücks 11 stehen dabei jeweils einer anderen Stator-Schiene 1 gegenüber.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besitzen die zwei Läuferpole 15 aa und 15 ab des einen Leitstücks 11 die gleiche Zahnteilung. Die Zähne der Läuferpole 15ba und 15 bb sind jedoch um +^:/3bzw. -t-¹/3 der Periode versetzt. Die Läuferpole 15aa und 15ab sind außerdem mit Einrichtungen zur Magnetflußbegrenzung 12 ausgestattet. Das können Querschnittsverengungen sein wie in Fig.2, aber auch der Einsatz eines Werkstoffs mit niedriger Sättigungsinduktion ist an dieser Stelle möglich. Der Läufer-Permanentmagnet 14 erzeugt einen Magnetfluß, der sich auf die vier Läuferpole 15aa, 15 ab, 15ba, 15 bb aufteilt. Die Anordnung ist dabei so dimensioniert, daß sich der Magnetfluß gleichmäßig auf alle vier Läuferpole aufteilen kann, und sich die flußbegrenzten Läuferpole 15aa und 15ab nahe unterhalb der Sättigung befinden. An allen verzahnten Läuferpolen 15aa, 15ab, 15ba, 15bb treten infolge des Magnetflusses Kräfte auf, die sich gegenseitig teilweise aufheben. Wegen der doppelten Repräsentation der Teilung an den Läuferpolen 15aa und 15ab steht die Resultierende der Kräfte zugunsten dieser beiden Läuferpole. Der Läufer nimmt eine Position bezüglich des Stators ein, in der die Zähne der Läuferpole 15aa und 15ab den Zähnen der Statorschienen 1 Zahn zu Zahn gegenüberstehen. Diese Position wird vom Läufer ohne jegliche elektrische Erregung des Schrittmotors beibehalten. Soll sich der Läufer fortbewegen, so wird die Statorwicklung 3 mit einem elektrischen Strom beaufschlagt. Den oben beschriebenen Magnetflüssen, die der Läufer-Permanentmagnet 14 erzeugt, werden nun elektrisch erregte Flüsse überlagert, die aus der einen Statorschiene 1 austreten, durch die Läuferpole 15 geleitet werden und in die andere Statorschiene 1 wieder eintreten.

Angenommen, die permanent erregten Flüsse treten aus den Läuferpolen 15aa und 15ab aus und in die Läuferpole 15ba und 15bb wieder ein und die elektrisch erregten Flüsse ausder einen Statorschiene 1 in die Läuferpole 15abund 15bbin den Läufer ein und durch die Läuferpole 15aa und 15ba wieder aus, um in die andere Statorschiene 1 zu gelangen, so kommt es in den Läuferpolen 15 ab und 15bazueinerFlußkompensierung.lnden Läuferpolen 15aaund 15bb würde eine positive Überlagerung, also eine Flußverstärkung Zustandekommen. Die Flußbegrenzungseinrichtung 12 des Läuferpoles 15aa verhindert jedoch eine wesentliche Vergrößerung des Magnetflusses durch diesen Läuferpol. Der Fluß wird hauptsächlich über den Läuferpol 15ba mit abgeleitet. Dort kommt es nunmehr nicht nur zu einer Flußkompensation, sondern sogar zu einer Flußumkehr. Da die Richtung des Magnetflusses durch den verzahnten Läuferpol für die Kraftentstehung belanglos ist, ändert sich das Kraftverhalten des Läuferpoles 15 ba nur unwesentlich. Die Kraftwirkung der Läuferpole 15 aa und 15 ab, die gleich verzahnt sind, nimmt insgesamt ab. Der Fluß und damit die Kraftwirkung des Läuferpoles 15bb erhöht sich jedoch wesentlich, so daß diese Kraft nunmehr die Resultierende bestimmt, und der Läufer eine Stellung bezüglich des Stators einnimmt, in der die Zähne des Läuferpoles 15bb denen der Statorschienen 1 Zahn zu Zahn gegenüberstehen. Das Abdrängen des elektrisch erregten Magnetflusses aus dem Läuferpol 15aa in den Läuferpol 15ba kann dabei durch einen magnetischen Nebenschluß erleichtert werden, welcher die Leitstücke 11 des Läufers verbindet. Dadurch werden die beschriebenen Wirkungen bereits bei einem geringeren Wicklungsstrom erzielt, so daß sich bei richtiger Bemessung der Wirkungsgrad des Linearschrittmotors erhöht. Ein solcher Nebenschluß muß allerdings bei der Dimensionierung des Läufer-Permanentmagnets 14 mit berücksichtigt werden. Wird der Strom durch die Statorwicklung 3 umgepolt, so kehrt auch der von ihr erzeugte Magnetfluß seine Richtung um. Die oben beschriebenen Erscheinungen treten in spiegelbildlicher Form auf. Da die Läuferpole 15aa und 15ab symmetrisch aufgebaut sind, bleibt ihre Gesamtwirkung in der beschriebenen Abschwächung bestehen. Im Läuferpol 15 batritt jedoch nun die Flußverstärkung ein, die im vorigen Fall für den Läuferpol 15bb kennzeichnend war. Der Läufer nimmt demzufolge im Ergebnis der Stromumpolung eine Stellung bezüglich des Stators ein, in der die Zähne des Läuferpoles 15ba denen der Statorschienen 1 Zahn zu Zahn gegenüberstehen.

Die drei Positionen innerhalb einer Teilung, die bekanntlich eine definierte Richtungsbewegung des Schrittmotorläufers gestatten, werden bei dem dieser Erfindung zugrunde liegenden Linearschrittmotor durch die Schaltzustände „Strom aus" — „Positiver Strom" — „Negativer Strom" der Statorwicklung 3 bestimmt. Als von zusätzlicher Bedeutung erweist sich dabei der Schaltzustand „Strom aus", in dem eine Haltekraft ohne elektrische Energiezufuhr erzeugt wird.

Claims (7)

1. Linearschrittmotor mit elektromagnetisch erregbarem Stator, der in Längsrichtung zahnstangenartige Formen aufweist und entlang dessen sich ein ferromagnetischer oder permanentmagnetischer Läufer bewegt, gekennzeichnet dadurch, daß der Stator von zwei parallel zueinander angeordneten, aus ferromagnetischem Material bestehenden Statorschienen {1) gebildet wird, die durch einen oder mehrere ferromagnetische Stege (2) verbunden sind, welche jeweils eine Statorwicklung (3) umgibt, wobei die Statorwicklungen (3) gleichsinnig verschaltet sind, und daß der dazugehörige Läufer einen Läufer-Permanentmagnet (14) enthält, der an seinen Magnetpolen mit ferromagnetischen Leitstücken (11) besetzt ist, die an ihren Enden dergestalt aufgezweigtsind, daß sich vierfreie Läuferpole (15aa, 15ab, 15ba, 15bb) ergeben, die jeweils eine Zahnteilung besitzen, wobei die Zähne an den Läuferpolen denen der Statorschienen (1) gleichen und ihnen nahe gegenüberstehend angeordnet sind, so daß die zwei Läuferpole (15aa und 15ab) des einen Leitstücks (11) eine Einrichtung zur Magnetflußbegrenzung (12) aufweisen und gleiche Zahnteilung besitzen, während die Zähne der anderen Läuferpole (15ba und 15bb) um +¹/3bzw. -¹/3 des Abstandes der Zahnmitte eines beliebigen Zahnes zur Mitte seines benachbarten Zahnes jeweils versetzt sind.

2. Linearschrittmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einrichtung zur Magnetflußbegrenzung (12) durch eine Querschnittsverringerung der flußleitenden Teile gebildet wird.

3. Linearschrittmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einrichtung zur Magnetflußbegrenzung (12) durch den Einsatz eines Werkstoffes mit niedriger Sättigungsinduktion gebildet wird.

4. Linearschrittmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Statorschienen (1) gleichzeitig geeignete Flächen zur Führung des Läufers (6) besitzen.

5. Linearschrittmotor nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Statorschienen (1) so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein kreisförmiger Statorquerschnitt entsteht.

6. Linearschrittmotor nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Statorschienen (1) so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein eckiger Statorquerschnitt entsteht.

7. Linearschrittmotor nach Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Läufer einen magnetischen Nebenschluß besitzt, der die Leitstücke (11) verbindet.