DD259285A1 - Impulsgesteuerter linearschrittmotor mit permanentmagnetischem stator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen impulsgesteuerten Linearschrittmotor mit permanentmagnetischem 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 und durch lange und haeufige Bewegungspausen gekennzeichnet sind, wie z. B. bei beweglichen Bohrkoepfen usw. Ziel und Aufgabe der Erfindung sind es, einen Linearschrittmotor zu entwickeln, der im Stillstand eine Haltekraft erzeugt, ohne dabei staendig Energie zu verbrauchen, und der ferner einen leicht herstellbaren Aufbau aufweist. Erfindungsgemaess besteht der Motor aus zwei parallel zueinander angeordneten, aus ferromagnetischem Material bestehenden Statorschienen, zwischen denen sich nichtummagnetisierbare Permanentmagnete befinden, und einem Laeufer, in dem Permanentmagnete enthalten sind, die ueber Laeuferwicklungen durch kurze elektrische Impulse ummagnetisiert werden koennen. Durch Ueberlagerung der Magnetfluesse der Permanentmagnete werden verzahnte Laeuferpole wirksam bzw. unwirksam gemacht. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen impulsgesteuerten Linearschrittmotor mit permanentmagnetischem Stator, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale in mechanische Bewegungen dient. Er ist überalfdort einsetzbar, wo mechanische Positionieraufgaben zu erfüllen sind, die insbesondere durch digital arbeitende elektronische Systeme gesteuert werden sollen und durch häufiges Verweilen gekennzeichnet sind. Solche Motoren sind für den Einsatz in der Druck-, Bearbeitung- und Handhabetechnik geeignet und können zum Beispiel Drucker- und Schreibmaschinenwalzen, Belichtungsköpfe, Bohrer, Greifer, und andere Werkzeuge bewegen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Üblicherweise werden Permanentmagnete in Schrittmotoren eingesetzt, um elektrische Wicklungen bipolar nutzen zu können. Eine Haltekraft im stromlosen Zustand kann dabei nicht zu den entscheidenden Effekten gezählt werden. Bei einigen Hybridmotoren ist diese Erscheinung in geringem Maße zu beobachten. Indem sich die Magnetflüsse nicht völlig gleichmäßig auf die Motorpole aufteilen, entstehen Restkräfte, die jedoch nur auf etwa 6% bis 10% der elektrisch erregbaren Kräfte ausmachen (BRÄMER: Einfluß von Exzentrizitäten auf das Schrittverhalten von Hybrid-Schrittmotoren. VDI-Berichte Nr.482,1983, S. 105 ff. und WEINBECK: Der Schrittmotor als Antriebsaggregat in Geräten der Datenverarbeitung, feinwerktechnik + micronic78 [1974] 4, S. 146 ff.). In den meisten Fällen genügen diese geringen Selbsthaltekräfte nicht, um das positionierende Objekt sicher zu fixieren. Auf herkömmliche Art wird deshalb das betreffende Magnetsystem des Schrittmotors fortwährend mit Strom beaufschlagt. Das ist vor allem dort energetische sehr ungünstig, wo der Einsatzfall des Schrittmotors ein häufiges längeres Verweilen vorsieht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Energiverbrauch langsamlaufender Linearschrittmotoren wesentlich zu senken.

Darlegung des Wesens der Erfindung I * ( I Ä 1

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Aufgabe der Erfindung ist es, eirren Linearschrittmotor zu schaffen¹, derWaftrend des Stillstandes keine Elektroener^feverbraucht und dabei trotzdem seine volle Haltekraft bewahrt und dessen Aufbauten Einsatz preisgünstiger Oxidferrite zuläßt, ohne daß deren großen Volumen nachteilige Wirkungen zeigt, und der sich zudem durch ein leicht herstellbaren Aufbau auszeichnet. Erfindungsgemäß wird die'Aufgabe dadurch gelöst, daß der Linearschrittmotor ummagnetisierbare und nicht ummagnetisierbare Permanentmagnete enthält, welche im stromlosen Zustand die erforderlichen Magnetflüsse aufbringen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der Stator des Linearschrittmotors von'zwei parallelen Schienen, die aus ferromagnetischem Material bestehen, gebildet wird, welche die Stator-Verzahnung tragen und zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte, nicht ummagnetisierbare Permanentmagnete befinden, so daß die eine Statorschiene über ihre gesamte Länge als magnetischer Nord- und die andere als magnetischer Südpol wirkt. Weiterhin sind an den Statorschienen geeignete Flächen vorgesehen, die zur Führung des Läufers dienen können. Entsprechend dem Anwendungsfall kann der Querschnitt des Statqrs eckig oder auch kreisförmig sein. Der Läufer des dazugehörigen Linearschrittmotors besteht aus zwei oder mehreren Magnetsystemen, von denen jedes einen Permanentmagnet und eine ihn umgebende Läuferwicklung enthält. Die beiden Magnetpole des Läufer-Permanentmagnets sind mit ferromagnetischen Leitstücken besetzt, welche an den Enden dergestalt aufgezweigt sind, daß sich vier freie Läuferpole ergeben. Diese sind jeweils mit einer Verzahnung versehen, wobei die Zähne an den Läuferpolen denen der Statorverzahnüng gleichen und ihnen nahe gegenüberstehend angeordnet sind. Der von den Stator-Permanentmagneten erregte Magnetfluß wird büer die Statorschienen dem Läufer des Linearschrittmotors zugeleitet, wobei sich der Magnetfluß dem Magnetfluß sich im Läufer befindlicher unmagnetisierbarer Permanentmagnete überlagert. Die resultierenden Flüsse verlaufen durch bestimmte Läuferpole, durch andere hingegen nicht. Die Läuferpole tragen Verzahnungen, die der Statorverzahnung nahe gegenüberstehen und untereinander einen Versatz aufweisen, und zwar dergestalt, daß, wenn die Zähne der diagonal angeordneten Läuferpole Zahn zu Zahn den Verzahnungen der Statorschienen gegenüberstehen, die Zähne der anderen Läuferpole den Statorschienen Zahn zu Zahnlücke gegenüberstehen. Durch Ummagnetisieren der Läufer-Permanentmagnete werden die aus der Flußüberlagerung resultierenden Flüsse durch andere Läufer-Pole als vorher geleitet. Indem die Läufer-Permanentmagnete zyklisch ummagnetisiert und damit resultierenden Flüsse durch verschiedene Läuferpole geleitet werden, realisiert sich die Bewegung des Läufers. In jeder so eingestellten Läuferposition bleibt die Haltekraft ohne jegliche Stromzufuhr beliebig bestehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel und 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 prallelen ferromagnetischen Statorschienen, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete 4 befinden. Die Abmessungen der Permanentmagnete 4 werden durch den gewünschten Magnetfluß und durch die Kennwerte des verwendeten Magnetwerkstoffes bestimmt. Da das Platzangebot an dieser Stelle ausreichend ist, können preiswert Oxidferrite mit geringem Energieprodukt eingesetzt werden. Beide Statorschienen 1 tragen in Längsrichtung eine gleichmäßige Stator-Verzahnung 5.

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 Permanentmagnets.

Der Läufer des Schrittmotors besteht aus zwei oder mehr Magnetsystemen, von denen jedes einen Läufer-Permanentmagnet 14 enhält, der von einer Läuferwicklung 13 umgeben ist. Als Werkstoff des Läufer-Permanentmagnets 14 ist ein Permanentmagnet-Material mit niedriger Koerzitivfeldstärke zweckmäßig. Am Nord-und am Südpol eines jeden Läufer-Permanentmagnets 14 schließt sich je ein ferromägnetisches Leitstück 11,an. Jedes Leitstück 1 list so aufgespalten, daß es in zwei verzahnte Läuferpole 15aa, 15ab;0deri|5:ba, 15t>b ausläuft. Die^hpi^nuh^fsJilliFi^i dä'|gje|tellt. Die Läuferpole I5aa und 15bb sind gleich verzahnt, die/Läüferpole 15ab^Hnd;15bCebenfallsje!oc^ 15aa bzw. 15bb

versetzt. Das zweite Magnetsystem ist gen;£ü wie das;'^:.ö'rjs|e ä'ufgeba'üi ind mit diesem starr, aber magnetisch entkoppelt verbunden. Die Verbindung kann durch niohtmagnetiscfie Gehäuseteile'qder Verguß- oder Klebemassen hergestellt werden. Beide Magnetsysteme sind in Längsrichtung der Statorschienen 1 hintereinander angeordnet. Zwischen den Läuferpolen 15aa, 15 ab, 15 ba, 15 bb des ersten und den entsprechenden des zweiten Magnetsystems besteht dabei ein Versatz aller Verzahnungen um T/4. Stehen beispielsweise^ie Zähne der Läuferpole 15aa und 15bb den Zähnen der Statorschienen 1 Zahn zu Zahn gegenüber, so sind die Zähne der Läuferpole 15abund 15 baum T/2 versetzt (d.h. sie stehen Zahn zu Lücke), während die Zähne der Läuferpole des zweiten Magnetsystems um +T/4 bzw. um -T/4 versetzt dazu stehen.

Zur Verdeutlichung der Funktionsweise dieses impulsgesteuertenLinearschrittmotors sollen zunächst die Wirkungen des Stator-Permanentmagnets 4 und des Läufer-Permanentmagnets 14 getrennt erläutert werden.

Vom Stator-Permanentmagnet 4 angetrieben, treten Anteile des Magnetflusses aus einer Statorschiene 1 nahezu gleichverteilt in die vier ihr nahestehenden Läuferpole beider Magnetsysteme ein, um nach Passieren des Läufers über die anderen vier Läuferpole beider Magnetsysteme denselben wiederzu verlassen und in die andere Statorschiene 1 zurückzukehren. Essoll nun der Läufer-Permanentmagnet 14 eines Magnetsystems des Läufers einen weiteren Magnetfluß antreiben, der über die Läuferpole 15aa und 15ab des betreffenden Magnetsystems den Läufer verläßt und über die Läuferpole 15ba und 15bb nach Passieren der Statorschienen 1 wieder in das Magnetsystem des Läufers zurückkehrt. Teile des vom Stator-Permanentmagnet 4 und des vom Likifer-Permanentmagnot 14 erregten Flusses überlagern sich in den einzelnen Läuferpolen 15aa, 15ab, 15ba, 15bb dieses Magnetsystems des Läufers. Im genannten Fall addieren sich die Teilflüsse in den Läuferpolen 15aa und 15bb im Sinne einer Verstärkung, während sich die Teilflüsse in den Lauferpolen 15ab und 15ba kompensieren. Die Abmessungen der

Permanentmagnete 4 und 14 müssen so abgestimmt sein, daß sich die Flüsse in den letztgenannten Läuferpolen genau aufheben. Diese Läuferpoie üben somit keine Kraft aus. Die Läuferpole 15 aa und 15bb hingegen führen nunmehr den doppelten Magnetfluß und bestimmen so die resultierende Kraft zu ihren Gunsten.

Im zweiten Magnetsystem des Läufers bestehen die gleichen Verhältnisse. Da in beiden Magnetsystemen jeweils zwei gleichverzahnte Läuferpole existieren, die unter den beschriebenen Umständen eine Position zum Stator einzunehmen versuchen, inder ihre Zähne der Verzahnung 5 der Statorschienen 1 Zahn zu Zahn gegenüberstehen, wird der Läufer insgesamt eine Zwischenstellung beziehen, die das Kräftegleichgewicht beider Magnetsysteme realisiert. Diese Stellung ist stabil und bedarf keiner ausdäuerhaften elektrischen Erregung.

Um eine Fortbewegung des Läufers zu erzielen, wird vermittels eines elektrischen Impulses über die Läufertwicklung 13 der Läufer-Permanentmagnet 14 des betreffenden Magnetsystems ummagnetisiert. Zugunsten einer geringen Amperewindungszahl soll deshalb die Länge des Läufer-Permanentmagnets 14 so kurz wie möglich, aber gerade so bemessen sein, daß die an den Arbeitsluftspalten auftretenden Feldstärken und damit die am Permanentmagnet entstehende Gegenfeldstärke nicht zu seiner unbeabsichtigten Entmagnetisierung führen kann.

Die mittels der Wicklung 13 erzwungene Ummagnetisierung des Läufer-Permanentmagnets 14 bewirkt, daß nun der vom Läufer-Permanentmagnet 14 erregte Magnetfluß den entgegengesetzten Weg nimmt. Die Überlagerung der Teilflüsse, die vom Stator-Permanentmagnet 4 und vom Läufer-Permanentmagnet 14 verursacht werden, führt nun zu einem anderen Ergebnis. Die gleichsinnige Überlagerung tritt nun in den Läuferpolen 15ab und 15ba auf, die vorher keinen Fluß führten, während die Flußkompensation nun in den Läuferpolen 15aa und 15bb zustande kommt. Unter Berücksichtigung des Kräftegleichgewichts mit dem zweiten Magnetsystem bezieht nun der Läufer eine andere Stellung bezüglich des Stators als vorher.

Da der Läufer-Permanentmagnet 14 des zweiten Magnetsystems genauso ummagnetisiert werden kann, ergeben sich insgesamt vier Kombinationen derZustände, so daß durch zyklische Ummagnetisierungsimpulse durch die Läuferwicklungen 13 beider Magnetsysteme vier stabile Läuferstellungen innerhalb einerTeilung T erlangt werden können.

Es ist ebenso möglich, nicht zwei, sondern drei der in Fig. 1 gezeigten Läufer-Magnetsysteme zu einem Läufer zusammenzustellen. Bei entsprechend verändertem Versatz der Verzahnungen der Läuferpole dieser Läufer-Magnetsysteme zueinander sind dann durch Ummagnetisieren der drei Läufer-Permanentmagnete 14 sechs stabile Schritte pro Teilung T realisierbar.

Der Vorteil dieses Linearschrittmotors besteht darin, daß eine jegliche Läuferposition beliebig lange eingehalten werden kann, ohne daß der Schrittmotor dazu ständig Energie verbraucht. Die volle Haltekraft bleibt dabei fortwährend bestehen.

Claims (5)

1. Impulsgesteuerter Linearschrittmotor mit permantentmagnetischem Stator, der in Längsrichtung zahnstangenartige Formen aufweist und entlang dessen sich ein mit elektrischen Wicklungen und Permanentmagneten versehener Läufer bewegt, gekennzeichnet dadurch, daß der Stator von zwei parallel zueinander angeordneten, aus ferromagnetischem Material bestehenden Statorschienen (1) gebildet wird, zwischen denen sich ein oder mehrere gleich orientierte, nicht ummagnetisierbare Permanentmagnete (4) befinden, so daß die eine Schiene über ihre gesamte Länge einen magnetischen Nord- und die andere einen Südpol bildet, und der dazugehörige Läufer zwei oder mehr Magnetsysteme enthält, von denen jedes aus einem Läufer-Permanentmagnet (14) und einer ihn umgebenden Läuferwicklung (13) besteht, wobei die beiden Magnetpole des Läufer-Permanentmagnets (14) mitferromagnetischen Leitstücken (11) besetzt sind, die an ihren Enden dergestalt aufgezweigt sind, daß sich vier freie Läuferpole (15aa, 15ab, 15ba, 15bb) ergeben, die jeweils eine Verzahnung erhalten, wobei die Zähne an den Läuferpolen (15aa, 15ab, 15ba, 15bb) denen der Stator-Verzahnung (5) der Staatorschienen (1) gleichen und ihnen nahe gegenüberstehend angeordnet sind.

2. Impulsgesteuerter Linearschrittmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verzahnungen der Läuferpole (15) der Magnetsystem jeweils so ausgeführt sind, daß, wenn die Zähne der diagonal angeordneten Läuferpole (15aa und 15 bb) Zahn zu Zahn den Verzahnungen (5) der Statorschienen (1) gegenüberstehen, die Zähne der anderen Läuferpole (15ab und 15ba) den Statorschienen (1) gegenüberstehen, die Zähne der anderen Läuferpole (15ab und 15ba) den Statorschienen (1) Zahn zu Zahnlücke gegenüberstehen.

3. Impulsgesteuerter Linearschrittmotor nach vorangegangenen Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß die Statorschienen (1) gleichzeitig geeignete Flächen zur Führung des Läufers (6) besitzen.

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

5. Impulsgesteuerter Linearschrittmotor nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Statorschienen (1) so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein eckiger Statorquerschnitt entsteht.