DD271987A1 - Waelzmotor fuer feinfuehlige translatorische bewegung - Google Patents

Abstract

Ein Waelzmotor fuer feinfuehlige translatorische Bewegung dient zur genauen Positionierung von Objekten, z. B. Spiegel oder Prismen, auf Gebieten der feingeraetetechnischen Industrie. Ein derartiger Waelzmotor, bestehend aus einer Spindel mit Gewinde, dazu senkrecht verlaufenden Polebenen mit mehreren Polen, Spulen und Jochen, wobei die Pole einer ersten Polebene eine zylindrische Innenflaeche aufweisen und die Pole einer zweiten Polebene laengs der Spindel aus drei Bereichen bestehen. Waehrend die beiden aeusseren Bereiche Gewinde tragen, ist der mittlere Bereich vorzugsweise zylindrisch. Der von der ersten Polebene entfernteste Bereich besteht aus magnetisch nicht leitendem, die uebrigen Teile der Pole aus magnetisch gut leitendem Material. Aufgrund der Lage der Beruehrungspunkte zwischen der Spindel und den Polen und der Lage des Drehpunktes lassen sich kleine Inkremente erzielen. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Motor für translatorische Bewegungen, der sehr feinfühlig arbeitet und somit zur genauen Positionierung von Objekten, z.B. Spiegel oder Prismen, geeignet ist. Die Anwendung ist in der feingerätetechnischen Industrie möglich.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bereits Lösungen zu translatorischen Wälzmotoren bekannt, bei denen eine Gewindespindel in nacheinander erregten Magnetpolen, die mit Gewinde der gleichen Steigung wie die Gewindespindel versehen sind, abwälzen (z. B. DD-PS 245090). Dabei weist das Innengewinde der Magnetpole einen größeren Durchmesser als da.s Außengewinde der Gewindespindel auf. Um die Feinfühligkeit dieser Anordnung zu erhöhen, d. h. das Lageinkrement bei der Weiterschaltung des Magnetfeldes zu verkleinern, ist es notwendig, den Abstand zwischen dem Außengewinde der Spindel und dem Innengewinde der Pole zu verkleinern. Dieser Verkleinerung sind jedoch durch mechanische Toleranzen in der Paarung der beiden Gewinde Grenzen gesetzt. Weiterhin wurde vorgeschlagen, das Inkrement durch den Einsatz eines elastischen Elementes zu verkleinern. Dies hat jedoch den Nachteil, durch den Einsatz eines zusätzlichen Teiles in den relativ einfach aufgebauten Wälzmotor den Kompliziertheitsgrad zu erhöhen. Außerdem wird dadurch nahezu zwangsläufig der Luftspalt im Weg des Magnetfeldes größer, so daß größere Durchflutungen und somit größorer Wickelraum bzw. Bauvolumen benötigt werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Wälzmotor für translatorische Bewegungen zu entwickeln, der trotz eines einfachen und robusten Aufbaus und kleinen Bauvolumens sehr feinfühlige Bewegungen gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine geeignete Anordnung der Pole einen derartigen Wälzmotor für sehr feinfühlige Bewegungen zu schaffen.

Anhand eines Wälzmotors für feinfühlige translatorische Bewegung, besteht aus einer magnetisch gut leitenden, mit Gewinde

versehenen Spindel, um die in senkrecht zu deren Achse verlaufenden Polebenan jeweils mehrere Pole angeordnet sind, die Spulen tragen und durch Joche miteinander verbunden sind, wobei die Pole einer ersten Polebene eine zylindrische Innenfläche aufweisen, deren Durchmesser größer ist als der der Spindel, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Pole einer zweiten Polebene längs der Spindel einen ersten, der erster. Polebene 3m nächsten liegenden, Gewinde tragenden Bereich, einen daran anschließenden zweiten, vorzugsweise zylindrischen Bereich und einen dritten, ebenfalls Gewinde tragenden Bereich aufweisen, wobei die Durchmesser der Gewinde bzw. des Zylinders der Pole der zweiten Polebene größer sind als der Durchmesser des Gewindes der Spindel, das sich mindestens in den Bereichen der Pole der zweiten Polebene befindet, und daß der dritte Bereich vom zweiten körperlich abgesetzt ist.

Es ist vorteilhaft, wenn der körperlich abgesetzte dritte Bereich aus magnetisch nichtleitendem und der erste sowie der zweite Bereich der Pole derzweiten Polebene aus magnetisch gut leitendem Material besteht. Andererseits ist möglich, besagten dritten Bereich durch eine Schicht nichtleitenden Materials vom '.weiten Bereich abzusetzen oder alle Bereiche der Pole der zweiten Polebene aus magnetisch gut leitendem Material herzustellen, wobei der dritte vom zweiten Bereich durch eine Verjüngung in der Materialdicke abgesetzt ist. Diese Verjüngung bewirkt, daß der Magnetfuß zum dritten Bereich stark herabgesetzt wird. Der Teil der Spindel, der sich im Bereich der Pole der ersten Polebene befindet, ist vorteilhaft zylindrisch. Über einen Taumelstift ist er mit dem zu positionierenden Objekt gekoppelt. Die Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung beruht auf folgendem: Eine äußere Kraft, z. B. aufgrund der Schwerkraft des Objektes, wirkt auf den Motor. Es wird davon ausgegangen, daß eine der Sputen erregt ist, daß aufgrund des Magnetflusses Magnetkräfte entstehen, wobei eine erste von der Spindelachsc aus radial in Richtung der Pole der ersten Polebene sowie eine zweite von der Spindelachse aus radial in Richtung der Pole de, zweiten Polebene wii ken und somit die Spindel gegen die Pole ziehen. Außerdem wirkt im ersten Bereich der Pole derzweiten Polebene eine dritte Magnetkraft im wesentlichen in Richtung der Normalen der sich berührenden Zahnoberflächen, so daß die Zähne der Gewinde der Pole und der Spindel gegeneinander gezogen werden.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Pole der zweiten Poleben erfolgt in besagtem dritten Bereich kein Magnetfluß, so daß in diesem Bereich auch keine Magnetkraft entsteht. Im Resultat der Wirkung dieser Magnetkräfte ist die Spindel um einen gewissen Betrag gegenüber der Motorachse gekippt, v/obei der Drehpunkt der Kippung durch den auf die Motorachse projizieren Schnittpunkt der Normalen in den Berührungspun' (en zwischen Spindel und Polen der ersten Polebene im ersten sowie im dritten Bereich bestimmt wird. In diesem Drehpunkt nimmt die Spindel eine zentrische Lage zur Motorachse ein. Beim Weiterschalten des Feldes kommt es zu Abwälzvorgängen an den Berührungspunkten zwischen der Spindel und den Polen, wobei die Größe der jeweils angestrebten Verstellung von der Exzentrizität am jeweiligen Punkt abhängig ist. Dominierend für den Wälzvorgang ist diejenige Exzentrizität, an deren Berührungspunkt die größte Normalkraft wirkt, d. h. im Berührungspunkt zwischen der Spindel und dem ersten Bereich der Pole der zweiten Polebene. Die Kräfte, die im Berührungspunkt zwischen Spindel und Polen der ersten Polebene, dem Objekt am nächsten liegend, entstehen, unterstützen den Wälzvorgang. Im Be^rührungspunkt zwischen der Spindel und den Polen, am weitesten vom Objekt entfernt liegend, wird die auf den Motor wirkende äußere Kraft zu einem gioßen Teil durch die zweite Magnetkraft kompensiert. Um diesen zweiten Berührungspunkt zu entlasten, ist demzufolge der zweite Bereich der Pole der zweiten Polebene erforderlich. Es ist möglich, diesen besagten zweiten Bereich mit einer zylindrischen der Spindel zugewandten Innenfläche zu versehen oder

Ausführungsbeispiel

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1: zeigt die Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzmotors, Fig. 2: zeigt die Vorderansicht eines Wälzmotors nach Fig. 1, Fig. 3: zeigt eine weitere Ausführung der Pole i⁽er zweiten Polebene. In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Wälzmotor zum Beispiel zur Positionierung eines Objektes 1 dargestellt. Der Wälzmotor besteht aus vier Polen einer ersten Polebene 2, von denen zwei gegenüberliegende Pole 3; 4 in der Schnittdarstellung (Figur 1) zu erkennen sind. Eine zweite Polebene 5 besitzt ebenfalls vier Pole, von denen zwei

gegenüberliegende Pole 6; 7 zu erkennen sind. Zwischen den Polen der ersten und zweiten Polebene 2; 5 sind auf vier Jochen 8

Spulen 9 angeordnet. Von den Polen beider Polebe:ien wird eine Spindel 10 umschlossen, die über einen Taumelstift 11 mit dem Objekt 1 gekoppelt ist. Dieses wird durch Kugeln 12 gelagert, die sich in einer Halterung 13 befinden. Gleichzeitig wird durch die Halterung 13 die Verbindung zum Motor mit seiner Motorachse 14 dargestellt. Die Spindel 10 ist etwa zur Hälfte ihrer Länge

zylindrisch; der übrige Teil ist mit einem Gewinde 15 verschen.

Die Pole 6; 7 der zweiten Polebene 5 sind längs der Motorachse 14 in drei Bereiche gegliedert, wobei ein erster Bereich 16, der der

ersten Polebene 2 am nächsten liegt, eine Gewinde 17 trägt, sich daran ein zyl.ndrischer zweiter Bereich 18 und ein ein

Gewinde 19 tragender dritter Bereich 20 anschließt. Die Durchmesser der Gewinde 17; 19 bzw. des Zylinders 18 sind größer als

der Durchmesser des Gewindes 15 der Spindel 10. Die Pole 3; 4 haben eine zylindrische Innenfläche. Der Durchmesser dieses

Zylinders ist um den Betrag 2e (e = Exzentrizität) größer als der Durchmesser der Spindel 10, so daß auf einer Seite des Umfangs

der Spindel ein Spalt 21 verbleibt.

Außer dem dritten Bereich 20, der aus magnetisch nicht leitendem Material hergestellt ist, bestehen die Pole 3; 4; 6; 7 und Joche

8 aus magnetisch gut leitendem Material.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wälzmotors beruht auf folgendem: Auf den Motor wirkt eine Lastkraft 22, die im vorliegenden Beispiel von der Schwerkraft des Objektes 1 herrührt, die die Spindel 10 in Richtung der zweiten Polebene drückt. Es sei angenommen, daß die Spule 9, die zwischen den Polen 3 und 6 angeordnet ist, erregt sei. Somit entsteht ein Magnetfluß

durch das Joch 8, die Pole 3; 6 sowie die Spindel 10. Daraus folgt, daß von der Achse der Spindel 10 aus einer ersten

Magnetkraft 23 radial in Richtung des Poles 3 und eine zweite Magnetkraft 24 radial in Richtung des Poles 6 wirken und die Spindel gegen diese Pole ziehen. Eine dritte Magnetkraft 25 wirkt im

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erster· Bereich 16 der zweiten Polebene 5 im wesentlichen in Richtung der Normale der sich berührenden Zahnoberflächen der Gewinde 15; 17, so daß die Zähne gegeneinander gezogen werden. In dem von den übrigen Bereichen der Pole abgesetzten dritten Bereich 20 entsteht kein Magnetfluß und somit keine Magnetkraft.

Im Resultat der Wirkung dieser Magnetkräfte 23; 24; 25 und der Lastkraft 22 nimmt die Spindel 10 dis in Figur 1 dargestellte Lage ein, bei der die Spindel in einem ersten Berührungspunkt 26 am Pol 3, in einem zweiten Berührungspunkt 27 am Pol 6 im ersten Bereich 16 und in einem dritten Berührungspunkt 28 am Pol 7 im dritten Bereich 20 anliegt. Die Spindel 10 ist um einen gewissen Betrag gegenüber der Motorachse 14 gekippt. Der Drehpunkt 29 dieser Kippung, in dem die Spindel eine zer trische Lage zur Motorachse einnimmt, wird dur~h den auf die Mctorachse projizierten Schnittpunkt der Normalen 30; 31 in den Berührungspunkten 27; 28 bestimmt.

Beim Weiterschalter; dos Feldes kommt as zu Abwalzvorgängen an uun urei Berührungspunkten 28; 27; 28, wobei die Große der jaweils angestrebten Verstellung von der Exzentrizität e' am jeweiligen Berührungspunkt abhängt. Im ersten Berührungspunkt 26 wälzt die Spindel 10 mit voller Exzentrizität e ab. Im zweiten Berührungspunkt 27 ist die resultierende Exzentrizität e' durch das Verhältnis dei Abstände des Berührungspunktes 27 zum Drehpunkt 29 bzw. des Berührungspunktes 26

zum Drehpunkt 29 bestimmt: e' = e —.

Entsprechend ergibt sich eine resultierende Exzentrizität für den dritten Berührungspunkt 28. Dominierend für den Wälzvorgang ist diejenige der drei Exzentrizitäten, an deren jeweiligem Berührungspunkt die größte Ndrmalkraft wirkt, d. h. im vorliegenden Beispiel im Berührungspunkt 27, da sich dort die Kräfte 22; 24; 25 addieren. Die im Berührungspunkt 2G entstehenden Kräfte unterstützen den Wälzvorgang; im Berührungspunkt 28 wird die Lastkraft 22 zu einem großen Teil durch die zweite Magnetkraft 24 kompensiert. Der zylindrische zweite Bereich 18 ist notwendig, um den dritten Berührungspunkt 28 zu entlasten.

Die Pole der zweiten Polebene 5 sind gegenüber der ersten Polebene 2 längs der Motorachse 14 verlängert., um den Drehpunkt 29 in die N?he des zweiten Berührungspunktes 27 zu legen und somit kleine Inkremente zu erzielen. Durch Änderung der Länge der Pole der zweiten Polebene 5 kann das Lageinkrement verändert werden.

Beim fortlaufenden Erregen der einzelnen Spulen 9 wälzt die Spindel 10 ab und führt dabei eine taumelnde Bewegung aus. Bei Durchmesserdifferenzen von beispielsweise 100μηι werden diese Taumelbewegungen durch den Taumelstift 11 auegeglichen.

Figur 2 zeigt die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Wälzmotors nach Figur 1. Außer den Polen 6; 7 sind zwei weitere Pole 32; 33 der zweiten Polebene 5 ersichtlich.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Pole der Polebene 5, die es erlaubt, die Fertigung des zylindrischen zweiten Bereiches 18 zu vereinfachen. Ein vorher durchgängig geschnittenes Gewinde wird in diesem Bereich in seiner Zahnhöhe reduziert. Der Berührungspunkt 27 liegt bei üblicherweise kleinen Durchmesserdifferenzen nahezu auf dem Außendurchmesser des Gewindes.

Bis zu dieser Zahnhöhe bleibt das Gewinde erhalten, so daß der Abwälzvorgang im Berührungspunkt 27 gewährleistet ist und außerdem die zweite Magnetkraft 24 in auszeichnendem Maß radial von der Spindel 10 aus wirkt. Damit ist die Voraussetzung für die Entlastung des Berührungspunktes 28 als Wälzpunkt gegeben.

In der Ausführung der Figur 3 ist der dritte Bereich 20 der Pole der zweiten Polebene 5 durch eine Verjüngung im Durchmesser 34 von den übrigen Bereichen der Pole abgesetzt, die den Magnetfluß im dritten Bereich stark reduziert. Vorteilhaft ist, daß die Pole in diesem Fail aus einem Teil gefertigt werden können.

Claims (6)

1. Wälzmotor für feinfühlige translatorische Bewegung, bestehend aus einer magnetisch gut leitenden, mit Gewinde versehenen Spindel (10), um die in senkrecht zu deren Achse verlaufenden Polebenen jeweils mehrere Pole angeordnet sind, die Spulen (9) tragen und durch Joche (8) miteinander verbunden sind, wobei die Pole einer ersten Polebene (2) eine zylindrische Innenfläche aufweisen, deren Durchmesser größer ist als der der Spindel, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole einer zweiten Polebene (5) längs der Spindel einen ersten, der ersten Polebene am nächsten liegenden, Gewinde tragenden Bereich (16), einen daran anschließenden zweiten, vorzugsweise zylindrischen Bereich (18) und einen dritten, ebenfalls Gewinde tragenden Bereich (20) aufweisen, wobei die Durchmesser der Gewinde bzw. des Zylinders der Pole (6,7) der zweiten Polebene größer sind als der Durchmesser des Gewindes der Spindel, das sich mindestens in den Bereichen der Pole der zweiten Polebene befindet, und daß der dritte Bereich vom zweiten körperlich abgesetzt ist.

2. Wälzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der körperlich abgesetzte dritte Bereich aus magnetisch nichtleitendem und der erste sowie zweite Bereich der Pole der zweiten Polebene aus magnetisch gut leitendem Material besteht.

3. Wälzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich durch eine Schicht nichtleitenden Materials vom zweiten Bereich der aus leitendem Material bestehenden Pole der zweiten Polebene abgesetzt ist.

4. Wälzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diw Pole der zweiten Polebene aus magnetisch gut leitendem Material bestehen und der dritte Bereich vom zweiten durch eine Verjüngung in der Materialdicke abgesetzt ist.

5. Wälzrnotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Spindel, der sich im Bereich d6r Pole der ersten Polebene befindet, zylindrisch ist.

6. Wälzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Bereich der Pole der zweiten Polebene auf ihren der Spindel zugewandten Flächen mit Gewinde reduzierter Zahnhöhe versehen sind.