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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor und insbesondere einen Schrittmotor mit einer integrierten Bremse.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Schrittmotoren werden bei Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Positionierung erfordern. Zum kurzzeitigen Halten der Sollposition ist ein Haltemoment erstrebenswert, bei dem im Hinblick auf eine geringe Wärmeabgabe und einen niedrigen Energieverbrauch der Eingangsstrom verringert ist oder das stromlos ist.
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Bei Schrittmotor-Aktuatoren gemäß dem Stand der Technik wird ein Haltemoment normalerweise durch mechanische Reibung realisiert, zum Beispiel durch ein selbsthemmendes Getriebe mit geringer Leistung, oder durch ein magnetisches Rastmoment. Diese Mechanismen verringern das verfügbare Ausgangsdrehmoment oder führen eine Welligkeit des elektromagnetischen Drehmoments ein, mit negativen Auswirkungen auf einen vibrationsarmen dynamischen Betrieb. Sie stehen deshalb im Gegensatz zu dem Bedarf eines effizienten elektromagnetischen Aktuator-Systems, wie dieses derzeit für leistungsarme oder energieeffiziente, umweltfreundliche Produkte gefordert wird.
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Die Kombination eines Elektromotors mit einer elektromagnetischen oder Magnetbremse ist bekannt. Die Ansteuerung der Bremse erfordert jedoch zusätzliche Elektronik und Steuerleitungen, wodurch der Aktuator nicht nur teurer, sondern auch komplexer wird. Schrittmotoren mit mechanischen Bremsen sind nicht grundsätzlich bekannt. Ein Problem, das sich beim Anbau einer elektromagnetischen Bremse an dem Schrittmotor stellt, ist, wie sich verhindern lässt, dass bei langsamer Fortschaltung des Motors die Bremse betätigt wird. Dieses Problem kann durch die Verwendung eines komplexen elektronischen Schaltkreises gelöst werden, wodurch der Motor für die meisten Anwendungen jedoch zu teuer wird.
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ÜBERSICHT
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Aus diesem Grund wird ein effizienter Schrittmotor mit einer integrierten Bremse gewünscht, die mit einem einfachen Steuerschaltkreis betätigt wird, wenn der Schrittmotor abgeschaltet wird.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Verwendung eines üblichen Schrittmotors, mit dem eine elektromagnetische Abschaltbremse gekoppelt ist. Die elektrischen Leitungen zur Versorgung der Motorphasen (zwei je Phase) sind auch zu einer Gleichrichterschaltung geführt, die derart ausgelegt ist, dass sich die Magnetbremse öffnet, wenn Phasenstrom angelegt wird. Ansonsten bleibt die Bremse geschlossen, wenn keine Phase erregt wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schrittmotor angegeben, umfassend: einen Rotor mit Permanentmagnet-Rotorpolen; einen Stator, der eine Statorwicklung mit mindestens zwei Phasen hat; und eine elektromagnetische Bremse, wobei die Bremse mit den Phasen der Statorwicklung elektrisch verbunden ist und derart ausgelegt ist, dass sie gelöst wird, wenn mindestens eine der Phasen erregt wird.
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Vorzugsweise umfasst die elektromagnetische Bremse einen Magnet, eine Reibscheibe und eine Feder, wobei die Feder die Reibscheibe an den Rotor drückt und wobei der Magnet derart angeordnet ist, dass dieser im erregten Zustand die Reibscheibe von dem Rotor wegbewegt.
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Vorzugsweise ist ein Gleichrichter jeweils mit jeder Phase der Statorwicklung verbunden, um den Magnet mit Strom zu versorgen.
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Vorzugsweise ist jeder Gleichrichter über einen Widerstand mit der entsprechenden Phase verbunden.
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Vorzugsweise ist jeder Gleichrichter ein Vollwellengleichrichter.
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Vorzugsweise ist ein Ausgang jedes Gleichrichters mit dem Magnet und mit einem Kondensator, der über den Magnet geschaltet ist, parallelgeschaltet.
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Vorzugsweise ist die Anzahl der Steuerleitungen für den Betrieb des Motors gleich der oder kleiner als die zweifache Anzahl von Motorphasen.
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Vorzugsweise ist die Elektronik zum Ansteuern der elektromagnetischen Bremse in den Motor integriert.
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Vorzugsweise bringt die Bremse ein Haltemoment auf, das mindestens so hoch ist wie das maximale Drehmoment, das von dem Motor erzeugt wird, wenn dieser bei nominellen Betriebsbedingungen erregt wird.
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Vorzugsweise erzeugt die Bremse, wenn sie erregt wird, im Wesentlichen keinen Widerstand am Motor.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sorgen für einen Schrittmotor mit einer integrierten Abschalt-Magnetbremse mit einfacher Elektronik. Eine Abschalt-Magnetbremse ist eine magnetbetätigte Bremse, die hält oder geschlossen ist, wenn der Magnet nicht erregt wird, und die frei oder offen ist, wenn der Magnet erregt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in all diesen Figuren identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmale, die in den Figuren gezeigt sind, sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
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1 ist eine Schnittansicht eines Zweiphasen-Schrittmotors mit einer Magnetbremse bei Betrachtung im nicht erregten Zustand;
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2 ist eine Ansicht ähnlich wie 1, wobei sich der Motor im erregten Zustand befindet;
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3 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten elektrischen Schaltkreises für den Betrieb einer Magnetbremse an einem Zweiphasen-Schrittmotor gemäß vorliegender Erfindung;
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4 ist ein Diagramm der zu dem Schrittmotor in 1 geleiteten Ansteuersignale im Vollschrittmodus mit bipolarer Vorspannung;
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5 ist ein Diagramm der entsprechenden, an den Phasenspulen gemessenen Stromantwort;
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6 ist ein Diagramm des Stroms in der Magnetbremse, wenn sich der Motor im Vollschrittmodus befindet;
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7 ist ein Diagramm von Stromsignalen, die an den Phasenspulen gemessen werden, ähnlich wie 5, wenn der Motor im Mikroschrittmodus angesteuert wird; und
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8 ist ein Diagramm des Stroms in der Magnetbremse, wenn der Motor im Mikroschrittmodus arbeitet.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist eine Schnittansicht eines Zweiphasen-Schrittmotors 10, an dessen linker Seite eine elektromagnetische Bremse befestigt ist. Zur Darstellung des Funktionsprinzips der Erfindung ist der Schrittmotor in schematischer Form gezeigt. Es sind daher nicht alle Komponenten dargestellt, wie zum Beispiel die Motoranschlüsse, die Lager, das Gehäuse und Befestigungskonstruktionen. Der Schrittmotor hat einen Stator 12, einen Rotor 14 und die elektromagnetische Bremse in Form einer Magnetbremse 16. Der Stator 12 hat zwei Phasenanordnungen 18, deren jede eine Spule 20 hat, die auf einem Spulenkörper 22 gewickelt und zwischen einem Polplattenpaar 24 angeordnet ist. Die beiden Phasenanordnungen sind axial durch ein Distanzelement 26 getrennt.
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Die Phasenanordnungen definieren einen Innenraum, in dem sich der Rotor 14 befindet. Der Rotor hat einen Rotorkern 40 und eine Welle 44. Die Welle ist durch eine Kupplung 46 an einer Nabe 42 des Rotors befestigt. Der Rotorkern ist vorzugsweise ein geformter Permanentmagnet, kann jedoch auch in einer anderen Form vorliegen, zum Beispiel als Stützkern, der die Nabe mit einem an dieser montierten oder anderweitig angebrachten Ringmagnet aufweist. Der Rotor ist durch ein Lager 32, das an der Welle 44 befestigt und in einem Lagerhalter 32 montiert ist, der sich in den Leerraum des Rotorkerns hinein erstreckt und einen Teil eines Gehäuses oder Rahmens für den Motor bildet, drehbar gestützt.
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Die Magnetbremse 16 hat eine Abdeckung 60, eine an der Abdeckung befestigte Magnetspule 62, eine Feder 64 und eine Reibscheibe 66. Die Reibscheibe kann sich innerhalb der Abdeckung axial bewegen, jedoch nicht drehen. Die Reibscheibe ist so angeordnet, dass sie durch die Feder an den Rotor 14 gedrückt wird, um die Drehung des Rotors zu stoppen. In diesem Beispiel befindet sich die Reibscheibe in direktem Kontakt mit einer axialen Endfläche 48 des Rotors 40. Die Feder ist durch eine Führung 68 in der Abdeckung 60 angeordnet. Die Reibscheibe ist magnetisch und liegt in dem Magnetfeld, das bei Erregung der Magnetspule durch dieselbe erzeugt wird, so dass die Reibscheibe gegen die Kraft der Feder an den Magnet angezogen wird. Im Einsatz wird die Reibscheibe daher durch die Feder an den Rotor gedrückt, wie in 1 gezeigt, wenn der Magnet nicht erregt wird und durch die Magnetspule kein Magnetfeld erzeugt wird. Wird der Magnet erregt, wie in 2 dargestellt, zieht das durch den Magnet erzeugte Magnetfeld die Reibscheibe an und bewirkt deren Bewegung in Richtung auf den Magnet und außer Kontakt mit dem Rotor, wodurch sich der Rotor frei drehen kann.
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Die Erregung des Magnets in Verbindung mit der Erregung der Phasenspulen des Motors wird nunmehr unter Bezugnahme auf das bevorzugte beispielhafte Schaltkreisdiagramm, das in 3 gezeigt ist, und auf die Diagramme der 4 bis 8 erläutert. Die Phasenspulen werden über die Eingangsanschlüsse 80 mit Strom versorgt. Die erste Phasenspule ist durch R1 und L1 dargestellt, die zweite Phasenspule ist durch R2 und L2 dargestellt. Ein jeder Phase entnommener Strom wird zu dem Gleichrichter 82 geleitet. Der Gleichrichter 82 ist vorzugsweise ein Vollwellengleichrichter, obwohl auch andere Arten mit unterschiedlicher Leistung verwendet werden können, wie zum Beispiel ein Halbwellengleichrichter. Die Ausgabe jedes Gleichrichters wird vereint und zur Magnetspule 62 der Magnetbremse 16 geleitet, die durch Rs und Ls dargestellt ist. Wahlweise glättet ein Kondensator 84 den Eingangsstrom in die Magnetspule durch eine Verringerung von Stromwelligkeiten. Die Gleichrichter 82 sind zum Zweck einer Entkopplung und Impedanzanpassung über Widerstände 86 mit den Phasenanschlüssen verbunden.
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4 ist ein Diagramm (Spannung-Zeit) der Spannungssignale Va und Vb, die im Vollschrittmodus mit bipolarer Vorspannung an den Phaseneingängen angelegt werden. Die Spannungssignale sind Rechteckwellen mit einer Schrittfrequenz von 100 Vollschritten pro Sekunde, d. h. einer Periode von 10 ms.
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5 ist ein Diagramm (Ampere-Zeit) der an den Phasenspulen gemessenen entsprechenden Stromantwort Ia und Ib.
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6 ist ein Diagramm (Ampere-Zeit) des entsprechenden Stroms in der Magnetspule beim Starten des Motors, d. h. am Zeitpunkt t = 0, wenn die Signale von 4 an den Motor angelegt werden. Durch die Wahl geeigneter Schaltkreiskomponenten (Induktivitäten, Widerstände, Kondensatoren) können die Anstiegszeit des Stroms und die dynamische Antwort der Bremse im Vergleich zur Motordrehzahl ausreichend kurz bemessen werden.
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7 ist ein Diagramm der Stromantwort, ähnlich wie 5, wenn der Motor im Mikroschrittmodus angesteuert wird (quasi-sinusförmiger Strom). Es ist zu beachten, dass die Skala für die Zeitachse geändert und im Vergleich zu jener von 5 verdoppelt wurde.
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8 ist ein Diagramm, ähnlich wie das Diagramm von 6, des entsprechenden Stroms in der Magnetspule beim Starten des Motors, d. h. an dem Zeitpunkt t = 0, wenn der Motor im Mikroschrittmodus angesteuert wird, wie in 7 dargestellt. Auch hier ist die geänderte Skala für die Zeitachse zu beachten.
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Durch vorliegende Erfindung wird somit ein einfacher und kosteneffizienter Schaltkreis zum Steuern des Betriebs einer elektromagnetischen Bremse an einem Schrittmotor bereitgestellt.
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Durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene wesentliche Vorteile erzielt werden. Diese Vorteile sind unter anderem:
Durch den Einbau einer elektromagnetischen Bremse in das Gehäuse des Schrittmotors ist der Motor äußerst kompakt, und der Motor selbst kann frei sein von den üblichen Reibungsmerkmalen, wie zum Beispiel die Verzahnungsgeometrie, die zur Erhöhung der Reibung verwendet wird, um einen Rückantrieb des Motors zu verhindern. Das bedeutet, dass die Gesamtleistung des Motors durch die Verwendung von Verzahnungsgeometrien mit höherem Wirkungsgrad deutlich erhöht werden kann, ohne Rücksicht auf den Rückantrieb. Die Verzahnungsgeometrien vom Reibungstyp sind empfindlich gegenüber Temperaturänderungen, die zu temperaturbezogenen Variationen der maximalen Haltekraft und der Motorleistung aufgrund einer variierenden Reibung führen. Die Verwendung von reibungsarmen Zahnrädern reduziert auch eine Zahnradabnutzung und eine reibungsbedingte Erwärmung der Zahnräder. Dadurch ist das Haltemoment stabil und nicht temperaturabhängig.
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Standardmäßig ist der Schrittmotor ohne Antrieb drehunbeweglich. Daher ändert sich die in der Fabrik voreingestellte Position unter großen Kräften und Vibrationen, wie sie zum Beispiel bei der Montage oder beim Transport auftreten, nicht. Das bedeutet, dass bei der Fertigung und beim Austausch am Einsatzort weniger Einrichtezeit benötigt wird.
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Die Haltekraft ist auch anpassbar durch eine Anpassung der Reibfläche (Material oder Form) und der durch die Feder ausgeübten Kraft.
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Bei einem Motor mit mehreren Phasen wird die Steuerung der Bremse auf einfache Weise mit minimalen Komponenten erzielt. Dies führt zu niedrigen Kosten und zu der Möglichkeit, die Steuerung in das Motorgehäuse zu integrieren. Die einfache Steuerung bedeutet auch, dass der Motor im Wesentlichen in der gleichen Weise behandelt werden kann wie ein Motor ohne Bremse, da keine zusätzlichen elektrischen Leitungen notwendig sind, um die Bremse zu steuern.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf einen oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, weshalb der Schutzumfang der Erfindung durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.
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Die Erfindung ist zum Beispiel nicht auf 2-Phasenmotoren beschränkt, sondern kann auch bei Mehrphasen-Synchronantrieben angewendet werden.
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Falls die Parameter der verfügbaren Motor- und Bremskomponenten einer Bremsantwortzeit, die wesentlich schneller ist als die Motorschrittperiode (das Öffnen und Schließen sollte vor der Bewegung stattfinden), nicht genügen können, erlaubt eine initiale Motorerregung bei einem ersten Schritt, dass sich die Bremse vor dem Beginn der Kommutationssequenz löst. Dies kann Teil des Geschwindigkeitsrampen-Algorithmus sein.
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Wie vorstehend erwähnt, können anstelle von Vollwellengleichrichtern auch Halbwellengleichrichter verwendet werden, um Raum und Kosten zu sparen, was jedoch zu Lasten einer verringerten Stromübertragung (50% Verringerung) geht.
