-
Mit Gleichstrom gespeister, selbsttätig und in wählbarer Drehrichtung
arbeitender elektromagnetischer Schrittschaltmotor Schrittschaltmotoren werden hauptsächlich
für den Antrieb von Schaltgeräten, insbesondere von solchen für Vielstufensteueruugen,
benutzt. Sofern nur in einer Richtung geschaltet werden soll, gestaltet sich die
Ausbildung eines solchen Motors verhältnismäßig einfach; wenn aber das Schaltgerät
in zwei Richtungen bewegt werden soll, dann muß nach den bisherigen Ausführungen
eine Umsteuerung derart vorgenommen werden, 'daß die Polstellung, welche z. B. für
den Rechtslauf vorbereitet ist, für den Linkslauf umgesteuert wird.
-
Bekannte Schrittschaltmotoren, welche die schrittweise Schaltung hervorrufen,
haben zwei Magnetsysteme. Je eines der Magnetsysteme ist immer in )''orbereitungsstellung,
während sich,das zweite in der Endstellung befindet. Unter Vorbereitungsstellung
ist zu verstehen, daß die Polkanten sowohl des Ständers als auch des Ankers gerade
einander gegenüberliegen, so daß bei Magnetisierung auf den Anker ein Drehtnoment
erzeugt wird. Unter Endstellung ist jene zu verstehen, bei welcher die beweglichen
Pole sich ganz zwischen den Ständerpolen befinden, so daß trotz größten magnetischen
Flusses kein Drehmoment entsteht.
-
Die beiden Magnetsysteme sind um einen von der Pol- bzw. Schrittzahl
abhängigen Winkel zueinander I erschoben, so daß bei abwechselndem Einschalten der
zu dem einen bzw. dem anderen Magnetsystem gehörenden Magnetspulen ein dauernder
Umlauf in einer Richtung stattfindet. Bei einem bekannten Schrittschaltmotor erfolgt
die Umsteuerung der beiden Magnetsysteme durch ein mit dem Schrittschaltmotor verbundenes
Kontaktwerk, wie z. B. ein von der Motorwelle angetriebenes nockengesteuertes Schaltwerk,
das die Spulen der beiden Systeme mit zyklischer Vertauschung einschaltet. Eine
Richtungsumkehrung ist daher ohne besondere Maßnahmen nicht möglich.
-
Solche Maßnahmen bestehen z. B. darin, daß der Anker in umgekehrter
Richtung so weit zurückgestellt wird, .daß die in der Vorbereitungsstellung stehenden
Pole durch den nun größeren Luftspalt der wirksamen Einwirkung des magnetischen
Kraftflusses entzogen werden. Durch die eben erwähnte Zurückstellung werden zugleich
die Pole des zweiten Magnetsystems in Vorbereitungsstellung gebracht, so daß also
die Polkanten dieses Systems einander gegenüberliegen und ein Drehmoment in entgegengesetzter
Richtung ausgeübt wird.
-
Die obenerwähnte Umsteuerung vom Rechts- zum Linkslauf oder umgekehrt
muß von außen durch eine fremde Kraft bewirkt werden. Der Anker kann zu diesem Zweck
elektrisch bzw. pneumatisch gesteuert werden.
-
Die Erfindung betrifft einen mit Gleichstrom gespeisten, selbsttätig
und in wählbarer Drehrichtung arbeitenden elektromagnetischen Schrittschaltmotor,
der aus gemeinsam umlaufenden, in Drehrichtung und axialer Richtung zueinander versetzt
liegenden Ankerpolsystemen und einzeln erregten, in axialer Richtung nebeneinander
angeordneten Ständerpolsystemen zusiammengesetzt ist. Aufgabe der Erfindung ist
es, die erwähnte Umsteuerung, welche nicht nur sich dauernd abnutzende Teile enthält,
sondern auch mit größerem fertigungstechnischem Aufwand hergestellt werden muß,
zu vermeiden.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann,
daß man zu den bisher vorhandenen beiden Magnetsystemen noch eindrittes hinzufügt.
Damit kann bei richtiger Spulenschaltfolge die Drehrichtung des Ankers umkehrbar
gesteuert werden. Die Erfindung besteht in der Anordnung von drei vorzugsweise aus
Polsternen bestehenden Ankerpolsystemen in Verbindung mit drei in zyklischer Vertauschung
einzeln erregten Ständerpolsystemen, die durch konzentrisch angeordnete Spulen nacheinander
dadurch erregt werden, -daß die umlaufenden Ankersysteme Nockenreihen bewegen, welche
zur Steuerung von Nockenhilfsschaltern für -die wahlweise Erregung der Ständerpolsysteme
:dienen.
-
Die Ständerpolsysteme; haben zweckmäßig die Gestalt von Polsternen
od. dgl., die durch konzentrisch angeordnete Spulen erregt werden, wobei die Spulen
und die Polsterne fest auf der Drehachse für die umlaufenden Ankersysteme sitzen
können. Natürlich können auch die Ständerpolsysteme entsprechend versetzt werden.
Bei
einer vorzugsweisen Ausführung des erfindungsgemäßen Schrittschaltm6törs@ist die
Zähl@jder Anker jedes Ankersystems gleich der Zahl der Pole jedes Polsternes.
-
Der Schrittschaltmotor kann grundsätzlich als Außenläufer für größere<-Schaltkräfte
oder auch als Innenläufer ausgebildet sein. Im ersteren Falle sind die Ankersysteme
auf der Innenseite einer Trommel angeordnet, die auf ihrer. Außenseite Nockenreihen
zur Steuerung von Nockenhilfsschaltern für die wahlweise Erregung der Ständerpolsysteine
trägt. Diese Trommel kann aus Leichtmetall öder Kunststoff bestehen, wobei die elektrischen'
-Zuleitungen zu den Magnetspulen .durch die feststehende Achse hindurchgeführt sein;
können.
-
Ist umgekehrt der Schrittschaltmotor als Innenläufer ausgebildet,
so sind die Ankersysteme auf einer drehbaren Welle befestigt, während die S.tänderpole
und die Magnetspulen in einem. feststehenden Gehäuse angeordnet sind. Die für die
Taktschaltung notwendigen Nockenreihen bzw. Nockenringe zur Steuerung der Nockenhilfsschalter
müssen in -diesem Falle auf der umlaufenden Welle oder einer hiermit verbundenen
Trommel angeordnet sein.
-
Bei beiden Ausführungen liegen zweckmäßig .die für die schrittweiser
Weiterschaltung im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn di'enend'en Nockenhilfsschalter
in Richtung der Trommelachse nebeneinander.
-
Um zu vermeiden, daß der Schrittschaltmotorl vor Vollendung eines
begonnenen Schaltschrittes stehenbleibt, sind in der Regel außer den drei Nockenreihen
für jede der beiden Drehrichtungen auf der jeweiligen Trommel noch weitere Nockenreihen
mit Nockenhilfsschalterri vorgesehen, die eine vor Beendigung eines begonnenen Schaltschrittes
erfolgte Unterbrechung des Weiterscheltens so lange unwirksam machen, bis der Schaltschritt
vollendet ist.
-
Zwecks Raumersparnis und Erhöhung -des Wirkungsgrades werden idie
Magnetspulen des jeweiligen Stänrderpolsystems vorzugsweise derart angeordnet, daß
sie in das umlaufende Ankerpolsystem, teilweise auch in das Ständerpolsystem hineinragen.
Dabei können gleichzeitig die Ankerpole zwischen den Ständerpolen hindurchlaufen.
-
Schließlich können noch zusätzliche Nockenreihen und Nocke_nhilfsschalter
vorgesehen sein, !die durch Zuschalten einer zweiten Magnetspule zu der jeweils
eingeschalteten Magnetspule ein beschleunigtes Abwärtsschalten oder ein beschleunigtes
Abbremsen beim Aufwärtsschelten bewirkt.
-
Die mit einem erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor erzielbare maximale
Schrittzahl pro Zeiteinheit hängt von der Größe der für den Antrieb des mit dem
Schrittmotor gekuppelten Schaltwerkes aufzubringenden Momente und von der Größe
des Schrittmotors ab; ein größerer Motor kann im allgemeinen nicht so viele Schaltschritte
in der ,Zeiteinheit ausführen wie ein kleinerer Motor.
-
Inden Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt -des Erfindungsgegenstandes, Fig. 2 einen
Querschnitt A-B nach Fig. 1 mit sichtbarem Polrad I, Fig. 3 einen Querschnitt C-D
nach Fig. 1 mit sichtbarem Polrad II, Fig. 4 einen Querschnitt ELF nach Fig.
1 mit sichtlsarem Polrad III, Fig. 5 eine Ansicht der- Rastenseheibe mit Kastenhebel
in der Schnittebene G-H nach Fig. 1, =Fig:;6 eine Abwicklung eines zylindrischen
Flächenschnittes durch die Ständer- und Ankerpole der Magnetsysteme I, II und III,
Fig. 7 einen korrespondierenden Schnitt zu Fig. 6, Fig. B. eine Schaltung der Antriebs-
oder Verstelleinrichtungssteuerung und eine Abwicklung der Nokkensteuerwalze, Fig.
9 einen Längsschnitt I-K der Antriebs- oder Verstelleinrichtung mit Innenläufer,
Fig. 10 eine Ansicht in die Antriebs- oder Verstelleinrichtung nach Fig. 9 bei abgezogenem
Lagerdeckel, Fig. 11 einen Schnitt im Luftspalt nach Fig. 9 mit jeweils zugeordneten
Anker- und Ständerpollagen, Fig. 12 einen; Längsschnitt L-M der Antriebs- oder Verstelleinrichtung
mit messearmem Innenläufer, Fig.13 eine Abwicklung eines zylindrischen Flächenschnittes
durch die Ständer- und Ankerpole der Magnetsysteme I, II und III nach Fig. 12.
-
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist in einem Gestell 1 aus ganz
oder teilweise nichtmagnetisier= barem Material eine Hohlwelle 2 unverdrehbar gelagert.
Auf dieser Welle sind Ständerpolsterne 3, 4, 5, 6 aufgeschoben und gegen erstere
gegen Drehung durch einen Keil oder andere Verbindungsarten gesichert. Zwischen
den Ständerpolen 3, 4, 5, 6 befinden,sich drei Magnetspulen 7, 8, 9. Der drehbare,
.das Drehmoment abgebende Teil des Schrittschaltmotors besteht. aus zwei Lagerplatten
10, 11, welche,auf der Welle 2 drehbar gelagert sind. Zwischen Iden Lagerplatten
10, 11 wird eine leichte Metall- oder Kunststofftrommel angeordnet. An dieser Trommel
12 sind auf der Innenseite drei Reihen von Ankerpolen 13 befestigt, während
auf der Außenseite die Nockenringe 14 für die Betätigung der Steuerkontakte angeordnet
sind.
-
Am Gestell befestigt und vor der Trommel liegend befinden sich Nockenschalter
15 bis 27, welche von. den auf der Trommel angeordneten Nockenreihen gesteuert werden.
Die Leitungen 28 zwischen den Nockenschaltern und den Spulen werden von den ersteren
durch eine Bohrung der Achse in das Innere -des Schrittschaltmotors geführt.
-
An der Lagerplatte 10 ist ein Zahnrad 29 für die Drehmomentübertragung
auf das vom Schrittmotor angetriebene Gerät angebracht. An -der gegenüberliegenden
Lagerplatte 11 befindet sich eine Rastenscheibe 30 für die genaue Stellungsrastierung.
Hierzu gehört auch ein am Gestell 1 angebrachter Rastenhebe131 (Fig. 5) .
-
Nach dem in der Fig. 8 dargestellten Schaltbild ist die Wirkungsweise
folgendermaßen: Für die Aufwärts- und Abwärtsschaltung bzw. Vorwärts- oder Rückw=ärtsbewegung
des Motorankers werden der Reihe nach .die Polsysteme I (= 3, 4), 1I (- 4, 5) und
III (= 5; 6) durch die jeweils zugehörigen Spulen 7, 8, 9 erregt und in Bewegung
versetzt.
-
Das Auf- und Ab-Schalten wird durch je drei Nokkenringe »Aufwärts«
bzw. »Abwärts« mit Hilfe der zugehörigen Nockenhilfsschalter geregelt. Für die Aufwärtsschaltung
der Polreihe I ,dient der Nockenhilfsschalter 15, für die Polreihe II,der Nockenhilfsschalter
17 und für die Polreihe III der Nockenhilfsschalter 16.
-
Für die Abwärtsschaltung sind für die Polreihe: I der Nockenhilfsschalter
19, für die Polreihe II Schalter 18 und für idie Reihe III Schalter 20 vorgesehen.
-
Die Aufwärts- und Abwärtsschaltung wird durch ein Auf-Relais 35, 37
und ein Ab-Relais 34, 36 eingeleitet. -Beide sind zu einer Einheit zusammengebaut
und betätigen einen zu dieser Einheit gehörenden Schleppschalter 32, 33. Dieser
muß bei Unterbrechung
des Auf- oder Ab-Relais die Stromverbindung
zudem Fertigschalter 21 herstellen, welcher die Aufgabe hat, einen eingeleiteten
Schaltvorgang, der vorzeitig durch Ausschalten ;des Auf- oder Ab-Relais unterbrochen
werden könnte, aufrecht zu erhalten. Ein Stehenbleiben des Ankers: zwischen zwei
Raststellungen ist dadurch ausgeschlossen.
-
In der Ausgangsstellung 0 des Schrittschaltmotors ist zunächst,die
Spule 7 über den Nockenhilfsschalter 15 an den Kontakt 35 des Auf-Relais angeschlossen.
Eine Stromverbindung mit dem Abwärts-Relais ist in dieser Schaltstufe nicht vorgesehen,
so daß eine weitere Abwärtsschaltung nicht möglich ist. Wenn das Auf-Relaiseingeschaltet
wird und der Stromkreis zur Spule 7 geschlossen ist, dann wird, da die Ankerpolkanten
denen der festen Pole gegenüberstehen, in Aufwärtsrichtung (in Fig. 2 nach links)
gedreht. Im Verlauf dieser Drehung nimmt das Drehmoment des der Spule 7 zugehörigen
Magnetsystems I ab.
-
Inzwischen hat sich die Ankerpolreihe des Magnetsvstems III den feststehenden
Polen genähert. Währenddessen wurde der Schalter 15 geöffnet und der Schalter 16
geschlossen, so daß über diesen Schalter die Spule 9 gespeist wird und das Magnetsystem
III die Fortbewegung des Ankers übernimmt. Die Ankerpole des Magnetsystems 1I nähern
sich jetzt den feststehenden Polkanten für den Anzug in Aufwärtsbewegung, der Schalter
16 wird geöffnet und der Schalter 17 geschlossen, so daß nun die Spule 8 eingeschaltet
wird und. das Magnetsystem II zur Wirksamkeit kommt. Die weitere Fortbewegung des
Ankers wird damit in der gleichen Drehrichtung vollzogen.
-
Während der geschilderten Bewegung des Ankers wird (s. F ig. 8) in
jeder Stellung die Abwärtsschaltung durch einen der Nockenschalter 18 bzw. 19 bzw.
20 vorbereitet, so daß irgendeine der drei Spulen 7, 8 oder 9 beim Einschalten des
Ab-Relais erregt wird. Der Abwärtslauf des Ankers ist in jeder Stellung möglich,
weil immer eine der drei Ankerpolrehen I bzw. II bzw. III sich in Vorbereitungsstellung
befindet, das ist jene Stellung, bei welcher die Polkanten des beweglichen Pols
gegenüber denen des festen Pols für Abwärtsbewegung stehen. Auch der Ablauf erfolgt
in ähnlichem Turnus, wie er oben für den Auflauf beschrieben ist.
-
Der Anker kann je nach Aufgabenstellung als Antriebs- oder Verstellorgan
mehrmals umlaufen oder nur eine Drehung bis 3609 ausführen. Im ersteren Fall sind
die Nockenringe für die Nockenschalter 17, 20, 21 auch in der Endstellung 17 mit
Nocken!ausschnitten versehen, so daß dadurch über die Endstellung 17 hinaus eine
mehrmalige bzw. dauernde Umdrehung der ,.!Ankertrommel möglich ist. Im zweiten Fall
fehlen die soeben erwähnten Ausschnitte, wie in Fig. 8 dargestellt, so d@aß der
Anker in der Endstellung 17 stehenbleibt.
-
Im Schaltbild ist ferner noch der bereits erwähnte F ertigschalterkontakt
21 dargestellt, welcher die Fertigschultung bei Stromunterbrechung über die Schleppschalter
des Auf- bzw. Ah-Relais bewirkt.
-
Mittels des Rastenrades 30 erfolgt, wie bereits erwähnt, die Rastierung
des Ankers in den einzelnen Stellungen. Die umlaufende Masse soll dabei möglichst
rasch stillgesetzt werden und nicht stark überschwingen. Praktisch lassen sich umlaufende
Massen nicht in einer unendlich kleinen Zeit zum Stillstand bringen.
-
Die nach Möglichkeit exakte Beruhigung der umlaufenden Massen kann
durch mechanische Einwirkung erzielt werden. Dazu können mechanische Sperrvorrichtungen
verwendet werden oder der Drehbewegung entgegenwirkend über Hebelsystem angreifende
Massenkräfte. Diese Rastierungsvorrichtungen bedeuten jedoch eine zusätzliche Verteuerung
und sollen durch den Erfindungsgegenstand überflüssig gemacht werden. Wie es sich
gezeigt hat, kann mit Hilfe der jeweils freien, d. h. an der augenblicklichen Drehmomenterzeugung
nicht beteiligten Magnetsysteme die bewegte Ankermasse abgebremst werden. Dies geht
folgendermaßen vor sich: Den Magnetsystemen I, 1I, III sind zusätzlich drei Nockenhilfsringe
zugeordnet, welche Nockenhilfs-schalter 25, 26, 27 steuern. Wie aus der Abwicklung
der Nockenringe hervorgeht, wird in dem Augenblick, in welchem beim Auf-Schalten
von Null nach Stufe 1 die Ankerpole des Magnetsystems I noch nicht ganz zwischen
den feststehenden. Polen eingetaucht sind, die Spule 8 des Magnetsystems II erregt
und somit ein gegenläufiges Drehmoment erzeugt. Die gleiche Wiederholung findet
beim Weiterschalten über die Stufen 1, 2, 3 bis 17 statt.
-
Es ist auch möglich, wie schon erwähnt, in ähnlicher Weise ein beschleunigtes
Ab-Schaltendes Ankers zu erzielen, wenn zu dem gerade am Drehmoment beteiligten
Magnetsystem ein weiteres hinzugeschlaltet wird, welches die Drehwirkung so lange
kurzzeitig noch unterstützt, bis die beabsichtigte Stufe erreicht ist. Der Vorgang
ist also folgendermaßen: Von der höchsten Stufe 17 ausgehend, ist für den Abwärtslauf
der Nockenhilfsschalter 19 eingeschaltet, die Spule 7 erregt, und es wird die Ankerpolreihe
I in die zugehörigen Ständerpole hineingezogen. Bevor jedoch die Stufe 16 erreicht
ist, wird mittels des @Tockenhilfsschalters 24 -die Spule 8 der Spule 7 parallelgeschaltet.
Damit wird nicht nur eine Verstärkung des Drehmomentes vor Einlauf in die Stufe
16 hervorgerufen, sondern auch infolge der Vorerregung der Spule 8 die Schaltgeschwindigkeit
erhöht und damit die Schaltzeit verkürzt. Durch die Verstärkung des Drehmomentes
vor Einlauf in die Stufe 16 bzw. in die weiteren vorausgehenden Stufen wird nicht
nur eine Erhöhung der Geschwindigkeit erreicht, sondern es werden auch etwa verschweißte
Kontakte aufgerissen.
-
Wenn ein Schrittschaltmotor nur kleinere Drehe momente zu erzeugen
braucht, dann kann dieBauweise vereinfacht werden. Die Ausführung geht aus den Fig.
9 bis 11 hervor.
-
Wie bei einem normalen Motor sind die beweglichen Ankerpole13 auf
einer Wellet mittels einer Keilverbindung 2 a befestigt. Die Magnetpole 3, 4, 5
und die Magnetspulen 7, 8, 9 sind in einer Ständertrommel gelagert. Die Schalteinrichtung
ist bei diesem Schrittschaltmotor so ausgebildet, daß die Nockenringe 14 auf einem
radförmigen Träger 12 angebracht sind und das Ganze auf der Welle 2 befestigt ist.
-
Die Montage eines Schrittschaltmotors; der soeben beschriebenen Bauweise
erfolgt derart, d@aß nacheinander Ankerpole, Magnetpole und Spulen auf der Welle
bzw. in dem Magnetständer aufgereiht werden. Die Fertigung ist infolgedessen einfacher
als bei dem Schrittschaltmotor mit umlaufender Trommel.
-
Wenn sehr geringe Drehmomente an der Welle eines soeben beschriebenen
Schrittschaltmotors abgenommen werden sollen, dann kann die Anordnung der Ankerpole
auf der Welle auch nach den Fig. 12 bis 14 ausgeführt werden. Ein derartiger Schrittschaltmotor
wäre beispielsweise als Melde- oder Anzeigegerät in der Meßtechnik verwendbar. Bei
dieser Ausführung ist die Welle aus nichtmagnetisierbarem Material herzustellen.
-
Während bei der Ausführung nach den Fig. 9' bis 11 die Magnetspulen
in die Ständerpolsysteme hineinragen und gleichzeitig von den Ankersternen umfaßt
werden,
sind bei den Ausführungen nach den Fig. 12 bis 14 die Magnetspulen nur von den Ständerpolen
umgeben, während die Ankerspulen zwischen die Ständerpole hineinragen.
-
Schrittschaltmotoren für zwei Drehrichtungen ohne Vorsteuerung können
also gemäß der Erfindung so konstruiert sein, daß bei jeder geschalteten Stufe des
Schrittschaltmotors im gleichen Zeitablauf eine Schaltstufe am angetriebenen Schaltgerät
erfolgt.
-
Man kann aber auch durch ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis
eine Schaltstufe -des angetriebenen Schaltgerätes durch zwei oder mehr Schaltstufen
des Schrittschaltmotors ausführen lassen. Diese Ausführung hat den Vorteil"daß der
Schrittschaltmotor kleiner und leichter gebaut werden kann. Doch ist auf den Verlauf
der Schrittschaltmotorcharakteristik Rücksicht zu nehmen, da ,auf der Hälfte des
Schalthubes das Drehmoment des Schrittschaltmotors im allgemeinen, ohne besondere
Gestaltung der Charakteristik (veränderlicher Luftspalt, geringe Eisensättigung)
zurückgeht, um sofort wieder auf die volle Höhe anzusteigen. Für bestimmte Fälle
kann dies von Vorteil sein, z. B. dort, wo entsprechende Anforderungen sauf die
Schaltbewegung bzw. das dabei zu entwickelnde Drehmoment gestellt werden.