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Schrittmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor, d.
h. auf einen Elektromotor, dessen Läufer in Abhängigkeit von elektrischen Impulsen
schrittweise gedreht wird.
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Die Umwandlung elektrischer Impulse in getrennte Schritte der mechanischen
Drehung einer Welle findet zahlreiche Anwendungen; z. B. können Digitalrechnerdaten
in Analogdatenform zum Zwecke der Verwendung in einem Analogrechner umgewandelt
werden. Bei Reihenfertigungen können mit Hilfe derartiger Motoren die Werkzeuge
selbsttätiger Maschinen nacheinander gesteuert werden, und es können ferngesteuerte
Ventile u. dgl. eingestellt werden.
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Bisher wurde unter einem Schrittmotor, d. h. allgemein einem schrittweise
arbeitenden Motor, ein gewöhnlicher Synchronmotor verstanden, dessen Läuferwicklungen
erregt werden, um magnetische Felder für verschiedene Drehrichtungen in Abhängigkeit
von den Eingangsimpulsen zu bilden. Der Läufer selbst ist dabei magnetisch oder
auf elektrischem Wege magnetisiert, so daß er sich entsprechend der Resultierenden
der jeweils gebildeten Magnetfelder einstellt. Somit kann der Läufer durch aufeinanderfolgendes
Ändern der Lage der Resultierenden dieser Magnetfelder durch zyklisch abwechselndes
Erregen der Ständerwicklungen dazu gebracht werden, sich schrittweise längs getrennter
Bogenstücke zu bewegen.
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Um eine Schaltung zu schaffen, welche die erwünschte zyklische Folge
der Erregung der Ständerwicklungen in Abhängigkeit von den Eingangsimpulsen steuert,
waren bisher verhältnismäßig umständliche Schaltsysteme erforderlich. Wenn Relais
verwendet werden, ist die Ansprechzeit des Motors durch die mechanische Trägheit
dieser Relais beschränkt. Außerdem sind noch die sonstigen bekannten Eigenschaften
mechanischer Relais zu berücksichtigen. Bei Schaltungen, welche Transistoren zum
Schalten verwenden, wird eine verhältnismäßig große Zahl von Transistoren benötigt,
was einen Kostenaufwand zur Folge hat. Transistoren sind zwar zuverlässig, jedoch
ist es noch erwünscht, ihre erforderliche Anzahl bei jeder speziellen Schaltung
zu vermindern; das ist nicht nur wegen des Kostenaufwandes für die Transistoren
selbst erwünscht, sondern vor allem auch wegen des erhöhten Aufwandes an Arbeit
und an Zeit bei der Fertigung der Schaltung.
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Die bei manchen Schrittmotorschaltungen erforderliche Anzahl der Schaltvorgänge
kann dadurch vermindert werden, da.ß elektrische Betätigungsimpulse in Form einer
Rechteckwelle oder einer Wellenform mit gleichen Arbeitszyklen vorgesehen werden.
Mit anderen Worten, es wird für eine gegebene Zeitspanne eine feste Spannung zugeführt,
um den Läufer um einen ersten Schritt zu bewegen. Das Aufhören dieser Spannung für
eine gleiche Zeitspanne würde den nächsten Schritt bewirken usf. Es ist jedoch vorzuziehen,
ein System zu schaffen, das auf einfache Impulse elektrischer Energie, wie z. B.
Spitzenwerte, anspricht, wobei keine Abhängigkeit von der besonderen Wellenform
oder der Größe der Impulse besteht.
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Demgemäß ist es hauptsächlich Zweck der Erfindung, einen neuartigen
Schrittmotor zu schaffen, bei dem die erforderliche Zahl von Relais, Transistoren,
Dioden oder sonstigen bisher für den Betrieb eines solchen Motors erforderlichen
Bestandteile besonders gering ist, so da.ß eine überraschende Einfachheit und Übersichtlichkeit
der Schaltung sowie Wirtschaftlichkeit der Herstellung erreicht wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor, dessen Ständerwicklungen
paarweise so angeordnet sind, daß die von ihnen erzeugten Magnetfelder senkrecht
zueinander verlaufen, und es sind durch Impulse steuerbare Umschalteinrichtungen
so mit den jeweils einem dieser Magnetfelder zugeordneten Ständerwicklungen verbunden,
daß sie beim Umschalten eine Richtungsumkehr des zugehörigen Magnetfeldes bewirken;
erfindungsgemäß ist mit der Welle des Motorläufers, der sich jeweils entsprechend
der Resultierenden beider Magnetfelder einstellt, mindestens eine Kommutatoreinrichtung
verbunden, welche die Antriebsimpulse abwechselnd zu der einen oder anderen Umschalteinrichtung
durchläßt.
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Als impulsgesteuerte Umschalteinrichtung für jede einer Magnetfeldrichtung
zugeordneten Ständerwicklung kann eine bistabile Kippschaltung verwendet
sein,
deren beide Seiten an Ständerwicklungsteile für entgegengesetzte Richtungen jeweils
eines Magnetfeldes angeschlossen sind.
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Als Kommutatoreinrichtung kann eine auf der Motorwelle befestigte
Isolierscheibe mit einem Kommutatorsegmenteinsatz und einem damit elektrisch verbundenen
Schleifring dienen, wobei die Schleifringbürste mit der Eingangsklemme für die Antriebsimpulse
verbunden ist und am Umfang der Scheibe vier Kommutatorbürsten in Abständen von
90° verteilt angeordnet sind, von denen jeweils zwei sich gegenüberliegende Bürsten
mit den beiden Seiten je einer der beiden Umschalteinrichtungen, insbesondere bistabilen
Kippschaltungen, verbunden sind.
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Es kann noch eine zusätzliche Kommutatorscheibe vorgesehen sein, welche
entsprechend, jedoch in einer die Drehung des Motorläufers in Gegenrichtung bewirkenden
zyklischen Folge an die beiden Seiten der Umschalteinrichtungen angeschlossen ist;
die Schleifringbürsten beider Kommutatorscheiben können dann mit zwei wahlweise
verwendbaren, für die verschiedenen Drehrichtungen vorgesehenen Eingangsklemmen
für die Antriebsimpulse verbunden sein.
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Statt dessen kann auch zur Drehrichtungsumkehr des Motors bei Verwendung
nur einer Kommutatoreinrichtung ein doppelpoliger Umschalter in den Verbindungsleitungen
zwischen dieser und den impulsgesteuerten Umschalteinrichtungen vorgesehen sein.
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Im folgenden sind die Erfindung und ihre Vorzüge an Hand der Zeichnung
beispielspeise näher erläutert. F i g. 1 ist ein sehr schematisches Schaltbild zur
Erläuterung einer Ausführungsform eines Schrittmotors gemäß der Erfindung; F i g.
2 ist eine Reihe schematischer Darstellungen verschiedener Läuferstellungen, die
für die Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltung von
Nutzen sein kann.
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In dem rechten Teil von F i g. 1 ist schematisch ein Läufer 10 dargestellt,
der beispielsweise die Form eines Dauermagneten mit Nord- und Südpol N und
S
haben kann. Wahlweise kann der Läufer 10 durch einen einfachen Elektromagneten
magnetisch polarisiert sein. Um den Läufer 10 sind zwei Paare von Ständerwicklungen
11, 12 und 13, 14 gruppiert. Wie dargestellt, sind die beiden Wicklungen des einen
Paares in senkrechter Richtung auf gegenüberliegenden Seiten des Läufers und die
beiden Wicklungen des zweiten Wicklungspaares auf waagerecht einander gegenüberliegenden
Seiten des Läufers, um 90° versetzt gegenüber dem ersten Wicklungspaar, angeordnet.
Durch diese Anordnung wird ein magnetisches Feld durch jeweils eine der Wicklungen
11 bzw. 12 des ersten Paares längs einer Achse gerichtet; ein zweites magnetisches
Feld, das durch je eine der Wicklungen des zweiten Ständerwicklungspaares 13, 14
erzeugt ist, verläuft längs einer zweiten Achse rechtwinklig zur ersten Achse.
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Die inneren Klemmen jeder Wicklung der beiden Wicklungspaare sind
gemeinsam zu einem Leiter 15 geführt und von einer Gleichstromquelle aus, wie sie
als Batterie 16 angedeutet ist, erregt. Durch Erden einer der entfernten Klemmen
der Wicklungen ergibt sich ein Stromfluß durch die Wicklung, der ein magnetisches
Feld erzeugt, beispielsweise in Richtung der voll ausgezogenen Pfeile im Falle der
Erregung der Wicklungen 11 und 13 oder in Richtung der gestrichelt gezeichneten
Pfeile im Falle der Erregung der Wicklungen 12 und 14. Um die Erregung der Ständerwicklungen
zwecks schrittweiser Bewegung des Läufers 10 zu steuern, sind zwei Steuereinrichtungen
in Form bistabiler, elektrischer Netzwerke vorgesehen. Beispielsweise können die
äußeren Klemmen 11 und 12, wie bei F i g. 1 gezeigt, an die beiden
Seiten 17 und 18 eines bistabilen, elektrischen Netzwerks 19 gelegt sein. In ähnlicher
Weise können die äußeren Klemmen der Wicklungen 13 und 14 an die beiden Seiten 20
und 21 eines zweiten bistabilen Netzwerks 22 gelegt sein. Bistabile, elektrische
Netzwerke (Kippschaltungen) sind an sich bekannt; ihre Besonderheit besteht darin,
daß entweder die eine oder die andere Seite zu jeder Zeit leidend ist, daß aber
niemals beide Seiten zur gleichen Zeit leitfähig sind. Die Kippschaltungen haben
ferner die Besonderheit, daß sie in Abhängigkeit vom Empfang eines Impulses auf
der nichtleitenden Seite von der einen auf die andere Seite umschalten.
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Bei F i g. 1 ist die Läuferwelle schematisch durch die strichpunktierte
Linie 23 angedeutet. Auf dieser Welle sind geeignete Betätigungseinrichtungen in
Form von Kommutatorscheiben 24 und 25 angebracht. Die Umfangszonen dieser Scheiben
sind mit Ausnahme schmaler, leitender Stücke oder Sektoren, die mit 26 oder 27 bezeichnet
sind, isolierend. Die Scheiben enthalten ferner ununterbrochene, leitende Ringe
28 bzw. 29, die elektrisch mit den leitenden Stücken 26 und 27 verbunden sind. Die
Eingangsbürsten 30 und 31 berühren ununterbrochen die leitenden Ringe 28
und 29. Diese Eingangsbürsten sind mit jeweils einer Seite der Kondensatoren 32
und 33 verbunden, deren andere Seiten zu den Eingangsklemmen 34 bzw. 35 führen.
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Mit der Kommutatorscheibe 24 arbeiten vier Bürsten 17', 18', 20'
und 21' zusammen. Die Bürsten 17'
und 18' sind diametral angeordnet,
um einander gegenüberliegende Teile der Kommutatorscheibe 24 zu berühren, während
die Bürsten 20' und 21' in ähnlicher Weise diametral angeordnet sind,
aber einen Winkel von 90° gegenüber den ersterwähnten Bürsten bilden. Die einander
gegenüberliegenden Bürsten 17' und 18' sind über elektrische Leiter 36 und 37 an
die Seiten 17 und 18 des ersten Kippkreises 19
geführt. Das
andere Bürstenpaar 20', 21', ist in gleicher Weise über Leiter 38 bzw. 39
an die Seiten 20 und 21 des zweiten Kippkreises 22 geführt.
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Die Kommutatorscheibe 25 enthält in ähnlicher Weise vier diametral
angeordnete und mit 20", 21",
17" und 18" bezeichnete Bürsten. Die Bürsten
20" 21", die in ihrer Lage an der Kommutatorscheibe 25 den Bürsten
17' und 18', welche mit derKommutatorscheibe 24 verbunden sind, entsprechen,
sind mit den elektrischen Leitern 38 bzw. 39 verbunden, die zu den Seiten 20 und
21 des Kippkreises 22 führen. Die Bürsten 17" und 18", welche in ihrer
Lage an der Scheibe 25 der Stellung der Bürsten 21' und 20' an der Scheibe 24 entsprechen,
sind über die Leitungen 36 und 37 mit den Seiten 17 und 18 des Kippkreises 19 verbunden.
Somit sind die zu der leitenden Scheibe 25 gehörigen vier Bürsten im entgegengesetzten
Sinne in bezug auf die beiden bistabilen, elektrischen Kippkreise geschaltet, wenn
man sie vergleicht mit den vier zu der Kommutatorscheibe 24 gehörigen Bürsten.
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Durch die vorstehend beschriebene Anordnung und unter Berücksichtigung
zunächst der Scheibe 24 wird ersichtlich, daß, wenn der Läufer 10 sich zusammen
mit
der Welle 23 dreht, die Kommutatorscheibe 24 derart gedreht wird, daß der leitende
Teil 26 nacheinander und einzeln die Bürsten 21', 17', 20' und 18' berührt.
In ähnlicher Weise wird die Kommutatorscheibe 25 gleichzeitig gedreht, so daß der
entsprechende leitende Teil 27 nacheinander und einzeln die Bürsten 17", 20", 18"
und 21" berührt.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise des Schrittmotors an Hand von F
i g. 1 und F i g. 2 beschrieben. Angenommen, der Läufer 10 befindet sich in der
in F i g. 1 dargestellten und in dem Diagramm von F i g. 2 durch den Pfeil 10 angedeuteten
Stellung, wenn kein Impuls an der Eingangsklemme 34 anliegt, so ist die Seite 17
des bistabilen Kippkreises 19 leitend, die Seite 18 dagegen nichtleitend. Der Kippkreis
verbleibt in diesem Zustand bis zum Empfang eines Impulses. In ähnlicher Weise ist
die Seite 20 des bistabilen Kippkreises 22 leitend, die Seite 21 dagegen nichtleitend;
dieser Zustand bleibt bis zum Empfang eines Impulses durch den bistabilen Kreis
22 erhalten. Die Wicklungen 11 und 13 sind somit erregt, und es werden zwei magnetische
Felder gebildet, wie durch voll ausgezogene Pfeile in F i g. 1 angedeutet. Die Resultierende
dieser Magnetfelder ergibt ein Magnetfeld bei 45°, und daher wird der Läufer
10, wie dargestellt, unter 45° ausgerichtet.
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Soll nun der Läufer im Uhrzeigerdrehsinn schrittweise bewegt werden,
so werden Eingangsimpulse an die Eingangsklemme 34 angelegt. Falls diese Impulse
die Form einer Rechteckwelle oder eine andere Art von Wellenform haben, so differenziert
der Kondensator 32 im wesentlichen die Wellenform, um einen Impuls von kurzer Dauer
mit einer scharfen Vorderkante zu erzeugen. Dieser Impuls läuft über die Eingangsbürste
30 zu dem leitenden Ring 28 und dem leitenden Teil 26 der Kommutatorscheibe 24 zur
Bürste 18'. Von der Bürste 18' aus wird der Impuls über den elektrischen Leiter
37 zur Seite 18 des bistabilen Kippkreises 19 übertragen. Der Empfang des
Impulses durch den bistabilen Kippkreis läßt dessen Seite 18 leitend werden und
gleichzeitig die Seite 17 die Leitfähigkeit verlieren. Als Folge hiervon läuft Strom
von der Batterie 16 durch die Wicklung 12 und über die leitende Seite 18 des Kippkreises
19 nach Erde. Somit verschwindet das magnetische Feld der Wicklung 11, und es wird
ein magnetisches Feld in Gegenrichtung durch die Ständerwicklung 12 gebildet. Da
die anderen drei Bürsten 21', 17' und 20' die isolierenden Teile der Kommutatorscheibe
24 berühren, wird der Kippkreis 22 nicht durch Impulse ; elektrischer Energie beeinflußt.
Daher bleibt die Ständerwicklung 13 erregt. Als Folge des Verschwindens des Magnetfeldes
der Wicklung 11 und der Bildung des Magnetfeldes in Gegenrichtung durch die Wicklung
12 ist nunmehr die Resultierende des ersten und zweiten Magnetfeldes unter 135°
gerichtet. Der Läufer 10 richtet sich selbst zu dieser Resultierenden aus, indem
er sich um einen 90°-Bogen aus seiner Anfangsstellung von 45° auf 135° dreht, wie
durch die Pfeile in dem Diagramm B von F i g. 2 angegeben.
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Eine Drehung des Läufers um diesen 90°-Bogen bewirkt zugleich eine
Drehung der Kommutatorscheibe 24 um 90° und bringt so den leitenden Teil 26 in Berührung
mit der Bürste 21'. Solange keine weiteren Impulse empfangen werden, bleibt der
Läufer 10 in der 135°-Richtung stehen, wie sie in dem Diagramm B angegeben ist.
Bei Empfang des nächsten Impulses an der Eingangsklemme 34 wird die Seite 21 des
bistabilen Kippkreises 22 über den leitenden Teil 18, der nunmehr in Berührung mit
der Bürste 21' steht, und den elektrischen Leiter 39 geschaltet. Das Schalten der
Seite 21 läßt diese Seite leitend. werden und macht gleichzeitig die Seite 20 nichtleitend.
Als Folge hiervon hört das Magnetfeld der Wicklung 13 auf, und es fließt ein Strom
aus der Batterie 16 durch die gemeinsame Verbindungsleitung 15 und die Wicklung
14 über die leitende Seite 21 zur Erde. Dieser Strom bildet ein Magnetfeld in Gegenrichtung,
wie durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil angegeben. Da die Bürsten 17', 20'
und 18' nicht mehr in Berührung mit dem leitenden Teil 26 in dieser Stellung stehen,
wird der bistabile Kippkreis 19 nicht beeinflußt. Somit liegt die Resultierende
des gebildeten Magnetfeldes nunmehr in einer Richtung bei 225°, und der Läufer 10
richtet sich durch Drehung um einen weiteren Bogen in Uhrzeigerdrehsinn um 90° aus
und gelangt in die Stellung, die in dem Diagramm C von F i g. 2 dargestellt ist.
Durch diese Drehung des Läufers wird die Kommutatorscheibe 24 um 90° gedreht, so
daß der leitende Teil 26 nunmehr die Bürste bei 17' berührt.
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Darauf wird der nächste Impuls durch die Bürste 17' und den elektrischen
Leiter 36 zur Seite 17 des bistabilen Kippkreises 19 geleitet, um die Seite 17 leitend
werden zu lassen und die Leitfähigkeit der Seite 18 zu beenden. Das vorher in der
Ständer-, wicklung 12 gebildete magnetische Feld hört auf, und es wird ein Magnetfeld
in der Ständerwicklung 11 erzeugt. Da der andere bistabile Kippkreis 22 nicht durch
den zuletzt empfangenen Impuls beeinflußt wird, bleibt das Magnetfeld in der Wicklung
14 erhalten, und die neue Resultierende ist unter 315° gerichtet, wie in dem Diagramm
D angegeben. Der Läufer richtet sich nach der neuen Winkelstellung aus und bewegt
wiederum die Kommutatorscheibe 24 um einen 90°-Bogen, so daß der leitende Teil 26
nunmehr in Berührung mit der Bürste 20' kommt.
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Schließlich wird bei Empfang eines weiteren Impulses die Seite 20
des bistabilen Kippkreises 22 leitend, und die Seite 21 nichtleitend, so daß die
Ständerwicklung 13 erregt und die Wicklung 14 entregt wird. Die Richtungen der beiden
Magnetfeldei kommen dann in die in dem Diagramm A gezeigte Lage, und der Läufer
10 dreht sich um 45° wieder in seine Ausgangsstellung. Bei dieser Rückkehr in seine
Ausgangsstellung bewegt er gleichzeitig die leitende Scheibe 24 wieder in die in
F i g. 1 gezeigte Stellung.
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Wenn Impulse an die Eingangsklemme 35 statt an die Eingangsklemme
34 gelegt werden, verlaufen die Verbindungen der Bürsten zu der Kommutatorscheibe
25 so, daß der Läufer um 90°-Schritte in der Richtung entgegengesetzt zum Uhrzeigerdrehsinn
bewegt wird. Die Arbeitsfolge ist leicht zu verstehen; sie ist genau gleich derjenigen,
die in Verbindung mit der leitenden Scheibe 24 beschrieben wurde, mit Ausnahme davon,
daß die Felder im entgegengesetzten Sinne gebildet werden, um eine schrittweise
Drehung des Läufers, wie gewünscht, entgegengesetzt zum Uhrzeigerdrehsinn zu bewirken.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß auch andere Mittel zur Umkehr
der schrittweisen Bewegung vorgesehen werden können, z. B. kann die zusätzliche
Kommutatorscheibe 25 weggelassen und ein einfacher
doppelpoliger
Umschalter mit zwei Betätigungsrichtungen in den elektrischen Leitungen 36, 37,
38, 39 vorgesehen werden, um die Schaltungsverbindungen zu wechseln. Ist es erwünscht,
den Läufer entgegengesetzt dem Uhrzeigerdrehsinn schrittweise zu bewegen, so werden
die Leitungen 36 und 37 mit den Seiten 21 und 22 des Kippkreises 22 und die Leitungen
38 und 39 mit den Seiten 18 und 17 des Kippkreises 19 verbunden.
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Es ist somit aus dem Vorstehenden zu ersehen, daß die Verwendung einer
mit dem Läufer zusammenwirkenden Kommutatorscheibe die Notwendigkeit verschiedener
Schaltrelais, Transistoren oder Dioden beseitigt, wie sie bislang erforderlich waren,
um einen geeigneten logischen Kreis für die aufeinanderfolgende Erregung der Ständerwicklungen
zu schaffen. Tatsächlich stellt gemäß der Erfindung der Läufer jedesmal, wenn er
einen 90°-Schritt ausführt, die richtigen Verbindungen für den Empfang des nächsten
Impulses her, um die Ausführung des nächsten 90°-Schrittes der Drehung zu bewirken.
Dieser zweite Drehschritt wiederum stellt die richtigen Verbindungen selbsttätig
her, um die Schaltung für den Empfang des dritten Impulses vorzubereiten usw.