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Impulsgesteuerter Schrittmotor oder Drehrelais Die Erfindung betrifft
einen Schrittmotor oder ein Drehrelais mit einem Ständer mit getrennt erregten Polwicklungen
und einem Läufer mit einem oder mehreren ausgeprägten Magnetpolpaaren, der durch
Erregung der Ständerpolwicklungen mit Gleichstromimpulsen in vorgegebene Winkelstellungen
einstellbar ist.
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Bisher wurden schrittartige Drehbewegungen durch impulsgesteuerte
Stoßklinkenwerke oder durch speziell ausgebildete Wechselstrommotoren, z. B. mit
stark genuteter Rotoroberfläche, erzeugt. Die Stoßklinkenwerke sind einer starken
mechanischen Abnutzung unterworfen und verlangen deshalb eine besondere Wartung.
Die Wechselstrommotoren entwickeln im Verhältnis zu ihren räumlichen Abmessungen
ein zu kleines Drehmoment und neigen zum Brummen. Die bisher gebräuchlichen
Schrittmotoren in Gleichstromausführung sind aufwendig in ihren Fortschaltemitteln.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die obengenannten Mängel zu beseitigen
und einen durch Gleichstromimpulse gesteuerten Schrittmotor zu schaffen, der einfach
im Aufbau und billig in der Herstellung ist, betriebssicher arbeitet und eine bedeutend
längere Lebensdauer gegenüber gebräuchlichen Schrittmotoren aufweist. Gemäß der
Erfindung wird dies bei der eingangs genannten Anordnung auf einfache und vorteilhafte
Weise durch einen Ständer mit in Nuten verteilte Polwicklungen erreicht, deren Feldcharakteristik
unsymmetrisch zur Polmitte und sägezahnartig verläuft, wobei sich die Magnetfelder
aufeinanderfolgender Pole teilweise überlappen. Indem die Polwicklungen der Ständerwicklung
durch von einer Schaltvorrichtung vorgegebene Stromimpulse erregt werden, stellen
sich die Pole des Rotors in die Maxima der Feldstärke der nächstgelegenen, entgegengesetzt
polarisierten Ständerpole ein. Werden die Stromimpulse auf die benachbarten Polwicklungen
des Ständers weitergeschaltet, so befinden sich die Rotorpole infolge der Überlappung
der Felder beider Pole des Ständers bereits im Feld der zweiten oder folgenden Polwicklungen
und werden in die Maxima der Felder dieser Polwicklungen des Ständers hineingezogen,
so daß der Rotor um den Winkelabstand beider Feldmaxima gedreht wird. Dieser Vorgang
wiederholt sich, bis die gewünschte Endwinkelstellung erreicht ist. Jede Drehrichtung
des Rotors benötigt ihre eigene Ständerwicklung, während der Rotor gemeinsam benutzt
werden kann. Der kleinste Drehschritt ist durch die Polteilung im Ständer vorgegeben,
wobei der Drehwinkel des Rotors durch entsprechende vielfache Beschaltung der einzelnen
Ständerwicklungen beliebig gemacht werden kann. Es ist bereits ein Verfahren zur
Steuerung eines Impulsmotors bekannt, der Feldwindungen, die zur Erzeugung von im
Winkel von 90' zueinander liegenden Magnetfeldern erregbar sind, sowie einen
Läufer aufweist, der sich auf das resultierende Feld auszurichten sucht. Hierbei
werden Steuerimpulse auf eine Relaisanordnung gegeben, welche Schaltwirkungen hervorruft,
die die Erregung der Motorwindungen so ändern, daß dem resultierenden Feld aufeinanderfolgende
gleichsinnige Richtungsänderungen mitgeteilt werden, welche eine Folge von Drehimpulsen
des Motors verursachen. Jeder Steuerimpuls wird dabei gleichzeitig auf eine Wicklung
des Motors und ein Relais gegeben, welches die Erregung wenigstens einer Motorwicklung
durch eine Stromquelle steuert. Die endliche Ansprechverzögerung des Relais auf
einen Steuerimpuls wird hierbei im Vergleich zu der im wesentlichen momentanen Wirkung
des gleichen Impulses in der Motorwicklung, auf die der Impuls unmittelbar einwirkt,
ausgenutzt, um eine oder mehrere zwischenzeitliche Richtungsänderungen des resultierenden
Motorfeldes zu verursachen und damit zur Ausübung zwischenzeitlicher Drehimpulse
auf dem Läufer während seiner Drehbewegung beizutragen. Der Impulsmotor zur Ausführung
dieses Verfahrens besitzt einen Steuereingang, über welchen Steuerimpulse gegeben
werden können und der an eine Wicklung des Motors und an die Wicklung eines Relais
angeschlossen ist, dessen Kontakte in der Folge die Änderung der Verbindungen zwischen
einer Stromquelle und einer oder den beiden Motorwicklungen
bewirken.
Der Läufer, der permanent erregt wird, stellt sich in das resultierende Feld zweier
getrennter Wicklungen ein. Es müssen immer zwei getrennte Wicklungen so miteinander
geschaltet werden, daß das resultierende Feld dieser beiden Wicklungen sich räumlich
dreht und den Anker -mitnimmt. Soll am Anker ein Drehmoment abgenommen werden, so
müssen die beiden Feldwicklungen magnetisch sehr kräftig wirken, da nur das resultierende
Feld zur tatsächlichen Drehmomentbildung ausgenutzt werden kann. Bei dem bekannten
Verfahren ist also Voraussetzung, daß die Magnetfelder um 90' zueinander
versetzt sein müssen.
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Weiterhin ist ein Wählermotor mit um 90' gegeneinander versetzten
Antriebsmagneten bekannt, deren Erregung durch die Drehung der ohne koaxiale Antriebsmagnete
versehenen Ankerachse gesteuert wird. Die einander gegenüberliegenden Erregerwicklungen
von vier Antriebsmagneten bilden dabei zwei Polpaare, wobei die einander gegenüberliegenden
Pole jedes Polpaares gleichnamig polarisiert sind. Eine Feldcharakteristik, die
unsymmetrisch zur Polmitte und sägezahnartig verläuft, weisen die Erregerwicklungen
dieses Wählermotors nicht auf. Durch die unsymmetrische Ausbildung des Z-förmigen
Ankers entsteht ein großes Trägheitsmoment, so daß höhere Ströme im Stator erforderlich
sind, um die notwendigen Beschleunigungs- und Bremskräfte zur Bewegung des Ankers
zu erzeugen, wodurch der Stroniverbrauch entsprechend größer ist als beim Erfindungsgegenstand.
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Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist beiin
erfindungsgemäßen Motor immer nur eine Wicklung erregt. Durch den überlappenden
Charakter der sägezahnartigen Feldverteilung der einzelnen Spulen wird der Läufer
in vorteilhafter Weise kräftig in die vorgegebene Richtung gezogen.
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Besonders vorteilhaft ist, daß bei dem Schrittmotor gemäß der Erfindung
der erreichte, Wirkungsgrad bedeutend größer ist als bei der bekannten Anordnung.
Dieser höhere Wirkungsgrad wird bei gleichzeitig kleinerem Schaltaufwand erzielt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich, den
inneren Umfang des Ständers mit einem Kranz von Nuten für die Polwicklungen zu versehen
und die n Windungen einer Polwicklung nach dem Schema
in die Nuten zu wickeln; wobei m die Anzahl der vorhandenen Nuten ist. Der Läufer
kann aus einem nicht drehbaren Eisenkörper und einer sich drehenden elektrisch leitenden
Wicklung bestehen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt,
und zwar der Einfachheit halber ein Schrittmotor mit zwei halbkreisförmigen Ständerspulen.
Es zeigt F i g. 1 den Aufbau des Schrittmotors in schematischer Form, F i
g. 2 den Aufbau eines Ständerpols mit seiner Wicklung in abgewickelter Darstellung
und F i g. 3 eine Feldcharakteristik der beiden Ständerpole.
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In F i g. 1 ist der Läufer 1 ein Doppel-T-Anker, der
in bekannter Weise entweder ein iiermanentmagnet sein oder aus weichem Eisen mit
einer Erregerspule 2 bestehen kann, die über Schleifringe 3 und Bürsten 4,
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von einer nicht dargestellten Gleichstromquelle gespeist ist und ein Paar
magnetische Pole erregt. Der Eisenkörper selbst kann: auch nichtdrehbar angeordnet
sein, indem nur die Spule 2 um einen walzenförmigen Läufer, beispielsweise aus Kunststoff,
gewickelt ist, der sich im Sinnd des Pfeiles 8 um seine Querachse dreht.
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Der Ständer trägt zwei durch Spulen erregte Weicheisenpole
6 und 7, deren Polflächen sich etwa über einen Winkel von 200 bis
220' kreisförmig erstrecken. In die Polflächen sind, wie F i g. 2 zeigt,
eine Anzahl Nuten n1, n2 ... n. eingeschnitten, in welche Wicklungen eingelegt
werden, die nach folgendem Schema gewickelt sind: Die erste Windung w, verläuft
von der Nut n, nach der Nut n2 und wieder zurück nach n1. Die zweite Windung W2
ist von der Nut n, zur Nut n3 und zurück nach der Nut n1, die dritte Windung w,
von n, über die Nut n4 zurück zur Nut n, und die Windung
von der Nut n, über die Nut wieder zurück
zur Nut 1 geführt. In der Nut n, liegt also der gemeinsame Schenkel aller
Windungen der Spule des Magnetpols 6. In der Nut n. liegt außer der Windung
wm i T-1 der Spule des Magnetpols 6 auch der gemeinsame Schenkel aller
Windungen der Spule des Magrietpols 7,
deren beide letzten Windungen wiederum
in den Nuten n1. und n2 liegen. An Stelle je einer Windung können auch jeweils
mehrere Windungen treten.
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Durch die oben beschriebene Anordnung der Spulenwindungen ergibt sich
das in F i g. 2 dargestellte überlappte Schema beider Ständerspulen. Statt
zweier Pole kann der Ständer auch mehrere Polpaare, z. B. deren drei besitzen, wobei
die Feldmaxima um einen Winkel von 60' auseinander liegen. An Stelle von
je
zwei Windungen können in dem oben dargestellten Winkelschema auch mehrere
Windungen treten, um die Feldstärke zu erhöhen.
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F i g. 3 zeigt den Zustand, in welchem die Spule
6
auf der Linie 0-180' ein Feldmaximum erzeugt, so daß sich der Rotor
mit seiner magnetischen Achse in diese Linie eingestellt hat. Wird dann die Spule
6 abgeschaltet und ein Stromstoß auf die Spule 7 gegeben, so dreht
sich der Rotor in Richtung des Feldes 7 -um 180' in das Feldmaximum
der Spule 7.