DE1488654A1 - Schrittschaltmotor - Google Patents

Description

PATIHTANWAIT

8 MÜNCHEN 28

lit»» ηιιη,Ηηη

2065 ¹^. ^pebruar 1965

EM/B/Sch.

Firma THE SUPERIOR ELBCTItIC COMPANY, 383, Middle Street,

Bristol, Connect., USA Schrittschaltmotor

Die Erfindung betrifft einen eine Drehbewegung hervorrufenden elektrischen Motor, insbesondere einen solchen Motor, dessen Drehung aus einzelnen Schritten zusammengesetzt ist, wobei der Motor nach Beendigung jedes Schrittes angehalten werden kann.

Die Erfindung betrifft Insbesondere einen langsam laufenden Synchronnot or, dessen Stator sich nach innen erstreckende PolstUcke enthält, an deren Innenumfang Zähne angeordnet sind. Mit den Statorzähnen arbeitet ein auf einer Welle angeordneter Rotor zusammen, der auf seinem kreisförmigen Umfang ebenfalls Zähne enthält. Wenn die auf den Polen des Motors angeordneten Wicklungen entweder durch sweiphasigen Wechselstrom oder duroh gesteuerte Oleiohstromimpulse erregt werden, wird duroh die Erregung die Welle des Motors gedreht und es wird aufgrund der Magnetisierung der

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PolstUcke die Welle um eine halbe Zahnteilung der RotorzHhne weiterbewegt. Wenn aber die Erregung der Wicklungen ohne Änderung aufrechterhalten wird, bleibt die Welle in ihrem Ruhezustand und widersteht einer aufgebrachten Bewegung. Es besteht somit bei einem solchen Motor die Drehbewegung der Welle, die in jeder Richtung von der Art der Erregung der Wicklungen abhängt, aus einer Mehrzahl einzelner Schritte« wobei die Welle bei jedem Schritt von ihrer letzten Haltelage in ihre nächste Haltelage gebraoht wird» wo sie magnetisch angehalten und festgehalten wird, bis die nächste Erregungsänderung der Wicklungen erfolgt.

Diese Motorart weist beträchtliche Vorteile auf. Es ist jedoch festgestellt worden, daß in einigen Fällen die schnelle Verzögerung der Welle am Ende eines Schrittes Schwingungen oder ein Pendeln der Welle und des Rotors um die Stopplage mit abnehmender Amplitude bis zum vollen Stillstand der Welle hervorruft. In einigen Fällen kann die für daa/bklingen der Schwingungen erforderliohe Zeit so lang werden, daß der Rotor hätte mehrere Schritte weiterschalten können. Es ergeben sich somit mit Rücksicht auf die vor dem Anhalten auftretenden Schwingungen auoh dann keine wesentlichen Vorteile, wenn die Schrittgeschwindigkeit des Motors erhöht wird·

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Bs 1st deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, •Inen elektrischen Schrittschaltmotor iu schaffen, bei welohea 41« Isnwlngungon d·· Rotor· bei dessen Anhalten wc*ent» lieh gedlapft und Teralndertwerden.

Ein «eitere· Ziel der Erfindung ist die Erreichung de· eben genannten Zieles alt eine· Minis«» an Xnderungen la Aufbau de· Motor·« wobei die notwendigen Änderungen außerordentlich wenig aufwendig sind.

Ein weitere· Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Elektromotor» der eingang· genannten Art, bei welohea die Schwingungen veralndert sind, bei welohea Jedooh in it ein Abfall festzustellen 1st.

Zur Durchführung der Erfindung ist bei elnea beversugtca Ausftlhrungsbelsplel ein Elektroaotor alt aehreren ausgeprtgtea Polen vorgesehen, von denen Jeder an seinen Twaemiafeng alt Zinnen versehen ist. Die Xnnenuafangetelle der Pole sind vorsugewelee konsentrlseh aageordnet, so dal Ale ZUae la wesentlichen auf einen Kreis liegen. Den ttatorsEhnen radial gegenüberliegend und alt diesen aagnetleeh miiaaonWlrkond sind an einer OafangeflBehe eines la wesent-1lehen «ylindrlsohen Qlledes Zttme angeordnet. Dieser die ZEhne tragende Tell let auf einer In elnea alt dea Stator

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.. feet verbundenen Gehäuse drehbar gelagerten Welle angeordnet.

Gemäß der Erfindung trägt das mit dem Stator fest verbundene Gehäuse den Rotor« der in einer im wesentllohen flUsslgkeltsdlohten Kammer drehbar gelagert 1st. Diese Kammer ist im wesentlichen gefüllt mit einer zähflüssigen dämpfenden Flüssigkeit, wie es bei dem nachfolgend Im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigt ist· Ss ist jedoch in manchen Fällen vorteilhaft, eine geringere Menge an Flüssigkeit zu verwenden· Die Rotor- und Statorzähne sind im wesentllohen radial ausgerichtet und durch einen nur ge- ' ringen Abstand voneinander getrennt, beispielsweise In der Größenordnung von 1,3 mm, und es wird genügend Flüssigkeit in die Kammer eingefüllt, so daß zumindest der zwischen den Zähnen bestehende Spalt ausgefüllt ist. Wenn sioh der Rotor in seiner Stopplage befindet, neigt er dazu, um die Stopplage zu schwingen. Es ist jedooh festgestellt worden, daß die flüssigkeit die Schwingungen Im wesentlichen dämpft und stark verringert. Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß die Zähne des Rotors als Schaufeln wirken, welche die wirksame Fläche des Rotors, auf welche die Flüssigkeit einwirken kann, wenn sioh die Flüssigkeit im Spalt in Ruhe befindet, vergrößern. Wenn andererseits die Flüssigkeit in dem Spalt mit dem Rotor umläuft, haben die Statorzähne offenbar die gleiche Wirkung, und es ergibt sieh in beiden Fällen in Be-

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zug auf die Flüssigkeit Im Spalt eine Dämpfungswirkung auf die Schwingungen des Rotors. Die Dämpfungswirkung kann durch Auswahl von Flüssigkeiten verschiedener Viskosität verändert werden.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen)

Flg. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor]

Flg. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1 und

Flg. 3 graphische Darstellungen der Bewegung der Rotorwelle unter verschiedenen Bedingungen.

Der Motor ist allgemein mit 10 bezeichnet. Sr umfaßt einen Rotor 11 und einen Stator 12. Der Rotor 11 besteht aus einer Welle 15, die in Kugellagern 14 und 15 drehbar gelagert ist. Auf der Welle 13 1st» beispielsweise durch Schrauben l6, ein Paar Endkappen 17 und 18 befestigt. Die Endkappen haben jede die dargestellte Querschnittsform und umgreifen die gegenüberliegenden Enden eines Permanentmagneten 19* der zwischen Ihnen angeordnet ist. Der Magnet 19 ist in Achsrichtung polarisiert» so daß die Endkappen 17 und 18 eln-

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ander entgegengesetzte magnetische Polaritäten besitzen. Die beiden Endkappen bestehen vorzugsweise aus paramagnetischem Material, wie z.B. gesintertem Eisen.

Der Stator 12 enthält ein Paar Statorstapel 20 und 21« die aus gleichen Schichten aus paramagnetischen Lamellen bestehen, die z.B. durch Nieten 22 zusammengehalten werden. Jede Lamelle hat die in Flg. 2 gezeigte planare Form und bildet eine äußere kreisförmige Peripherie 25 und eine Mehrzahl gleicher nach innen vorspringender PolstUcke 24a bis 24h. Beispielsweise besitzt das Polstück 24a eine Innere kreisbogenförmige Peripherie 25« von welcher Zähne 26a bis 26e vorspringen. Die anderen PolstUcke sind identisch ausgebildet und besitzen also ebenfalls eine Innere Peripherie in Kreisbogenform sowie axial sich erstreckende Zähne, wobei die Umfangstelle der PolstUcke Im wesentlichen auf einem Kreisbogen liegen, dessen Achse konzentrisch mit der Achse der Welle 1? ist, und somit eine im wesentlichen zylindrische Oberfläche bilden.

Es sind Wicklungen 27a tiia_v.27h vorgesehen, die dazu dienen, In dem zugehörigen Polstück eine bestimmte magnetische Polarität zu erzeugen. Für jedes Polstück 1st eine Wicklung vorgesehen, und es hängt die magnetische

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Polarität der PolstUoke von der Richtung der Erregung der Vioklungen ab. Wie allgemein bekannt, können die Wioklungen entweder duroh zwelphasigen Wechselstrom oder vorzugsweise durch einen Olelohstron erregt werden» dessen Polarität für jede Wicklung duroh eine geeignete Schaltung gesteuert werden kann·

Die Bndkappen 17 und 18 (Fig. 2) sind ringförmig ausgebildet, und «war symmetrisch, wobei insbesondex»die Endkappe 18 einen la wesentlichen zylindrischen Außenumfang 28 besitzt, auf dea Zähne 29 gebildet sind. Die Zähne sind radial gerlohtet, wobei der Mittelpunkt des Unfanges auf der Welle 13 lieft· Die Endkappe 17 1st von gleicher Porn und besitzt somit ebenfalls axial gerlohtete Zähne. Die Endkappen sind so angeordnet, dafi sie innerhalb der Statorstapel liegen, wobei zwischen Statorstapel und Endkappe ein scharnier Spalt 30 besteht.

Die Statorstapel 20 und 21 sind auf einem Rohr 31 befestigt, das aus paraaagnetisohem Material besteht. Die Befestigung kann beispielsweise duroh PreSsitz erfolgen. Auf einen Ende des Rohres 31 ist ein Lagerschild 32 befestigt, während an den anderen Ende des Rohres 31 ein Lagerschild 33 befestigt ist. Das Lagerschild 32 trägt, z.B. bei 34, das Kugellager 14, während das Lagerschild 33» s.B.

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bei 35· du Kugellager 15 tr«gt. weiterhin let an «Μ Iod· dt* lagerschild«« >3 «in· isolierend· Scheibe 36 befestigt» an weloher di· Eingangslelter 37 alt geeigneten Verbindungen befestigt sind und sioh durch die Xsolatloneeehelbe tu den Wicklungen 27a bis 87h erstrecken · Oegebenenfalls kann ein« Yerschluiplatt· 38 verwendet werden» tut die Verbindungen an der Scheibe J6 *b*usohlleicn·

Oeaäf der Erfindung bilden die Teile 91» 32« 33 und 36 ein Gehäuse, welches eine Stator und Rotor aufnehmende Xasaer bildet· Öle Kaaacr, die la allgemeinen sdt dea Besugsseloben 39 beselehnet 1st» 1st flüselgkeitedlcht auageblldct. Bin Mit Oewinde Yersehener Ilnlal 40» der «it einer Schraube 41 rersehlossen werden kann» 1st vorgesehen» ubj das ginfüllen einer Flüsigkeit in die Kaiaer «u «raOgll» ohen. ZuflKtslloh kann star Terbtsserung der Flüailgkeltedichtigkelt der Xamer eine Dichtung 42 in de« Lagerschild 32 vorgesehen sein» welche die Volle 13 uaglbt.

0er erflndungsgeaUe Motor kann durch Änderung oder Uasteuerung der Erregungsriohtung der Vieklungen und daeit der Magnetischen Polarität der Polstück« ua eine halbe Zahnteilung der Rotorxlhne bewegt werden« Zn Pig. 3 bezeichnet die Linie #3 die Bewegung der Volle 13· wenn die Volle gerade ua einen Schritt welter bewegt wird. Zur Erläuterung

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der Iilnl« 43 ··! erwVhnt, dafl dl· horizontalen Linien In dieser Darstellung dl· Wlnk«llag«n d«r Welle 13 und dl· vertikalen Linl«n der Zeit bedeuten. Dl· Zeit kann s.B. 20 WMO swlsohen zwei yon reohts naoh links verlaufenden Linien betragen. Za Punkt· 4>a befindet sloh dl· Welle In Ruh·, und ea tritt la Punkt· 43b eine Änderung In der Richtung der Irregung der Wloklung auf. Dl· Welle wird schnell beaohleunlgt, wie «s durch dl· geneigt· Linie 43o gezeigt 1st, und swmr bis su dar durch dl· horlsontal· Linie 43d angezeigten Stopplage. Die Welle nlaat aber nicht sogleich die Stellung 43d ein, sondern sie bewegt sich alt Schwingungen alt abnehmender Amplitude ua die Stopplage 43d herum, wie es durch die Scheltelpunkte 43e, 43f, 43g und 43h der Wellen In der Linie 43 angezeigt ist.

Wenn auch die Welle in die Stopplage bewegt wird, d.h. in die gewünschte Endlage der Schrittbewegung, bewegt sie sich dooh Über diese Lage hinaus und schwingt sohlle·- Iich ua diese Lage, bis endlich die Bewegung aufhört. Mm 1st also die für die Bewegung der Welle von der Lage 43a In die Lage 43d auf der Linie 43o eine verhJtltnisaäilg kurze Zeit erforderlich la Vergleich alt der Zeit, die dazu erforderlich 1st, die Welle in der Stopplage 43d zur Ruhe zu bringen.

In vielen Fällen 1st diese Sohwlngbewegung der Well· naoh Erreichung der Stopplage nachteilig, und es wird geaäi

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der Erfindung ein· solohe Schwingung la wesentlichen herabgesetzt, wenn nloht gar vollständig ausgeschaltet, durch Füllung der Kaaaer 39 alt einer Flüssigkeit 44 beatiaater Ylakoaität. Da dl« Kaaaer flüssigkeitadicht ist, wird dl· Flüssigkeit hierin ohne Leckverluste gehalten. In Flg. 1 let die Kaaaar rolletändig alt Flüssigkeit gefüllt gezeigt. Sa ist jedoch auch möglich, eine geringere PlUsslgkeltsaenge zu verwenden, jedoch ist es wünschenswert, zumindest soviel Flüssigkeit in die Kammer einzufüllen, daß der Spalt 30 alt Flüssigkeit gefüllt ist, so daß die gewünschte Dämpfung der Schwingungen erreicht werden kann. Die Flüssigkeit kann nach dea Zusammenbau des Motors leicht durch den Ein* laß 40 eingefüllt werden. Die Flüssigkeit 44 ist vorzugsweise nicht leitend und besitzt über einen weiten Teaperaturbereloh eine la wesentlichen konstante Viskosität.

In Fig. 3 1st die Linie 45 der Linie 4? ähnlich. Sie zeigt ebenfalls die Bewegung der Welle bei der Bewegung u» einen Schritt» alt der Ausnahae, da0 der Motor alt Flüssigkeit 44 gefüllt ist. Soalt beginnt die Welle bei der QLnIe 45a bei eine» Wechsel in der erregung der Wicklungen, die la Punkte 45b auftritt, sich su bewegen. Sie sind entlang der geneigten Linie 450 in die Stopplage 45d beschleunigt· Jedoch bewirkt die in der Kaaaer enthaltene Flüssigkeit eine Däapfung der Schwingungsbewegung der Welle in der Stopp-

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Schritten bewegt» ist es verständlich, daß die Flüssigkeit dazu beiträgt« die Schwingung aa Ende jedes Schrittes zu verhindern und soait einen ruhigeren Motorlauf zu bewirken.

Ss wird angenommen, deJ sieh das durch die Flüssig· keit 44 erreichte Resultat, nämlich die Abnahae der Drehsohwingungen der Welle 12 um die Stopplage, durch die Dämpfungsflüssigkeit in den Spalt 30 ergibt. Xs wird angenommen, dafi der Spalt 30 an seiner inneren Peripherie durch die Rotorzähne 39 begrenzt ist, die in der Tat in Besug auf die in den Spalt befindliche Flüssigkeit 44 als Schau·' fein wirken und β oca it eine Vergrößerung der Fläche bewirken, an der die Flüssigkeit angreifen kann. In gleicher Weise bewirken die Zähne 26 an der inneren Peripherie der Pole ein Ansteigen der Fläche, an welcher die Flüssigkeit sieh abstützen kann. Soait besteht unabhängig davon, ob die Flüssigkeit sich «it den Rotor in den Spalt 30 bewegt oder ob sie still steht, entweder an den Zähnen 39 oder den Zähnen 26 eine vergrößerte Kontaktfläche, an welcher sich die relativ dazu bewegende Flüssigkeit abstützen kann. Außerdem wird einer Tendenz der dampfenden Flüssigkeit, in den Gehäuse unter den KiafluB des sich drehenden Rotors umzulaufen, durch die Statorpolstüoke nit den darauf angeordneten Wloklugen, welohe sich in die Kaaner erstrecken und auf die Flüssigkeit als Prallflächen wirken, entgegengewirkt.

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Is tat somit ein elektrischer Sohrlttsohaltnotor offenbart» bei welche» eine Xnderung der Erregung der Wicklungen eine Sohrlttbewegung der Rotorwelle bewirkt, line solche Bewegung hat bisher eine Drehsohwlngung der Welle um ihre Stopplage hervorgerufen. Qemäfl der Erfindung Jedoch wird eine solche Schwingung Im wesentlichen verringert, wenn nicht sogar gans ausgeschaltet« und zwar In wesentlichen nur durch Ausbildung des Oehäuses als flüsslgkeltsdlohte Kammer und Einführung einer sähen Dämpfungsflüssigkeit. Die Flüssigkeit wirkt mit den an Stator und am Rotor angeordneten Zähnen susammen und widersteht einer Bewegung des Rotors in Besuf auf den Stator und verkleinert wesentlich die Schwingungen« die um die Stopplage nach Bewegung des Rotors um einen Schritt auftreten.

Änderungen und Abwandlungen können an der Erfindung vorgenommen werden» ohne da* der Srflndungsgedanke verlassen wird.

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Claims (4)

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Patentansprüche

1* Elektrischer Schrittschaltmotor ait eine« Stator iind einen an seinen Umfang Zähne aufweisenden Rotor sowie einen Rotor und Stator verbindenden Gehäuse« dadurch gekennzeichnet, dafl das Gehäuse iLUssigkeltsdioht ausgebildet und so weit nit einer zähen Dämpfungsflüssigkeit gefüllt 1st, daß zumindest der Spalt »wischen Stator und Rotor mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist.

2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse Stator und Rotor umgibt und vorzugsweise vollständig mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist

3* Schrittschaltmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähigkeit der Dämpfungsflüssigkeit so gewählt 1st, daß eine Schwingung des Rotors um die Stopplage verhindert wird.

4. Schrittschaltmotor nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mit Zähnen versehen 1st, die in radialer Richtung den Rotorzähnen gegenüberliegen, so daß einer Umwälzung der Dämpfungsflüssigkeit entgegengewirkt wird*

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5· iehrlttechmlteoton naoh «inta oder mehreren der vorhersehenden AncprQohe« dadurch gekennselohnet, deJ der Stator ait voneinander getrennten PoletUoken versehen 1st, denen Je «Ine Violating sugeordnet let, und d»e Poletüoke lind Wicklungen but Abbreuung einer PlüeeigkeiteeirlcuU-tlon in «μ Oehluee in die DÄepfungiflUeeigkeit hineinra-

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