DE1488654B2 - Elektrischer schrittschaltmotor - Google Patents

Description

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor,

F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1 und

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

Der Motor ist allgemein mit 10 bezeichnet. Er umfaßt einen Rotor 11 und einen Stator 12. Der Rotor 11 besteht aus einer Welle 13, die in Kugellagern 14 und 15 drehbar gelagert ist. Auf der Welle 13 ist, beispielsweise durch Schrauben 16, 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 einander entgegengesetzte magnetische Polaritäten besitzen. Die beiden Endkappen bestehen vorzugsweise aus ferromagnetischem Material, wie z. B. gesintertem Eisen.

Der Stator 12 enthält ein Paar Statorblechstapel 20 und 21, die aus Schichten ferromagnetischer Lamellen bestehen, die z. B. durch Niete 22 zusammengehalten werden. Jede Lamelle hat die in F i g. 2 gezeigte Form mit kreisförmiger Peripherie 23 und mehreren gleichen, nach innen vorspringenden Polen 24 α bis 24 h. Die Pole haben einen kreisbogenförmigen Innenumfang 25, mit vorspringenden Zähnen 26 α bis 26 e.

Es sind Wicklungsspulen 27 α bis 27 h vorgesehen, die dazu dienen, in dem zugehörigen Pol eine bestimmte magnetische Polarität zu erzeugen. Für jeden Pol ist eine Spule vorgesehen, und es hängt die magnetische Polarität der Pole von der Richtung der Erregung der Spulen ab. Wie allgemein bekannt, kann die Wicklung entweder durch zweiphasigen Wechselstrom oder vorzugsweise durch einen Gleichstrom erregt werden, dessen Polarität für jede Spule durch geeignete Schaltung gesteuert werden kann.

Die Endkappen 17 und 18 (F i g. 2) sind ringförmig ausgebildet, und zwar symmetrisch mit im wesentlichen zylindrischen Außenumfang 28, auf dem Zähne 29 ausgebildet sind. Die Zähne sind radial gerichtet. Die Endkappen sind so angeordnet, daß sie innerhalb der Statorblechstapel liegen, wobei zwischen Statorblechstapel und Endkappe ein enger Luftspalt 30 besteht.

Die Statorblechstapel 20 und 21 sind in einem Rohr 31 befestigt, das aus ferromagnetischem Material besteht. Die Befestigung kann beispielsweise durch Preßsitz erfolgen. Auf den Enden des Rohres 31 sind Lagerschilde 32 und 33 befestigt. Das Lagerschild 32 trägt bei 34 das Kugellager 14, das Lagerschild 33 bei 35 das Kugellager 15. Weiterhin ist an dem Ende des Lagerschildes 33 eine Isolierscheibe 36 befestigt, an welcher die Zuführungen 37 angebracht sind, die sich durch die Isolationsscheibe zu der Wicklung 27 a bis 27 h erstrecken. Mit einer Deckplatte 38 werden die Verbindungen an der Scheibe 36 abgedeckt.

Die Teile 31, 32, 33 und 36 bilden ein Gehäuse, welches eine Stator und Rotor aufnehmende Kammer bildet. Die Kammer, die für sich mit dem Bezugszeichen 39 bezeichnet ist, ist flüssigkeitsdicht. Eine mit Gewinde versehene Öffnung 40, die mit einer Schraube 41 verschlossen werden kann, ist vorgesehen, um das Einfüllen einer Flüssigkeit in die Kammer zu ermöglichen. Zusätzlich kann zur Verbesserung der Flüssigkeitsdichtigkeit der Kammer eine Dichtung 42 in dem Lagerschild 32 vorgesehen sein, welche die Welle 13 umgibt.

Der erfindungsgemäße Motor kann durch Änderung oder Umsteuerung der Erregungsrichtung der Wicklungen und damit der magnetischen Polarität

ίο der Pole um eine halbe Zahnteilung der Rotorzähne bewegt werden. In F i g. 3 bezeichnet die Linie 43 die Bewegung der Welle 13, wenn die Welle gerade um einen Schritt weiter bewegt wird. Zur Erläuterung der Linie 43 sei erwähnt, daß die horizontalen Linien in dieser Darstellung die Winkellagen der Welle 13 und die vertikalen Linien die Zeit bedeuten. Die Zeit kann z.B. 20 m/sec zwischen zwei von rechts nach links verlaufenden Linien betragen. Im Punkte 43 a befindet sich die Welle in Ruhe, und es tritt im Punkte 43 b ein Erregungswechsel der Wicklung auf. Die Welle wird schnell beschleunigt, wie es durch die geneigte Linie 43 c gezeigt ist, und zwar bis zu der durch die horizontale Linie 43 d angezeigten Stopplage. Die Welle nimmt aber nicht sogleich die Stellung 43 d ein, sondern- sie bewegt sich mit Schwingungen mit abnehmender Amplitude um die Stopplage 43 d herum, wie es durch die Scheitelpunkte 43 e, 43 /, 43 g und 43 h der Wellen in der Linie 43 angezeigt ist.

Die Welle wird zwar bis in die Stopplage bewegt, d. h. in die gewünschte Endlage der Schrittbewegung, bewegt sich jedoch über diese Lage hinaus und schwingt um diese Lage, bis endlich die Bewegung aufhört. Es ist also für die Bewegung der Welle von der Lage 43 α in die Lage 43 d auf der Linie 43 c eine verhältnismäßig kurze Zeit erforderlich im Vergleich zu der Zeit, die benötigt wird, die Welle in der Stopplage 43 d zur Ruhe zu bringen.

In vielen Fällen ist diese Schwingbewegung der Welle nach Erreichung der Stopplage nachteilig, weshalb gemäß der Erfindung eine solche Schwingung wesentlich herabgesetzt wenn nicht gar vollständig ausgeschaltet wird durch Füllung der Kammer 39 mit einer Flüssigkeit 44 bestimmter Viskosität. Da die Kammer flüssigkeitsdicht ist, wird die Flüssigkeit hierin ohne Leckverluste gehalten. In F i g. 1 ist die Kammer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, eine geringere Flüssigkeitsmenge zu verwenden, jedoch sollte zumindest so viel Flüssigkeit in die Kammer eingefüllt werden, daß der Spalt 30 mit Flüssigkeit gefüllt ist, so daß die gewünschte Dämpfung der Schwingungen erreicht werden kann. Die Flüssigkeit kann nach dem Zusammenbau des Motors leicht durch die Öffnung 40 eingefüllt werden. Die Flüssigkeit 44 ist vorzugsweise nicht leitend und besitzt über einen weiten Temperaturbereich eine im wesentlichen konstante Viskosität. In F i g. 3 ist die Linie 45 der Linie 43 ähnlich. Sie zeigt ebenfalls den Bewegungsablauf der Welle bei der Bewegung um einen Schritt, wobei jedoch der Motor mit Flüssigkeit 44 gefüllt ist. Es beginnt wieder die Bewegung bei der Linie 45 α bei einem Speisungswechsel in der Erregung der Wicklung, der im Punkte 45 b auftritt. Sie wird entlang der geneigten Linie 45 c in die Stopplage 45 d beschleunigt. Jedoch bewirkt die in der Kammer enthaltene Flüssigkeit eine Dämpfung der Schwingungsbewegung der Welle um die Stopplage, und so treten Scheitelpunkte der

Schwingungen 45 e, 45 / auf, deren Amplitude kleiner als bei dem Schwingungen der Linie 43 und somit geringer in der Zahl und ihrer Dauer sind. Infolgedessen befindet sich die Welle in viel kürzerer Zeit in ihrer Stopplage 45 d als ohne Flüssigkeit in der Kammer des Motors.

Die Linie 46 zeigt eine Bewegung der Welle mit einer zäheren Flüssigkeit in der Motorkammer. 46 a ist die Ausgangslage und 46 d die Stopplage. Bei 46 & erfolgt der Speisungswechsel der Wicklung, und es ergibt sich an Stelle einer Mehrzahl von Schwingungen um die Stopplage 46 d nur eine kleine Halbschwingung vor Erreichen der Stopplage. Bei Verwendung einer stärker viskosen Flüssigkeit tritt also kein Schwingen über die Stopplage und keine Schwingungen um diese Lage auf.

Wie vorher ausgeführt, bezeichnen die vertikalen Linien in Fig.3 die Zeit, und es stellen die Linien 43 c, 45 c und 46 c die Beschleunigung der Welle 13 in jeder der Bedingungen dar. Es wird angenommen, daß die Neigung dieser drei Linien im wesentlichen identisch ist. Unter dieser Voraussetzung sind die Geschwindigkeit und die Drehmomentcharakteristiken des dargestellten Motors bei verschiedenen Füllungen, wenn überhaupt, nur wenig voneinander verschieden. Da im übrigen ein solcher Motor, auch wenn er mit voller Geschwindigkeit läuft, sich in einzelnen Schritten bewegt, ist es verständlich, daß die Flüssigkeit dazu beiträgt die Schwingungen am Ende jedes Schrittes zu verhindern und somit einen ruhigeren Motorlauf zu bewirken.

Das durch die Flüssigkeit 44 erreichte Resultat, nämlich die Abnahme der Drehschwingungen der Welle 13 um die Stopplage, wird durch die Dämpfungsflüssigkeit in dem Spalt 30 erreicht. Der Spalt 30 ist an seiner inneren Peripherie durch die Rotorzähne 39 begrenzt, die in bezug auf die in dem Spalt befindliche Flüssigkeit 44 als Schaufeln wirken und somit eine Verzögerung der Fläche bewirken, an der die Flüssigkeit angreifen kann. In gleicher Weise bewirken die Zähne an der inneren Peripherie der Pole ein Ansteigen der Fläche, an welcher die Flüssigkeit sich abstützen kann. Somit besteht unabhängig davon, ob die Flüssigkeit sich mit dem Rotor in dem 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 der Tendenz der dämpfenden Flüssigkeit, in dem Gehäuse unter dem Einfluß des sich drehenden Rotors umzulaufen, durch die Statorpole mit dem darauf angeordneten Spulen, welche sich in die Kammer erstrecken und auf die Flüssigkeit als Prallfläche wirken, entgegengewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 ist und auch zusätzlicher Platz oder ein zweites WeI- Patentansprüche: lenende, wie z. B. beim Anbau eines Luftkataraktes zur Dämpfung (USA.-Patentschrift 2 834 896), benö-

1. Elektrischer Schrittschaltmotor mit einem tigt wird. Auch Hilfspole im Stator (deutsche Ausle-PoIe aufweisenden- Stator, in dem ein auf seiner 5 geschrift 1124 139), die am Schrittende eine Dämp-Umfangsflache gezahnter Rotor gelagert ist, mit fung bewirken, können den gewünschten Effekt auf einem den Rotor und den Stator umgebenden einfache Weise nicht bringen.

Gehäuse und mit Mitteln zur Dämpfung der Ro- Es wurde auch versucht (deutsche Auslegeschrift

torschwingungen, dadurch gekennzeich- 1141017), mechanische Stoppvorrichtungen nach Art

net, daß das Gehäuse (31, 32, 33, 36) flüssig- io einer Freilaufsperre anzubringen, was ebenfalls auf-

keitsdicht ist und als Dämpfungsmittel eine wendig ist und bei Motoren für beide Drehrichtungen

Dämpfungsflüssigkeit mit bestimmter Viskosität umständliche Umschaltvorrichtungen erforderlich

in solch einer Menge enthält, daß wenigstens der macht.

Luftspalt (30) zwischen dem Rotor (11) und dem Ein weiterer Versuch (USA.-Patentschrift

Stator (20) damit ausgefüllt ist. 15 2 982 872), auch bei langsam laufenden Schrittschalt-

2. Elektrischer Schrittschaltmotor nach An- motoren mit hoher Schrittzahl die Schwingungen abspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge- zudämpf en, zeigt eine auf dem Rotor drehelastisch häuse völlig mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist. befestigte Masse. Wenn dadurch ein wesentlicher

3. Elektrischer Schrittschaltmotor nach An- Einfluß ausgeübt werden soll, so muß das Trägheitsspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vis- 20 moment dieser Masse in den Bereich des Trägheitskosität so gewählt ist, daß eine aperiodische moments des Rotors kommen, was einen erheblichen Schwingung des Rotors in seine Ruhelage ent- Nachteil für die dynamischen Bedingungen des Rosteht. tors und auch für die Schrittgeschwindigkeit selbst

4. Elektrischer Schrittschaltmotor nach einem bedeutet, ganz abgesehen davon, daß mit der drehder Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, 25 elastisch aufgehängten Masse ein für den gesamten daß der Stator (20) am Luftspalt radial hervor- Betriebsbereich schwer zu überschauendes schwingstehende Zähne (26 α bis 26 e) besitzt. fähiges System geschaffen wird. Auch erfordert diese

drehelastische Masse zusätzlich Einbauraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

30 Motor der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß fast ohne räumlichen und konstruktiven Mehr-

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schritt- aufwand und ohne merkliche Beeinträchtigung seiner schaltmotor mit einem Pole aufweisenden Stator, in Massenträgheit, seiner Reibung und seiner Drehmodem ein auf seiner Umfangsfläche gezahnter Rotor mentcharakteristik das Schwingungsverhalten seines gelagert ist, mit einem den Rotor und den Stator um- 35 Rotors am Ende eines jeden Schaltschrittes wesentgebenden Gehäuse und mit Mitteln zur Dämpfung lieh verbessert wird,
der Rotorschwingungen. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

Derartige Schrittschaltmotoren haben die Eigen- gelöst, daß das Gehäuse flüssigkeitsdicht ist und als schaft, daß sie nach Durchführung eines Bewegungs- Dämpfungsmittel eine Dämpfungsflüssigkeit beschrittes auf einen Speisungswechsel der Erreger- 4° stimmter Viskosität in solch einer Menge enthält, wicklung hin über die neue Stopplage hinaus über- daß wenigstens der Luftspalt zwischen dem Rotor schwingen und in allmählich abklingender ge- und dem Stator damit angefüllt ist.
dämpfter Schwingung in der Stopplage dann zur Die viskose Flüssigkeit vermag nicht nur infolge Ruhe kommen. Ein Schaltschritt des Motors ist also ihrer Reibung an den Statorzähnen die Überschwingnicht bereits dann beendet, wenn der Rotor die neue 45 weite zu verringern, sondern dämpft auch die peri-Stopplage erreicht hat, sondern erst in dem Augen- , odisch abklingenden Schwingungen derart, daß eine blick, in dem die Schwingung weitestgehend abge- erhebliche Verkürzung des Einschwingvorgangs auf klungen ist, woraufhin dann der nächste Schaltschritt die neue Stopplage erreicht wird. Das Abdichten durchgeführt werden kann. Damit ist jedoch die Zeit-., eines so kleinen Gehäuses, wie es bei Schrittschaltspanne, die für einen Schaltschritt benötigt wird,'re- 5° motoren dieser Art gebräuchlich ist, bedeutet keine lativ lang, was wiederum bedeutet, daß innerhalb der Schwierigkeiten und keinen besonderen Mehrauf-Zeiteinheit nur verhältnismäßig wenig Schaltschritte wand, zumal derartige Motoren ohnehin wegen der durchgeführt werden können; die normale Betriebs- Vielfalt ihrer Einsatzmöglichkeiten schon dicht gegeschwindigkeit des Motors also langsam ist. baut werden. Auch räumlich gesehen ist eine ge-

Es sind bereits zahlreiche Versuche unternommen 55 drängte Bauweise möglich.

worden, das Überschwingen und Ausschwingen des Um die Motoreigenschaften von seiner Einbaulage

Rotors stärker zu dämpfen, um die Motorschrittzahl unabhängig zu machen, ist es vorteilhaft, das Ge-

pro Zeiteinheit erhöhen zu können. So wurden bei häuse völlig mit der Dämpfungsflüssigkeit anzufül-

relativ niedrigpoligen, d. h. schnellaufenden Schritt- len. Es kann die Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit

schaltmotoren eigene Dämpfungsgeneratoren (Rege- 60 so gewählt werden, daß der Rotor mit einer aperiodi-

lungstechnik, 3. Jahrgang (1955), Heft 8, S. 200 bis sehen Schwingung in seine neue Stopplage ein-

204) oder Dämpfungskurzschlußringe in den Polen schwingt, was zu einer besonders kurzen Schrittzeit

oder Luftflügel verwendet, welche jedoch bei den führt. Wenn darüber hinaus der Stator am Luftspalt

vornehmlich in Betrachtung stehenden Schrittschalt- radial vorstehende Zähne besitzt, sind Bedingungen

motoren mit gezahnter Rotorumfangsfläche, welche 65 geschaffen, die auch bei längerem Lauf des Schritt-

zu einer hohen Schrittzahl je Umfang und damit klei- schaltmotors in einer Drehrichtung verhindern, daß

nem Schrittwinkel führen ungeeignet sind, abgesehen die viskose Dämpfungsflüssigkeit in zu starkem

davon, daß teils ihr zusätzlicher Aufwand erheblich Maße mit dem Rotor umläuft.