DE2249712A1

DE2249712A1 - Elektrischer schrittschaltmotor

Info

Publication number: DE2249712A1
Application number: DE2249712A
Authority: DE
Inventors: Harlen Leon Baswell; John Douglas Hays; Johnny Frederick Schauerte
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR Voyix Corp
Priority date: 1971-10-12
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1973-04-19
Also published as: GB1357269A; US3739252A; FR2156225A1; JPS4845817A; CA981324A

Description

ThE NATIONAL CASH REGISTER COMPANY Dayton, Ohio (V. St. A.)

Patentanmeldung:
Unser Az.: 14Ü0/GER

ELEKTRISCHER SCHRITTSCHALTMOTOR

Diese Erfindung bezieht sich auf elektrische Schrittschaltmotoren.

■ Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektrischen Schrittschaltmotor bereitzustellen, der ein hohes Ausgangsdrehmoment besitzt.

Erfindungsgemäß wird ein Schrittschaltmotor bereitgestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß erste und zweite gezahnte Rotoren vorhanden sind, die mit entsprechenden ersten und zweiten gezahnten Statoren zusammenwirken, wobei die ersten und die zweiten Rotoren auf einem torsionsartig elastischen Kopplungsglied befestigt sind, da3 die Statoren mit Wicklungen versehen sind und daß der Hotor Steuervorrichtungen zum selektiven Erregen unci Aberregen eier Spulen besitzt und ein Ausgangs- · glied, aas ;ιπΐ -dem KoppTunysgl ied verbunden ist, wobei, wenn wenigstens einige der Rotor- und Statorzähne eines der

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Motoren und der mit ihm zusammenwirkenden Statoren ausgerichtet si na und das koppelglied in einem nichtgespannten Zustand ist, dann wenigstens einige der Rotor- und Statorzahne des anderen Rotors und des mit ihm zusammenwirkenden Stators nicht ausgerichtet sind, und das Koppelgliea abwechselnd durch selektives Erregen und Aberregen der Spulen torsionsartig gespannt und dann freigegeben wird, und eine Schrittbewegung des Ausgangsgliedes bewirkt, die durch die Freigabe des Kopplungsgliedes aus dem torsionsartig gespannten Zustand erzeugt wird,

AusfUhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand von Beispielen, mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen ist:

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Schrittschal trnotors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Endansicht von der rechten Seite her, des in Fig. 1 gezeigten Schrittschaltmotors;

die Figuren 3A bis 3F sind schensatische Darstellungen des Schrittschaltmotors von Figur 1 und 2, die verschiedene Rotor-Statorstellungen, die während eines Schrittvorgangs auftreten, zeigen;

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines ab^ geänderten Stators für einen Schrittschaltmotor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 zeigt einen Rotor, der zusammen mit dem in Fig. 4 gezeigten Stator verwendet wird;

Fig. 6 ist die perspektivische Ansicht eines weiteren Schrittschaltmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine auseinandergezogene Ansicht des

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Schrittschaltmotors von Figur 6;

Fig. 8 ist eine schemati sehe Ansicht einer zweiten Ausführung eines Schrittschaltmotors nach der vorliegenden Erfindung.

Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 der Zeichnungen sind zwei Ansichten zu sehen, eine Schnittansicht und eine Endansicht eines Schrittschaltmotors, der auf Tragplatten 12 und 14 gehalten wird, die an einem zylindrischen Motorgehäuse 16 befestigt sind, wobei das Gehäuse zwei Rotor-Statoranordnungen 18 und 20 voneinander trennt, die daran befestigt sind. Die Rotor-Statoranordnung 18 enthält ein Paar von Statorhälften 22 und 24, die ringförmig einen Rotor 26 umschließen, der an einem Ende einer Torsionswelle 3ü befestigt ist. Anordnung 20 enthält ein Paar Statorhälften 32 und 34, die einen Rotor 36, der an dem anaeren Ende der Welle 30 befestigt ist, enthalten. Die Uelle 30 ist in Lagern wie Kugellager 45 und 46 gelagert, die entsprechend von Traggehäusen 47 und 48 gehalten werden, wobei die Gehäuse die Enden des Motors bilden. Die Statorhälften 24 und 32 sind mittels Schrauben 49 an dem Motorgehäuse 16 befestigt und die Statorhälften 22 und 34 sind entsprechend an den Statorhälften 24 und 32 ir.it Hilfe von Schrauben 50, ausgerichtet durch Stifte 51, befestigt. Die Lager 45 und 46 sind mit Hilfe von Klammern 52 und 53 in den Gehäusen 47 und 48 gehalten.

Der Motor besitzt eine Wicklung-60, die in den-Statorhälften 22 und 24 enthalten ist und eine Wicklung ül, die in den Statorhälften 32 und 34 enthalten ist. Die Statorhälften L'l und 24 sind an ihren Pulenden durch einen Luftspalt b'c getrennt und die Statorliälften 32 und 34 be-

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sitzen einen ähnlichen Luftspalt 63. Jeder ilotor ist mit 24 in gleichem Abstand angebrachten Rotorzähnen versehen, deren äußere Enden 24 entsprechenden Statorzähnen auf dem inneren üiiifamj des zugehörigen Stators gegenüberliegen. Die Zähne, der 24 Zähne aufweisende Rotor-Statorkonstruktion (wie sie durch die Buchstaben a, b, c bis v, w, χ in Fig. 2 bezeichnet werden), besitzen einen Winkelabstand von 15 Grad zwischen den einzelnen Zähnen. Es sind jedoch auch andere Anzahlen von Zähnen möglich, z. B. können 64 gleich beabstandete Zähne verwendet werden. Eine Ausgangswelle 28 ist an dem Rotor 26 angebracht.

Der Magnetflußweg für die Rotor- und Statorhälften am Ende des Motors, wo die Ausgangswelle 28 gelegen ist, besteht aus einem ringförmigen Weg,der die Statorhälfte 24 einschließt, dem Luftspalt zwischen der Statorhälfte 24 und dem Rotor 26, dem Rotor 26 selbst, dem Luftspalt zwischen dem Rotor 26 und der Statorhälfte 22 und der Statorhälfte 22 selbst.

Eine gegebene Statorhälfte, wie Hälfte 24» nimmt nur eine einzige magnetische Polarität₅wie z. B. einen Nordpol über ihren ganzen Umfang während einer Motorbetätigung an, d. h. es gibt keine Aufteilung der Statorzähne in abwechselnd Nord- und Südpole wie in manchen bekannten Schrittmotoren. Jede Wicklung,wie die Wicklungen 60 und 61 in den Figuren 1 und 2,besteht aus einem einzigen elektrischen Kreis mit einer Anzahl von Windungen. Die Wicklungen/Wden Aussparungen zwischen den Statorhälften, und die Enden der Wicklungen werden als Zuleitung 70 und 71 herausgeführt und mit einer Anschlußleiste 72 verbunden. Eine Erregungsvorrichtung 75 wird über Anschlußleitungen

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74 mit dem Motor verbunden. Die Erregungsvorrichtung 75 wird im einzelnen in einer weiteren Anmeldung der gleichen Anraelderin, die den Titel hat "Vorrichtung zum Erzeugen und Entfernen von magnetischem Fluß in einer ferromagnetischen Struktur", beschrieben.

Die Figuren 3A bis 3F der Zeichnungen· zeigen ein Aufeinanderfolgen der Operationen "Heranholen", "Halten" und "Freigeben" des Rotors durch die Statoren während einer Schrittoperation des iiotors, der in Figur 1 und 2 gezeigt wird.

Figur 3A zeigt eine ursprüngliche Stellung des iictors in einer Position, in üer cn a Zahns des Rotors 25 am· Ende der äus-j-an^sv/el Ie 2b »,it den Züiinen der StatorfiHl ften al und 24 ausgerichtet sind. Dabei ist zu bemerken, aap in i-"i;-„ur 3 die bezujszeichen 22 und £4 die beiden '!ulfben aes vollständigen Stators, der. as.; Ende der Ausgairs- :_iic Uo ues .,otors lic;, t, L εZeichnet, wobei diese Ii al ft en ^urcii .'ijii als 22, 24 buzeic.incter. einzelnen Stator dargestellt werden. Zu der Zeit, da die Zähne des kotors 2ü ü..; tiiae o^r Ausgangs.;el 1 ε <.-> »lit den Zähnen des Stators. 22, 24 ausgerichtet sind, sind die Zähne des Rotors 36 am Wellenende 33 um im wesentlichen eine halbe Schrittposition zu den Zähnen des Stators 32, 34 versetzt, so daß sie im wesentlichen zwischen den Zähnen des Stators 32, 34 liegen. Diese Versetzungsbedingung wird mechanisch während der r-iotorherstel lung eingestellt.

Wenn nun ein Stromfluß in der Wicklung 60 erzeugt wird, werden die Zähne des Rotors 26 in der gezeigten Position gehalten und sind mit den Zähnen des Stators 22, 24 durch eine Haltekraft ausgerichtet und die Torsions-

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v/elle 30 ist in einem entspannten Zustand, nachdem die üicklunc tiü zuerst errect wurde, wird danach ein Stroir,-flub in der Wicklung öl erzeugt u η α die Zähne des Rotors 36 werden angezogen und werden mit den Zähnen des Stators 32, 34 ciurch eine anziehenue Kraft ausgerichtet, wie man es in Fi-,ur 3B sieht. Zahn "α" ist mit Zahn "a", Zahn "x" mit "x", ausgerichtet usw. In aer liotordarstell ung von Figur 30, in oer beioe «.'icklungen 60 und 61 erregt sind, ist die Torsionswelle 30 in einem verdrehten oder tordiertem Zustand. In dieser Stellung ist der Motor für seine erste Sehrittbewenung bereit.

üie Sehr i ttbewejuncf kann in Figur 3B ciurch Abschalten uer Erregung von entweoer der Wicklung 60 oder 61 eingeleitet werden, um so die gespannte Torsionswelle 30 von ihren verdrehten Zustanu freizugeben. Wenn die trrer;unfj der wicklung öd aufgehoben wird, beginnt der Rotor 26 mit einer ^reining im Uhrzeigersinn, wobei seine Zahne von den entsprechenden Zähnen des Stators 22, 24 wegbewect werden, wie man in Figur 3C sieht. An eine ir. Punkt nachdem uie Mittellinie eines Kotorzahnes in die ila'he oder über die Mittellinie zwischen den Zähnen des Stators 22, 2 4 (Fi rj, 3C) bewecjt wird, wird die .lick3ung 60 wieder erregt, so daß die magnetische Kraftwirkung zwischen Rotor und Stator die Zähne des Rotors 2b zu dei.i nächsten Satz von Zähnen des Stators 22, 24 zieht. Durch die Anziehung wird, wie man in Figur 3D sieht, Rotorzahn "a" in Ausrichtung mit Statorzahn "b", Rotorzahn "x" mit Statorzahn "a" und Rotorzahn "w" mit Statorzahn "x" gehalten, Während dieser Bewegung in die neue Stellung, wobei diese Bewegung mit dem Aberregen der Spule 60 beginnt, kann sich der verdrehte und elastisch gespannte Zustand der Torsions-

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welle 30 ausgleichen, während das hnde der Welle 28 in Uhrzeigerrichtung beschleunigt wird. Hat jedoch uas Wellenende 28 sich bis zu dem Punkt gedreht, wo ein Zahn des Rotors 26 die Mittellinie zwischen den Zähnen des Stators 22, 24 passiert, dann beginnt das Wellenende 23.durch ein erneutes Verdrehen der Welle abgebremst zu werden. Abhängig von der Last, die an dem i4otor angeschlossen ist und der Geschwindigkeit der Notoroperation, kann die Wicklung entweder in der · Nähe oder genau zu der Zeit, wenn die Mittellinie eines Rotorzahnes mit der iiittellinie zwischen den Zähnen des Stators 22, 24 ausgerichtet ist, wieder erregt werden.

üach der Drehung des Rotors 26 in die neue ausgerichtete Position, wird die entgegenliegende Wicklung aberregt und die verdrehte Torsionswelle 3G wird wieder freigegeben, wodurch sich, eine Bedingung einstellt, in der die Zähne des Rotors 36 sich in Uhrzeigerrichtung relativ zu dem Stator 32, 34 während sich die Torsionswelle 30 entspannt, bewegen. Wiederum an einem Punkt kurz davor, an dem oder nachdem sich die Mittellinien der Zähne auf dem Rotor 36 an den Mittellinien zwischen den Zähnen auf dem Stator 32, 34 vorbeibewegen, wie man in Figur 3E sieht, wird die Wicklung wiedererregt und die magnetische Anziehungskraft bewirkt ein ausgerichtetes Festhalten der Zähne des Rotors 36 mit den darauffolgenden Statorzähnen, wie man es in Figur 3F' sieht. Dabei ist der Zahn "a" des Rotors 36 mit dem Zahn "b^M des Stators 32, 34 und die darauffolgenden Zähne wie gezeigt, ausgerichtet, die Torsionswelle 30 wiederum verdreht und das Ausgangsende 28 der Welle 30 ist für die nächste Schrittbewegung bereit.

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Das wechselweise Erregen der Wicklungen 60 und 61, um ein Beschleunigen oder Abbremsen der Wellenenden und Rotoren in die nächste Zahnposition zu erreichen, mit dem Ergebnis, daß eine Verdrehung der Welle 30 erzeugt und dann wieder freigegeben wird, vervollständigt eine Schrittbewegung an dem Ausgangsende der Welle. Das Aufeinanderfolgen von "Einfangen", "Halten" und "Freigeben" des Rotors mit Hilfe von Erregen und Aberregen der entsprechenden elektrischen Wicklungen, erzeugt eine Energiespeicherung in der Torsionswe.lle 30. Das Beschleunigen, Abbremsen und Festhalten eines Motors, der nach dem Erfindungsgedanken gebaut wurde, sind zuverlässig und positiv, da jeder Rotorzahn mit einem entsprechenden Statorzahn ausgerichtet ist, während der Motor in einem erregten Zustand ist. Der Motor ist in der Lage, ein großes Ausgangsdrehmoment pro Einheit der Rotorträgheit zu erzeugen, da jeder Rotorzahn durch magnetische Kraftwirkung betätigt wird und keine Rotorzähne ruhiggestellt sind oder reserviert zum Gebrauch in einer späteren Zeitphase oder zum Starten des Motors. Das Verhältnis von Drehmoment zu Massenträgheit ist groß für den Motor, da der Magnetfluß im Motor im wesentlichen auf den Bereich der Rotorzähne beschränkt ist und nicht in dem Mittelbereich des Rotors einzutreten braucht, der deshalb sehr klein und leicht im Gewicht gemacht werden kann.

Bei der Beschreibung von Fig. 3C der Zeichnungen wurde erwähnt, daß die elektrische Erregung für die Wicklung 60 an einem Punkt des Motoroperationszykluses entfernt wird, um der verdrehten Torsionswelle 30 ein Entspannen zu ermöglichen und dadurch den Rotor 26 in Uhfzeigerrichtung zu beschleunigen, wie es durch den Pfeil 27 aufgezeigt wird. Aus energetischer Sicht gesehen, deutet die Beschleunigung

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des Rotors 26 das überführen eines Betrages von potentieller Energie von der durch Drehung gespannten Torsionswelle 30 in den Rotor 26, wo die Energie in kinetische Energie übergeführt wird, die auf die rotierende Masse des Rotors 26 übertragen wird. Im wesentlichen wird die in der Torsionswelle 30 gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, die in dem Rotor 26 für eine Zeitspanne während des Intervalls, das der Freigabe des Rotors 26 durch die Wicklung 60 folgt, gespeichert wird. Der Wirkungsgrad mit dem die in der Torsionswelle 30 gespeicherte Energie in kinetische Energie in dem Rotor 26 übergeführt werden kann, ist aus verschiedenen Gründen wichtig:

1. Bei einer mit einem guten Wirkungsgrad versehenen Energieübertragung ist die an der Ausgangswelle 28 verfügbare Energie des Motors nicht durch die über die Wicklung 60 übertragene Energiemenge begrenzt, sondern kann ebenso die Energie, die Über die Wicklung 61 in den Motor übertragen wurde, enthalten. Die Verwendung von zwei Eingangswicklungen hat Vorteile, insofern, als Rotorträgheit, Hitzeverluste, magnetische Sättigung und die Zeitkonstante der elektrischen Wicklung günstig beeinflußt werden.

2. Wenn die Energie wirksam gespeichert und zwischen den Rotoren des Motors übertragen werden kann, wie man es in Figur 3 sieht, ist es unnötig, zur Erzeugung des Startmoments in irgendeinem magnetischen Erreger des Schrittmotors dafür eine Vorrichtung vorzusehen. Das Nichtvorhanden' sein von Rotorpolen, die nur zur Erzeugung des Startmoments gebraucht werden, ermöglicht dem Motor ein geringeres Trägheitsmoment zu haben und ergibt ein höheres Ausgangsdrehmoment bei einer gegebenen physikalischen Motorgröße, da alle der vorhandenen Motorpole zur Drehmomentserzeugung

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verwendet werden und keine Pole zum Gebrauch in aufeinanderfolgenden Zeitphasen der Hotoroperation reserviert sind. Die Kombination des Rotors 26 und des Rotors 36 ergibt eine nützliche Addition des gespeicherten Antriebsdrehmoments zu dem am Ausgang an der Motorwelle 28 verfügbaren Drehmoment. Mit anderen Worten wird mit einer wirksamen Energieübertragung über die Torsionswelle 30 durch den Rotor 36 sowohl zu dem Startdrehmoment, als auch zu dem Arbeitsdrehmoment, ein wesentlicher Beitrag auf den Rotor 26 übertragen.

3. Wenn die Energie wirksam über die Torsionswelle 30 Übertragen werden kann, kann das Ausgangsdrehmoment am Ende 28 des in den Figuren 3 dargestellten Motors mathematisch wit großer Genauigkeit, für wenigstens einen Teil des Funktionszykluses des Motors· vorhergesagt werden. Während des Operationszyklus'teiles, indem die Rotation des Wellenendes 28 durch das Entspannen der Torsionswelle 30 bewirkt wird* wird das am Wellenende 28 verfügbare Ausgangsdrehmoment vollständig durch die elastischen Charakteristiken der Torsionswelle 30 und das Innere Motorträgheitsmoment bestimmt. Oa diese Charakteristiken aufgrund der Eigenschaften der Welle und des Rotors genau gemessen oder berechnet werden können, kann das Motorausgangsdrehmoment genau für den durch die Torsionswelle angetriebenen Teil des Motorzykluses vorhergesagt werden.

4. Wenn die Energie wirksam zwischen den Rotor 36 und dem Rotor 26 über die Torsionswelle 30 Übertragen werden kann, dann kann eine Kombination von Reibungs- und Trägheitsbelastung, die an dem Wellenende 28 anliegt, so betrachtet werden« als sei ihr Trägheitsanteil durch das Drehmoment von der Torsionswelle 30 angetrieben worden und ihre Reibungskomponente durch den Rotor 26. Obwohl die

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Aufteilung der kraftüberwindenden Antriebsdrehmomente etwas weniger mathematischer exakt ist, ist es in mancher praktischen Situation wichtig, da es möglich ist, das Drehmoment von der Torsionswelle 30 so zu betrachten, als hätte es die Last am Wellenende 28 auf eine Rotationsgeschwindigkeit beschleunigt, bevor ein magnetisches Drehmoment an den Rotor 26 angelegt wird. Das aufeinanderfolgende Auftreten eines bekannten, vorhersagbaren Federdrehmomentes am Wellenende 28, das von einem magnetisch erzeugten Motordrehmoment gefolgt wird, kann die erwünschte mathematische Berechnung des Lastverhaltens bei einigen Motoranwendungen ermöglichen.

5. Wenn die Energie wirksam zwischen dem Rotor 36 und dem Rotor 26 über die Torsionswelle 30 übertragen werden kann, dann besteht die Umkehrung der Motordrehrichtung nur in der Auswahl, ob zuerst der Rotor 36 oder erst der Rotor 26 freigegeben werden soll, wenn sich die Torsionswelle 30 in dem verdrehten Zustand, der in Figur 3B der Zeichnung gezeigt wird, befindet. Bei der Verwendung des Motors in einer Geschäftsmaschine zum Beispiel, ist zur Umkehrung der Drehrichtung des Motors nur eine Änderung des Steuersignales notwendig, um auszuwählen, welche der Wicklungen 60 und 61 zuerst aberregt werden soll, nachdem in der Torsionswelle 30 potentielle Energie gespeichert v/urde.

Diese wirksame Energieübertragung wird durch Reduzierung der Energieverluste, die aufgrund von Reibung oder Torsionshysterese an der Welle 30 auftreten, unter-■ stützt. Es hat sich für diesen Zweck als wünschenswert erwiesen, die Torsionswelle 30 aus eineui Material herzustellen, bei dem die Verluste auf Grund von molekularer Reibung und mechanischer Hysterese ein Minimum sind. Unter den

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daterialien, die sich für diesen Zweck als vorteilhaft erwiesen haben, ist die Stahlfamilie, die als Elektrostahl bekannt ist und besonders der Stahl, der unter der amerikanischen Eisen- und Stahlinstitutsnummer 52100 (AISI 52100) als Kugellagerstahl bekannt ist. Wenn AISI 52100 Kugellagerstahl verwendet wird, wurde gefunden, daß eine Torsionswelle 30, die ein Längen- zu üurchmesserverhältnis in der Nähe von 16 zu 1 besitzt, ist sowohl in Bezug auf Energieverluste als auch in Hinsicht auf Ermüdungsfreiheit zufriedenste!lend.

Andere Materialien, die erfolgreich für die Torsionswelle 30 verwendet wurden, sind Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen. Aluminiumlegierungen besitzen einige Nachteile für die Torsionsanwendung, da sie eine relativ niedrige Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung bei Torsionsbelastung aufweisen. Titanverbindungen andererseits erlauben die Verwendung eines kleineren Längen- zu Durchmesserverhältnisses für die Torsionswelle 30.

Solange Energieverluste durch molekulare Reibung und mechanische Hysterese in den gewünschten Grenzen gehalten werden, können andere Materialien und andere Formen der Torsionswelle 30 in der Praxis verwendet werden, so z. B. kann das Torsionswellenglied durch eine Spiralfeder oder durch ein organisches, federndes Glied ersetzt werden.

Einige Änderungen des oben beschriebenen Schrittschaltmotors werden nun diskutiert werden.

Es ist notwendig, zunächst daran zu erinnern, daß die Motordrehung zuerst mit dem Festhalten des Rotors an dem einen Ende des Motors beginnt, wobei die Pole miteinander ausgerichtet sind. Dem elastischen Torsionsstab wird dann

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eine Torsionsspannung durch Drehen des Rotors am entgegengesetzten Ende des Torsionsstabes erteilt, wodurch die Zähne eine miteinander ausgerichtete Stellung einnehmen. Da die vorangehende Beschreibung eines Schrittschal tmotors erforderte, daß bei ausgerichteten Rotor-Statorpolen an dem einen Ende des Schrittschaltmotors, an dem anderen Ende die Rotor-Statorpole um einen halben Schritt gegeneinander verschoben sind, wodurch die Frage auftaucht, welche Drehrichtung durch den zweiten Rotor, wenn er mit seiner Drehung beginnt, ausgewählt werden wird, wenn er seine Drehung aus der versetzten Stellung der Zähne zueinander beginnt. Da der zweite Rotor theoretisch exakt zwischen zwei anziehenden Polen des zweiten Stators steht,wenn der erste Rotor genau ausgerichtet ist, könnte seine Drehung theoretisch nach beiden Richtungen hin beginnen.

In einer Abänderung des vorliegenden Motors wurde es als geeignet festgestellt, eine Abtastvorrichtung zur Feststellung der Bewegung des zweiten Rotors einzubauen, die die Form einer codierten Scheibe und einer fotoelektrischen Abtastvorrichtung besitzt, damit die Bewegungsrichtung des zweiten Rotors auf eine Erregung der Wicklung hin, festgestellt werden konnte, um so das geeignete Ende des Schrittschaltmotors zuerst freizugeben und so die gewünschte Bewegungsrichtung zu erreichen. Wie vorher festgestellt, ist es möglich, jede Richtung als Belastungsrichtung einzurichten, was davon abhängig ist, welcher Rotor zuerst freigegeben wird.

Die Figuren 4 und 5 der Zeichnungen zeigen ein anderes Beispiel, das zur sicheren Voraussage der Richtung der Motorrotation nützlich ist. In Figur 4 und 5 ist bei 103 eine Stator- und bei 123 eine Rotoranordnung gezeigt

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und bei 121 ein Torsionswellenglied, das an dem einen Ende eines Schrittschaltmotors der nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde» verwendet wird. Der Stator 103 besteht aus einem Statorgehäuse 119, das sechs separate Statorpolanordnungen 105» 107, 113, 115, 117 und 118 enthält, die elektrische Wicklungen 109, 114 und 116 besitzen und die magnetisch mit den Statorpolanordnungen gekoppelt sind. Die Rotoranordnung 123 in Figur 4 besteht aus dem Rotorglied 129 mit daran angebrachten Rotorpolen, eine Ausgangswelle 125 und einem Torsionswellenglied 121, das an dem der Ausgangswelle entgegengesetzten Ende angebracht ist, wobei das Torsionswellenglied in einer verkürzten Form gezeigt wird, wie es durch die gebrochene Linie 127 angedeutet ist. Das wesentliche Merkmal der Ausführung in Figur 4 und 5 ist, daß die Statorpole, die in Anlage mit dem Rotor 129 während jeder-schrittweisen Ausrichtung gelangen, in zwei oder mehr Gruppen aufgeteilt sind, die axial entlang der Rotorwelle verteilt sind, wobei die Pole in Umfangsrichtung leicht zueinander versetzt sind. In dem Stator von 103 in Figur 4 sieht man, wie der Polsatz 105 und 107 in Umfangsrichtung gegenüber dem Polsatz 113 und 115 versetzt ist und ebenso gegenüber dem Polsatz 117 und 118, wobei der Polsatz 113 und 115 in Umfangsrichtung auf gleicher Höhe ist, wie der Polsatz 117 und 118. Beim Arbeiten der drei Polsätze des Stators von 103, wird die Erregung an die elektrischen Wicklungen 109, 114 und 116 in Reihe oder parallel so angelegt, daß diese Polsätze gleichzeitig erregt werden. Mit den drei separaten Polsätzen,die in 103 gezeigt und am zweiten Rotorende des Schrittschaltmotors verwendet werden und der darauffolgenden Erregung des nichtgezeigten ersten Rotors, wird der Rotor 123 in der Mitte zwischen den Polen der Statoranordnung 113,

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115, 117 und 118 gelegen sein, jedoch näher zu dem PoI-satz 105 und 107, als zu den anderen Polsätzen der in der Nähe gelegenen. Pole. Diese größere Nähe zu einem Statorpolsatz als zu den anderen, erzeugt eine überschüssige Rotationskraft in Richtung der näher gelegenen Pole, wodurch dem Rotor 123 eine Bewegung in Richtung auf die nähergelegenen Pole erteilt wird.

Das Fehlen der genauen Ausrichtung zwischen den Polen des Stators 103 in Figur 4 verringert natürlich das auf den Rotor 123 ausgeübte Drehmoment um einen geringen Betrag. Die nicht ausgerichteten Statoren 105 und 107 kann auch etwas die ausgerichtete Stellung der Pole des Rotors 123 verändern. Da die Drehkraft,die in der Rotor-Statoranordnung verfügbar ist, durch Verstärkung des Erregungsstromes in der elektrischen Wicklung erhöht werden kann, und da die Abweichung in der Rotor-Statorpolausrichtung bei der Herstellung des Schrittmotors ausgeglichen werden kann, braucht die allgemeine Verwendung dieses Schrittschaltmotors durch die Versetzung in Umfangsrichtung des Satzes von Statoren 105 und 107, die in Figur gezeigt werden, nicht vermindert werden.

Für die Änderung der Bewegungsrichtung des Rotors, und immer wenn ein Statorglied, wie bei 103 in Figur 4 gezeigt, in einem Schrittschaltmotor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wurde es als wichtig gefunden, daß Pole, die in axialer Richtung nebeneinanderliegen, dieselbe magnetische Polarität aufweisen, wie es bei 112 in Figur 4 aufgezeigt wird. Wäre diese Süd- zu Süd- und Nordzu Nordausrichtung von benachbarten Statorpolen nicht, wie sie in Figur 4 gezeigt wird, würde der Magnetfluß in der gesamten Statoranordnung dazu neigen, sich in dem mittleren Teil der Statoranordnung zu addieren und würde den Luftspalt

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in der Rotoranordnung nur an den äußersten Enden in der Rotoranordnung kreuzen; das ist an den Statoren 105 unü 11b in Figur 4. Dieser zusätzliche Hagnetfluß neigt dazu, den Weg in den Rotor, der über die Statoren 113 und 115 existiert, zu umgehen und bewirkt so eine Verringerung des gesagten in dem iiotor entwickelten Drehmoments.

Ls ist natürlich möglich, für eine andere Anzahl von Statoren andere Anordnungen als die drei, wie sie in 1C3 von Firur 4 gezeigt werden, zu verwenaen. In ähnlicher Art ist es niöglicii, car. eier ilotor 123 in einer Vielzahl von Abschnitte aufgeteilt v.erüet< künn, wobei jeder nnt einen Stator in Wechselwirkung tritt.

Fijur ο und 7 zei^fjt eine weitere Abänderung, uie für höhere Beanspruchung und zur Abgabe eines hohen Drehmoments geeignet ist. Der iiotor nach Figur 6 und 7 enthält eine Torsionswelle S5, die in den Motorgehäusen üb und gehalten wird und in Endlagern 92 und 93 gelagert ist. Dieser Motor besitzt ein zusätzliches Paar von Lagern 94 und 95, die an den mittleren Enden der Rotoren 96 und 97, zwischen den inneren Enden der Statoren 98 und 99 liegen. Die kompaktere Version des Schrittschal tniotors von Figur wird in zusammengesetzter Form in Figur 6 gezeigt, wobei die elektrischen Anschlußdrähte für die Statorwicklungen 100 und 101 an den Enden des Motors entsprechend als 88, 89, 90 und 91 herausgeführt werden.

Die vergrößerte Länge der Rotoren 96 und 97 in dem Motor nach Figur 7, ergibt ein größeres Ausgangsdrehmoment und eine bessere Ausnutzung des axialen Raumes entlang des Torsionswellenglieds 85, während die zusätzlichen Lager 94 und 95, an den inneren Enden der Rotoren 96 und 97, tatsächlich die Möglichkeit verringern, daß die höhen magnetischen Kräfte, die während der Funktion des Motors

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entwickelt werden, entweder die Rotoren 96 oder 97, oder das Torsionswellenglied 85 in radialer Richtung verbiegen, bis zu einem Grad, der ein Berühren zwischen den Rotor- und den Statorgliedern zulassen würde. Da es wünschenswert ist, den Luftspalt zwischen den Rotor- und den Statorgliedern des Motors so klein wie möglich zu machen, um so eine gute magnetische Leitfähigkeit zwischen dies-en Gliedern zu erreichen, ist die Rotorkonstruktion mit Hilfe der zusätzlichen Lager 94 und 95 wichtig für die praktische Anwendung der Erfindung.

Die Rotoranordnung, die die Rotoren 96 und 97, die Torsionswelle 85 und die Lager 94 und 95 umschließt, wird während der Herstellung so angeordnet, daß bei 102 genügend Zwischenraum ist, damit die Rotoren 96 und 97 während des Motorlaufs nicht in physikalischen Kontakt kommen können. Die Rotoren können an dem Torsionswellenglied 85 durch jede der verschiedenen Befestigungsmethoden angebracht werden e-», die gleichzeitig etne hohe Drenr.iomentsübertragung mit einer relativ niedrigen Bewegung zwischen Rotor 96 und Torsionswellenglied 85 ermöglichen. Es können dabei Methoden wie Warmaufziehen durch thermische Dimensionsänderungen in einem oder beiden der Glieder 85 und 96, mechanisches Versplinten und der Gebrauch von Epoxitklebstoffen zur Herstellung dieser Verbindung, verwendet werden.

Eine zweite Ausführung des Schrittschaltmotors nach der Erfindung wird nun anhand von Figur 8 beschrieben. Der Motor nach Figur 8 besteht aus zwei Statorgliedern und 533, die mit zwei Rotorgliedern 521 und 537 zusammenwirken, und einem Torsionsglied 527, das die beiden Rotoren miteinander verbindet. Der Stator 515 in Figur 8 wird durch elektrische Wicklung 517, 523 und 525 erregt, die in dem

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Zwischenraum zwischen den Polen der Statoranordnung liegen. Der Stator 533 wird durch elektrische Wicklungen 535 erregt, die, wie gezeigt, in üblicher Weise um die Statorpole herum angebracht sind. Um das Torsionsglied in Figur 8 herum ist eine Vorrichtung zum Abnehmen von Rotationsenergie aus dem System in der Form eines Obertragungsbands 531 und eines Übertragungsbandzahnrads 529, die, wie gezeigt, im wesentlichen im Mittelpunkt des Torsionsgliedes 527 liegen.

Der Motor in Figur 8 ist ein Beispiel für verschiedene, ähnliche Ausführungen, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen. Das sind die folgenden:

1. Das Torsionsschrittschaltmotorkonzept ist in seinem Umfang der Verwendung nicht auf Schrittschaltmotor, die die ringförmige magnetische Erregungsart eines elektrischen Übertragers verwenden, wie er in Figur 2 der Zeichnungen beschrieben wurde, beschränkt. Das bedeutet, daß dort nicht notwendigerweise eine gleiche Anzahl von Rotor- und Stator— zähnen und eine einzige elektrische Wicklung vorhanden sein müssen, die gleichzeitig alle Rotor- und Statorpole erregt, sondern der Rotor und der Stator können auch eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen besitzen und es können eine Vielzahl von elektrischen Wicklungskrelsen damit verbunden sein.

2. Der Torsionsschrittschaltmotor kann selektiv erregbare toroidale Wicklungen verwenden.

3. Das Torsionsschrittschaltmotorkonzept kann Wicklungen verwenden, die auf dem hervorragenden Teil der Statorpole liegen.

4. Der übertrager von elektrischer zu mechanischer Energie, der an jedem Ende eines Torsionsgliedes liegt, braucht in

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Wirklichkeit niche ^enau mit den verschiedenen '.iicklunjsanorcinuncen für die Statoren 515 und 533 übereinstimmen, es ist jedoch wichtig, daß die Energieübertraaer, die an'jedem Ende des Tbrsionse1er.;entes liegen, dieselbe Anzahl von inkrenientalen Positionen besitzen.

5* Das Ausgangsdrehmoment des Torsionsschrittsehaltr.iotors kann an, j.edeni Teil der sich drehenden Struktur abgenommen werden, was auf übliche mechanische Art durchgeführt werden kann, wie es z. ß. durch die Anbringung des Antriebriemenzahnrades 529, das in diesem Ausführungsbeispiel in der Nähe der Mitte des Torsionsgliedes 527 angebracht wird.

6. Das Abnehmen der Ausgangsenergie von einem Hittelteil des Torsionselehientes, wie es durch die Verwendung des Zahnrades 529 und des Antriebriemens 531 dargestellt wird, bietet einige nützliche Vorteile, in_sofern, als beim Betätigen des Schrittschaltmotors die Last berücksichtigt wird. Die Bewegung, die dem Zahnrad 529 durch den Torsionsschrittiiiotor von Figur 8 erteilt wird, weist eine Größe der Drehung auf, die die Hälfte der Gröfie der Drehung in einen; der elektrisch zu mechanischen Übersetzern, die an den Enden des Torsionsgliedes angebracht sind, beträgt. Die Größe der Drehungen des Zahnrades 52SV 'ist die Hälfte derjenigen des Rotors 521 und des Stators 515, wobei diese kleineren Drehbeiträge mit doppelter Frequenz als die der Rotordrehbeiträge auftreten. --=-..-■- :

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BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche:

Schrittschaltmotor, dadurch gekennzeichnet, daß erste (26) und zweite (36) gezahnte Rotoren vorhanden sind, die mit entsprechenden ersten (22, 24) und zweiten (32, 34) gezahnten Statoren zusammenwirken, wobei die ersten und die zweiten Rotoren auf einem torsionsartig elastischem Kopplungsglied (30) befestigt slid, daß die Statoren mit Wicklungen (60, 61) versehen sind und daß der Motor Steuervorrichtungen zum selektiven Erregen und Aberregen der Spulen (60, 61) besitzt und ein Ausgangsglied (28), das mit dem Kopplungsglied (30) verbunden 1st, wobei, wenn wenigstens einige der Rotor- und Statorzähne eines der Rotoren (z. B. 26) und der mit ihm zusammenwirkenden Statoren (z. B. 22, 24) ausgerichtet sind und das Koppelglied (30) in einem nichtgespannten Zustand ist, dann wenigstens einige der Rotor- und Statorzähne des anderen Rotors (z. B. 36) und des mit 1hm zusammenwirkenden Stators (z. B. 32, 34) nicht ausgerichtet sind, und daß das Koppelglied (30) abwechselnd durch selektives Erregen und Aberregen der Spulen (60, 61) torsionsartig gespannt und dann freigegeben wird, und eine Schrittbewegung des Ausgangsgliedes (28) bewirkt, .die durch die Freigabe des Kopplungsgliedes (30) aus dem torsionsartig gespannten Zustand erzeugt wird.

2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Kopplungsglied eine Welle (30) ist.

3. Schrittschaltmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (30) aus Stahl besteht.

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4. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Kopplungsglied (30) eine Torsionsfeder ist.

5. Schrittschaltmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren und Statoren alle die gleiche Anzahl von Zähnen aufweisen, und die Wicklungen (60, 61) beider Statoren erregt werden, so daß die Zähne jedes Rotors mit den Zähnen jedes Stators ausgerichtet sind und das Kopplungsglied (30) sich in einem torsionsartig gespannten Zustand (Fig. 3b) befindet, daß das zeitweilige Aberregen der Wicklung(en), was bei einem der Statoren geschieht,.den zugehörigen Rotor zum Drehen (Fig. 3c) freigibt, was unter der Wirkung des Kopplungsgliedes (30) geschieht und darauf folgend das Wiedererregen der aberregten Spule(n) den zugehörigen Rotor in einer in Drehrichtung welter vorne liegenden Position (Fig· 3d) anzieht und dort hält und dadurch das Kopplungsglied (30) in einen torsionsartig gespannten Zustand (F1g. 1, 2, 3a bis 3f) gelangt.

6. Schrittschaltmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsglied bei einem der Rotoren (z. B. 26) angebracht 1st.

7. Schrittschaltmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsglied (529) an dem elastischen Kopplungsglied (30) an einer Stelle zwischen den ersten und den zweiten der Rotoren angebracht 1st (Fig. 8).

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8. Schrittschaltmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter gezahnter Stator (105, 107) vorhanden 1st, dessen Zähne 1n Drehrichtung bezüglich der Zähne des zweiten Stators (113. 115) versetzt sind, und daß der dritte Stator (105, 107) mit einem Wicklungssystem (109) versehen 1st, das gleichzeitig mit der/den Wicklungen) (114) des zweiten Stators (113, 115) erregt wird, wodurch die anfängliche Drehrichtung des Ausgangsgliedes

(z. B. 28) bestimmt werden kann (Fig. 4).

9. Schrittschaltmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Statoren mit einer Vielzahl von einzelnen selektiv erregbaren Wicklungen (515, 517, 519 usw.; 533, 535, 537 usw.; F1g. 8) versehen 1st.

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